李 芮，李 曉，王志斌，黃艷飛，王耀利，張 瑞

（中北大學山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，太原030051）

陣列探測器在成像光譜偏振探測技術中的應用

李 芮，李 曉*，王志斌，黃艷飛，王耀利，張 瑞

（中北大學山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，太原030051）

為了在成像光譜偏振儀中應用近紅外焦平面陣列探測器，得到高質(zhì)量圖像信息，結(jié)合新型彈光調(diào)制型成像光譜偏振探測技術（PEM-ISP），提出了一種基于近紅外焦平面陣列探測器的成像光譜偏振探測技術。系統(tǒng)采用FPA-640×512 InGaAs焦平面陣列探測器作為光學探測接收元件，采用高速現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為信號處理單元，做到對光學信號的快速采集與并行處理，滿足高速、實時的信號傳輸與處理技術等要求。將經(jīng)高速A／D采集得到的數(shù)據(jù)存儲到FPGA外擴的靜態(tài)隨機存儲器中，以保證數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)最終通過通用串行總線傳至上位機，上位機通過LabVIEW實現(xiàn)圖像還原。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以應用于PEM-ISP中，實現(xiàn)對測量信號的精確探測與采集，并得到完整的圖像信息。

成像系統(tǒng)；三彈光調(diào)制器；成像光譜偏振探測技術；現(xiàn)場可編程門陣列

引 言

成像光譜儀和成像偏振儀是近些年來發(fā)展起來的兩類光電傳感器，成像光譜儀能夠獲得測量目標的圖像信息以及光譜信息，成像偏振儀能夠獲得測量目標的圖像信息以及偏振信息，將光譜探測功能和偏振探測功能集成到一個成像儀中則可以得到一類新的光電傳感器，即成像光譜偏振儀［1］。這種成像光譜偏振儀在生物醫(yī)學、測量、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、天文學、軍事科學等領域均具有較高的應用價值［2］。2013年中北大學WANG等人提出三彈光差頻調(diào)制偏振測量技術，是將3個彈光調(diào)制器（photoelastic modulator，PEM）分別工作在不同的頻率上，以實現(xiàn)對被測光的差頻調(diào)制，與傳統(tǒng)的彈光調(diào)制偏振測量技術相比，該方法在保留其原有優(yōu)點的同時，大大減小了調(diào)制后的光電流頻率，使其可與普通面陣探測器實現(xiàn)很好的匹配［3］。本系統(tǒng)在實現(xiàn)目標探測功能中使用的高分辨率近紅外焦平面陣探測器，可使整個系統(tǒng)具有較高的探測率和精確度［4］。由于現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）采用并行方式處理數(shù)字信息，使用FPGA實現(xiàn)探測器的時序控制，可滿足系統(tǒng)高精度的要求，且設計靈活，程序和模塊可移植性強［5-7］。因此，本文中結(jié)合彈光調(diào)制型成像光譜偏振探測（photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter，PEMISP）技術，提出了一種基于FPA-640×512 InGaAs焦平面陣列探測器，以FPGA作為信號處理單元的成像光譜偏振探測技術，以得到近紅外區(qū)域光源的圖像信息、光譜信息以及偏振信息。

1 PEM-ISP基本原理

PEM-ISP系統(tǒng)圖如圖1所示。本系統(tǒng)中采用反射式光學成像系統(tǒng)，此成像方法光路簡單、波長范圍大、色差小，可以很好地降低系統(tǒng)本身對偏振光測量產(chǎn)生的影響；三彈光差頻調(diào)制部分由3組彈光調(diào)制器PEM1，PEM2，PEM3構(gòu)成，3組彈光調(diào)制器分別工作在數(shù)值略有差異的3個頻率ω1，ω2和ω3上，其中PEM2與PEM3放置在PEM1前，PEM3與PEM1平行，PEM2與PEM1成45°，以實現(xiàn)對偏振光的差頻調(diào)制，并產(chǎn)生載有被測目標偏振信息的低頻調(diào)制分量（0；ω1－ω2；2ω1－2ω3），再通過相應的鎖相放大技術，以彈光調(diào)制器的驅(qū)動信號作為參考信號，就可以從探測器的輸出信號中一次測量獲得Stokes矢量中的S＝（s1，s2，s3）；聲光可調(diào)濾光片（acousto-optic tunable filter，AOTF）是利用聲光衍射原理制成濾光片，用于成像，這里通過同步控制技術，使AOTF在一次調(diào)制周期內(nèi)固定在某一個探測波段，當AOTF完成一次全波段調(diào)諧后，系統(tǒng)即完成對目標的圖像、光譜以及偏振信息的測量［1，3，8-9］。

