全向前,劉　華,盧振武,王曉朵,全永前

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春　130033;

2.中國科學院 研究生院,北京　130039;

3.中國南車集團 株洲時代新材料科技股份有限公司, 湖南 株洲　412007)

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實時數(shù)字微鏡哈達瑪變換光譜儀的電學結構設計

全向前1,2,劉華1,盧振武1,王曉朵1,2,全永前3

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春130033;

2.中國科學院 研究生院,北京130039;

3.中國南車集團 株洲時代新材料科技股份有限公司, 湖南 株洲412007)

摘要：為了提高數(shù)字微鏡(digital micro-mirror device,DMD)哈達瑪變換光譜儀的編碼效率,滿足光譜儀大量、實時采集的要求,設計了一種新的DMD哈達瑪變換光譜儀的電學結構。將哈達瑪編碼數(shù)據(jù)預存到DMD驅動板板載FLASH芯片上,編碼時將編碼數(shù)據(jù)讀取到DDR2板載內存上,連續(xù)播放DMD編碼條紋,通過DMD的內同步信號觸發(fā)光譜采集系統(tǒng)采集光譜數(shù)據(jù)。實驗表明,對511階哈達瑪變換來說,光譜儀的采集時間小于1 s,可以滿足哈達瑪變換光譜儀實時的光譜檢測要求,并且其結構還降低了對上位機的依賴,為光譜儀脫離上位機操作奠定了基礎。

關鍵詞：光譜儀; 編碼效率; 哈達瑪變換; 數(shù)字微鏡

引言

光譜分析測試對現(xiàn)代科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著至關重要的作用。隨著科學技術的發(fā)展,許多研究應用領域如航天遙感、地質勘探、農(nóng)產(chǎn)品檢測等對光譜儀的大量、精確、實時檢測提出了要求[1]。哈達瑪變換光譜儀是繼傅里葉變換光譜儀之后的另一數(shù)字變換光譜儀[2],數(shù)字微鏡(digital micro-mirror device,DMD)哈達瑪變換光譜儀又是哈達瑪變換光譜儀的一種新形式。此新型光譜儀是將DMD與哈達瑪變換相結合形成[3-4],DMD作為哈達瑪變換光譜儀波長選通元件實現(xiàn)哈達瑪變換光譜儀的編碼[5-6]。由于DMD光譜儀更低的成本,更高的分辨率和光捕獲效率等一系列優(yōu)勢,近年來成為許多科研單位的研究重點。Duncan等[7]、Kerekes等[8]將DMD和單點探測器結合,用于太赫茲成像。Deverse等[9]、Sun等[10]、張智海等[11]都曾研制出基于DMD的哈達瑪變換成像儀,Kearney等[12]從傳遞函數(shù)、衍射效率、光對比度等方面分析了DMD光譜儀的諸多優(yōu)點,Rice等[13]對DMD的衍射現(xiàn)象進行了測量,為多光譜與高光譜成像儀設計提供了依據(jù)。

然而相對于傳統(tǒng)哈達瑪變換光譜儀的諸多優(yōu)點之外,其特殊的編碼與解碼方式使得其實時性光譜采集成為一個難點。如何設計一種實時性好,結構簡便的電學結構成為DMD哈達瑪變換光譜儀制造的一個重要方面[[14-15]。現(xiàn)行的DMD哈達瑪變換光譜儀在編碼控制,光譜采集過程或多或少的都要求上位機的參與[16-18],由于上位機和下位機通訊的時間瓶頸,通過計算機控制編碼和光譜采集比較耗時。當哈達瑪變換階數(shù)達到255階時需要3 min才能測得數(shù)據(jù),不能滿足光譜儀的大量、精確、實時的檢測應用。與此同時,此種結構對上位機的依賴比較大,控制過程復雜,上位機與光譜儀的接口多,給室外等惡劣環(huán)境中使用帶來不便。

為此本課題組對DMD哈達瑪變換光譜儀的編碼控制系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)進行了重新設計。采用下位機控制編碼,將編碼條紋預寫到DMD驅動板板載FLASH芯片上,對光譜進行高速連續(xù)編碼。每完成一次編碼，通過內同步信號觸發(fā)探測系統(tǒng)對光譜數(shù)據(jù)進行采集、存儲，最終到達計算機形成光譜圖。

1DMD光譜儀控制采集原理

圖1　DMD哈達瑪變換光譜儀系統(tǒng)示意圖Fig.1　Schematic diagram of Hadamard transform spectrometer

圖1為DMD哈達瑪變換光譜儀系統(tǒng)示意圖[19]。照明光經(jīng)過光柵分光,形成一列光源的光譜,成像鏡將光源的單色像成像到具有分光功能的DMD上。通過編程控制DMD中小微鏡以鉸鏈為軸做±12°翻轉形成編碼條紋對光譜編碼,本課題組選用的DMD為德州儀器TI公司生產(chǎn),由1 024×768個13.68 μm×13.68 μm的小微鏡構成,其間距小于1 μm。最后控制光譜采集系統(tǒng)對哈達瑪編碼后的光譜數(shù)據(jù)進行采集,經(jīng)過上位機的解碼還原光譜數(shù)據(jù)。

DMD哈達瑪變換光譜儀控制采集過程原理如圖2所示。首先,用戶根據(jù)需求選擇哈達瑪變換階數(shù),產(chǎn)生相應的哈達瑪矩陣。然后,將其轉化成DMD驅動板可識別格式在DMD上顯示,待DMD穩(wěn)定后,光譜采集控制板采集編碼后的光譜數(shù)據(jù),判斷控制采集控制過程是否完成。如果沒完成,循環(huán)DMD編碼,探測器光譜采集過程,直至完成。最后,將采集到的數(shù)據(jù)進行哈達瑪逆矩陣解碼,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理呈現(xiàn)給用戶。

2決定哈達瑪變換光譜儀的效率的原因與分析

由DMD哈達瑪變換光譜儀控制原理圖可知影響其采集速度的幾個過程:(1) 哈達瑪矩陣的生成; (2) 編碼條紋的顯示; (3) 控制探測器的采集; (4) 哈達瑪逆矩陣的生成; (5) 哈達瑪解碼及數(shù)據(jù)的處理。由于哈達瑪矩陣只跟階數(shù)有關,(1)、(4)過程可以事先做好,(5)過程是與用戶交互的重要過程,我們采用計算機完成。(2)、(3)是完成編碼、解碼的兩個重要過程,由DMD驅動板和數(shù)據(jù)采集控制板完成,

圖2　DMD哈達瑪變換光譜儀控制采集原理圖

需要經(jīng)過多次循環(huán)。圖3為現(xiàn)行的DMD哈達瑪變換光譜儀電學結構示意圖。編碼模板存儲在上位機,由上位機分別控制DMD驅動板和數(shù)據(jù)采集控制板。由于受到上位機同下位機的通訊時間瓶頸的限制,導致光譜儀采集效率下降。本文在控制編碼與解碼過程中將可以在下位機完成的工作交給下位機,只需要上位機給下位機一個觸發(fā),讓下位機根據(jù)自身的同步信號控制編碼、解碼過程,減少上位機的參與程度,從而提高采集速度。

圖3　現(xiàn)行的DMD哈達瑪變換光譜儀電學結構示意圖

3實時DMD哈達瑪變換光譜儀電學結構分析與設計

為了實現(xiàn)DMD哈達瑪變換光譜儀的快速編碼,本課題組在DMD驅動板上加入板載FLASH芯片用于存儲DMD驅動板可識別的哈達瑪變換編碼數(shù)據(jù)。FLASH芯片為一種可快速存儲、擦除數(shù)據(jù)的ROM;與此同時,在DMD驅動板上加入DDR2內存,DDR2內存擁有更高并且穩(wěn)定的運行頻率。工作時將FLASH存儲的編碼數(shù)據(jù)先讀到DDR2內存中,可以實現(xiàn)編碼條紋數(shù)據(jù)的快速讀取，由FPGA微鏡顯示編碼條紋;利用DMD驅動板的內同步信號觸發(fā)光譜采集系統(tǒng)采集光譜數(shù)據(jù),提高控制采集幀頻;在光譜采集系統(tǒng)中,本課題組用Cortex-M3芯片作為信號采集系統(tǒng)的核心,實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)通信以及光譜的采集與存儲。Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術,完全基于硬件進行中斷處理,最多可減少12個時鐘周期數(shù),在實際應用中可減少70%中斷。

3.1實時DMD哈達瑪變換光譜儀結構

實時DMD哈達瑪變換光譜儀系統(tǒng)的硬件原理如圖4所示。編碼控制模塊為由FPGA、高速板載DDR2內存、大容量FLASH存儲器和DAD芯片組成的DMD驅動板,具有精確的內外同步等功能。數(shù)據(jù)采集模塊由Cortex-M3芯片、ADC芯片、放大電路和探測器組成。Cortex-M3芯片作為控制核心,可以由USB數(shù)據(jù)線同上位機進行通信,通過RS-232觸發(fā)DMD連續(xù)產(chǎn)生編碼條紋。光譜儀工作前將哈達瑪編碼條紋預寫到板載FLASH芯片中。個人計算機向Cortex-M3芯片發(fā)送命令,Cortex-M3芯片通過RS-232觸發(fā)DMD驅動板讀FLASH中編碼條紋數(shù)據(jù)到DDR2,高速依次產(chǎn)生哈達瑪編碼條紋。同時每當產(chǎn)生一幀編碼條紋,DMD控制板會發(fā)送一個同步信號觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集。采集到的光譜數(shù)據(jù)存放在Cortex-M3芯片的寄存器上,當所有編碼條紋顯示完成后計算機讀寄存器上的數(shù)據(jù)到緩存進行解碼。

圖4　實時DMD哈達瑪變換光譜儀系統(tǒng)

3.2實時DMD哈達瑪變換光譜儀工作流程

圖5　實時DMD哈達瑪變換光譜儀工作流程圖Fig.5　The flowchart of instantaneous Hadamard transform spectrometer with DMD