Fig.1 Diagram of PEM-ISP system

2 基于近紅外焦平面陣列探測器的硬件設計

Fig.2 Design scheme of the overall system

本系統(tǒng)采用FPA-640×512 InGaAs焦平面陣列探測器作為光學信號探測接收元件，采用高速FPGA作為信號處理單元，做到對光學信號的快速采集與并行處理，采用高速A／D將FPGA控制探測器時序得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲到FPGA外擴的靜態(tài)隨機存儲器（static RAM，SRAM）中，數(shù)據(jù)最終通過通用串行總線（universal serial bus，USB）傳至上位機，上位機通過LabVIEW實現(xiàn)圖像還原。系統(tǒng)整體設計圖如圖2、圖3所示。

Fig.3 Photo of the system

2.1 探測器外圍電路設計

FPA-640×512 InGaAs焦平面陣列探測器波長范圍為0.9μm～1.7μm，輸出電壓范圍為1.6V～4.8V，640×512的像素點使其具有較高的分辨率和精度。探測器共28個引腳，其中RESET_B，CLK，LSYNC，F(xiàn)SYNC，DATA，F(xiàn)IELD引腳引出，接到FPGA的I／O口上，便于對探測器進行時序控制；TEC－以及TEC＋引腳引出，便于對探測器進行溫度控制，確保探測器工作于較為安全的溫度環(huán)境；VOUTREF引腳為探測器輸出參考電壓引腳，通過滑動變阻器實現(xiàn)外接1.6V電壓輸入；VOS引腳為略讀控制電壓引腳，電壓輸入范圍為1.6V～5.5V，應與探測器寄存器中OE-EN位配合使用，這里通過滑動變阻器實現(xiàn)3.6V電壓輸入；VDETCOM引腳為探測器基準電壓引腳，電壓輸入范圍為2.7V～5.5V，VREF引腳為CTIA放大器參考電壓引腳，電壓輸入范圍為2.2V～3.2V，這兩個電壓共同作用決定探測器偏置電壓，這里分別通過滑動變阻器實現(xiàn)3.2V以及2.6V電壓輸入；探測器可選1路、2路、4路信號輸出，這里選用1路輸出模式，由OUTA引腳輸出，其它輸出引腳懸空。具體電路圖如圖4所示。

Fig.4 External circuit of the detector

2.2 A／D模塊電路設計

Fig.5 Circuit of the AD module

A／D模塊采用了ADI公司生產(chǎn)的12位高速A／D轉(zhuǎn)換器AD9220，其最高采樣速率可達10MHz， AD9220有直流耦合和交流耦合兩種輸入方式，系統(tǒng)設計采用直流耦合、0V～5V電壓的輸入方式，采用內(nèi)部2.5V參考電壓，由于系統(tǒng)垂直分辨率只需255級，故采用AD9220的高8位［10］。具體電路圖如圖5所示。