圖5為實時DMD哈達瑪變換光譜儀系統(tǒng)工作流程圖,計算機通過USB總線與Cortex-M3芯片通訊觸發(fā)DMD驅動板播放編碼條紋,DMD驅動板每產(chǎn)生一幀編碼條紋通過內同步信號觸發(fā)采集系統(tǒng)采集光譜數(shù)據(jù)。存儲到Cortex-M3芯片的寄存器上,當編碼沒有完成時通過內同步信號連續(xù)觸發(fā)采集,當編碼完成時通過計算機讀取編碼光譜數(shù)據(jù)解碼得到光譜,最終顯示光譜。圖6為本課題組研發(fā)的實時DMD哈達瑪變換光譜儀原理樣機,從左至右依次為編碼控制模塊、光學系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊。編碼控制模塊通過DMD參與光學系統(tǒng)進行編碼,數(shù)據(jù)采集模塊通過探測器參與光學系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集,整個光譜儀系統(tǒng)通過USB總線與計算機進行通訊。

4實驗結果

本課題組曾根據(jù)圖3所示的電學結構研發(fā)出一款基于上位機進行編碼控制、數(shù)據(jù)采集的光譜儀,對這兩種結構的光譜儀的編碼效率進行比較,在相同條件下連續(xù)多次采集,得出光譜儀采集光譜所需平均時間。如表1所示，可以看出原始DMD哈達瑪變換光譜儀的光譜采集時間隨哈達瑪變換階數(shù)的增加呈現(xiàn)線性增加,對于7階哈達瑪變換而言尚可滿足實時要求,但要犧牲光譜儀的數(shù)字分辨率,對于511階哈達瑪變換光譜儀而言,采集時間達到4 min,不能滿足大量、實時測量的要求,改進的實時DMD哈達瑪變換光譜儀系統(tǒng)較原始光譜儀系統(tǒng)的編碼效率有很大的提高,對于小于511階的哈達瑪變換而言,其編碼解碼時間小于1 s,可以實現(xiàn)光譜儀大量、精確、實時的采集要求。

圖6　實時DMD哈達瑪變換光譜儀原理樣機

哈達瑪變換階數(shù)71531631272555111023傳統(tǒng)方式耗時/s3.57.114.127.956.5111.8223.9448.1提高后耗時/s0.1560.1690.1960.2500.3500.5801.0001.860

圖7為基于本電學系統(tǒng)的DMD哈達瑪變換光譜儀與Avantes近紅外光譜儀的光譜對照圖。實驗采用鎢燈作為光源,無樣品池,光譜儀型號為AvaSpec-NIR256-1.7,可以看出其光譜儀由于光譜儀自身的光譜響應函數(shù)不同存在偏差,但光譜變化趨勢具有一致性,換算成吸光度后可以消除偏差,滿足檢測要求。

圖7　DMD哈達瑪變換光譜儀光譜圖

5結論

本文在研究DMD哈達瑪變換光譜儀系統(tǒng)工作原理的基礎上,設計了一種實時DMD哈達瑪變換光譜儀電學結構。在實時DMD哈達瑪變換光譜儀中,探測器和DMD驅動板上都加入可編程和存儲數(shù)據(jù)的元件,將所要進行的編碼、采集控制都集成在Cortex-M3芯片和DMD驅動板上,并通過了實驗驗證。結果表明:可以滿足DMD哈達瑪變換光譜儀大量、精確、實時的光譜檢測要求,同時簡化了控制采集過程,為光譜儀脫離上位機使用奠定了基礎。

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(編輯:程愛婕)

The electrical structure design of instantaneous Hadamard transform spectrometer with digital micro-mirror device

QUANXiangqian1,2,LIUHua1,LUZhenwu1,WANGXiaoduo1,2,QUANYongqian3

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 130039, China;3.Zhuzhou Times Material Technology Co.,Ltd., China South Railway, Zhuzhou 412007, China)

Abstract：In order to improve the efficiency of traditional Hadamard transform(HT) spectrometer with digital micro-mirror device(DMD), a new electrical structure design of DMD-HT spectrometer is designed. The HT encoding data is saved to FLASH chip on board so that encoding data can be read to on-board memory during operation. Then encoding stripe runs in the cycling mode, and the detection system is triggered to collect data according to the sync signal. The experiments show that the acquisition time is less than 1 second for 511-order HT spectrometer. The structure can meet the requirements of mass and real-time acquisition. In addition, the structure reduces the dependence on PC, which laid a foundation for HT spectrometer with DMD independence of PC.

Keywords：spectrometer; coding efficiency; Hadamard transform; DMD

中圖分類號：O 43

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.018

作者簡介：全向前(1989—)，男，博士研究生，主要從事光譜儀的制造方面的研究。E-mail：631537680@qq.com通信作者： 劉華(1976—)，女，研究員，主要從事光學檢測、光學設計和衍射光學方面的研究E-mail:girlliuhua@sohu.com

基金項目：國家自然科學基金重點項目(No.61137001); 國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2013YQ140517)

收稿日期：2015-06-25