3 基于近紅外焦平面陣列探測器的軟件設計

FPA-640×512 InGaAs探測器有默認模式以及控制模式兩種工作模式，在默認模式下，設備為標準的640×512格式成像、1路輸出、全幀隔行掃描、正常掃描順序；在控制模式下，F(xiàn)PGA通過設備內(nèi)部的串行控制寄存器，將一系列命令發(fā)送到設備中，此時允許訪問設備所有高級功能，可選窗大小、輸出模式、掃描順序等。這里選用控制模式，并通過FPGA控制探測器DATA引腳，在每個幀信號上升沿后3個時鐘周期，向探測器中寫入一系列命令，將探測器設置為標準640×512成像格式、1路輸出、非隔行掃描、正常掃描順序等。RESET_B信號用于控制探測器復位，應在power up時使其保持低電平，power up后將其拉高。FIELD信號用于全幀隔行掃描模式下，控制奇數(shù)場以及偶數(shù)場掃描，本系統(tǒng)中采用非隔行掃描模式，故使其保持低電平即可。CLK，LSYNC，F(xiàn)SYNC信號根據(jù)幀時間Tf以及行時間Tl計算公式進行控制：

式中，M為行數(shù)，N為列數(shù)，Ta為模擬設置時間。通過quartus II對上述時序控制工程進行仿真，截取其中部分仿真圖如圖6所示。

Fig.6 Timing and sequency simulation of the detector

4 實驗測試

系統(tǒng)中采用256kbyte×16高速SRAM芯片IS61LV25616，并在數(shù)據(jù)前后分別插入兩個字節(jié)的標識符，便于LabVIEW取得完整的1幀數(shù)據(jù)。在Lab-VIEW程序中，首先通過while循環(huán)從USB讀取2幀大小的數(shù)據(jù)，以確保所讀取數(shù)據(jù)中含有完整的1幀；通過查找的方式找到幀頭和幀尾標識符后，將數(shù)據(jù)排列成數(shù)組，并在前面板進行圖像還原。在這里做了相關的成像實驗，獲得的圖像如圖7、圖8所示。

Fig.7 Restored image 1 with LabVIEW

Fig.8 Restored image 2 with LabVIEW

通過圖像可以看出，F(xiàn)PA-640×512 InGaAs焦平面陣列探測器成像效果良好、分辨率較高，證明了其在此成像光譜偏振探測技術中應用的可行性。

5 結(jié) 論

提出了FPA-640×512 InGaAs焦平面陣列探測器在結(jié)合PEM-ISP的成像光譜偏振探測技術中的應用，并對PEM-ISP進行了簡要介紹。在對近紅外焦平面陣列探測器的結(jié)構(gòu)和特點進行了分析的同時，著重介紹了近紅外焦平面陣列探測器的硬件驅(qū)動電路以及時序設計部分。通過實驗可以證明此近紅外焦平面陣列探測器對測量目標具有良好的探測率和分辨率，并且可以成功應用于PEM-ISP中，完成對測量目標的圖像等信息的測量。

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Application of array detectors in imaging spectrometer polarization detection technique

LI Rui，LI Xiao，WANG Zhibin，HUANG Yanfei，WANG Yaoli，ZHANG Rui
（Engineering Technology Research Center of Shanxi Province for Opto-Electronic Information and Instrument，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In order to apply near-infrared focal plane array detectors in imaging spectrometer polarization instruments to get the high-quality image information，a new type of imaging spectrometer detection techniques on basis of near-infrared focal plane array detectors was proposed combining with a photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter（PEMISP）.A FPA-640×512 InGaAs focal plane array detector was used as an optical detector receiving element and a high speed field-programmable gate array（FPGA）was used as the signal processing unit to get fast acquisition and parallel processing of the optical signal and meet the other requirements of the high-speed，real-time signal transmission and processing.The data collected by the high-speed A／D was storaged in the expanding outside SRAM of the FPGA in order to ensure the data integrity.And then，the data was ultimately transmitted to the host computer via USB for image restoration.The experimental results show that the system can be applied to PEM-ISP，achieve accurate detection and acquisition of the measurement signals and get complete image information.

imaging system；three bombs light modulator；imaging spectrometer polarization detection technique；fieldprogrammable gate array

TN215；O436.3

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.021

1001-3806（2014）06-0822-04

國家自然科學基金資助項目（61127015）；國家國際科技合作專項資助項目（2013DFR10150）

李 芮（1989-），女，碩士研究生，主要從事光電探測技術方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：34782540＠qq.com

2013-12-11；

2013-12-27