全向前,劉　華,盧振武,王曉朵,全永前

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長(zhǎng)春　130033;

2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京　130039;

3.中國(guó)南車集團(tuán) 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司, 湖南 株洲　412007)

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實(shí)時(shí)數(shù)字微鏡哈達(dá)瑪變換光譜儀的電學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全向前1,2,劉華1,盧振武1,王曉朵1,2,全永前3

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長(zhǎng)春130033;

2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京130039;

3.中國(guó)南車集團(tuán) 株洲時(shí)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(dá)瑪變換光譜儀的編碼效率,滿足光譜儀大量、實(shí)時(shí)采集的要求,設(shè)計(jì)了一種新的DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀的電學(xué)結(jié)構(gòu)。將哈達(dá)瑪編碼數(shù)據(jù)預(yù)存到DMD驅(qū)動(dòng)板板載FLASH芯片上,編碼時(shí)將編碼數(shù)據(jù)讀取到DDR2板載內(nèi)存上,連續(xù)播放DMD編碼條紋,通過DMD的內(nèi)同步信號(hào)觸發(fā)光譜采集系統(tǒng)采集光譜數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)511階哈達(dá)瑪變換來說,光譜儀的采集時(shí)間小于1 s,可以滿足哈達(dá)瑪變換光譜儀實(shí)時(shí)的光譜檢測(cè)要求,并且其結(jié)構(gòu)還降低了對(duì)上位機(jī)的依賴,為光譜儀脫離上位機(jī)操作奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光譜儀; 編碼效率; 哈達(dá)瑪變換; 數(shù)字微鏡

引言

光譜分析測(cè)試對(duì)現(xiàn)代科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多研究應(yīng)用領(lǐng)域如航天遙感、地質(zhì)勘探、農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)等對(duì)光譜儀的大量、精確、實(shí)時(shí)檢測(cè)提出了要求[1]。哈達(dá)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(dá)瑪變換光譜儀又是哈達(dá)瑪變換光譜儀的一種新形式。此新型光譜儀是將DMD與哈達(dá)瑪變換相結(jié)合形成[3-4],DMD作為哈達(dá)瑪變換光譜儀波長(zhǎng)選通元件實(shí)現(xiàn)哈達(dá)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(shì),近年來成為許多科研單位的研究重點(diǎn)。Duncan等[7]、Kerekes等[8]將DMD和單點(diǎn)探測(cè)器結(jié)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(dá)瑪變換成像儀,Kearney等[12]從傳遞函數(shù)、衍射效率、光對(duì)比度等方面分析了DMD光譜儀的諸多優(yōu)點(diǎn),Rice等[13]對(duì)DMD的衍射現(xiàn)象進(jìn)行了測(cè)量,為多光譜與高光譜成像儀設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

然而相對(duì)于傳統(tǒng)哈達(dá)瑪變換光譜儀的諸多優(yōu)點(diǎn)之外,其特殊的編碼與解碼方式使得其實(shí)時(shí)性光譜采集成為一個(gè)難點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)性好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便的電學(xué)結(jié)構(gòu)成為DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀制造的一個(gè)重要方面[[14-15]?，F(xiàn)行的DMD哈達(dá)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(jī)的參與[16-18],由于上位機(jī)和下位機(jī)通訊的時(shí)間瓶頸,通過計(jì)算機(jī)控制編碼和光譜采集比較耗時(shí)。當(dāng)哈達(dá)瑪變換階數(shù)達(dá)到255階時(shí)需要3 min才能測(cè)得數(shù)據(jù),不能滿足光譜儀的大量、精確、實(shí)時(shí)的檢測(cè)應(yīng)用。與此同時(shí),此種結(jié)構(gòu)對(duì)上位機(jī)的依賴比較大,控制過程復(fù)雜,上位機(jī)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(duì)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀的編碼控制系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。采用下位機(jī)控制編碼,將編碼條紋預(yù)寫到DMD驅(qū)動(dòng)板板載FLASH芯片上,對(duì)光譜進(jìn)行高速連續(xù)編碼。每完成一次編碼，通過內(nèi)同步信號(hào)觸發(fā)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，最終到達(dá)計(jì)算機(jī)形成光譜圖。

1DMD光譜儀控制采集原理

圖1　DMD哈達(dá)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(dá)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(zhuǎn)形成編碼條紋對(duì)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(gè)13.68 μm×13.68 μm的小微鏡構(gòu)成,其間距小于1 μm。最后控制光譜采集系統(tǒng)對(duì)哈達(dá)瑪編碼后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,經(jīng)過上位機(jī)的解碼還原光譜數(shù)據(jù)。

DMD哈達(dá)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(dá)瑪變換階數(shù),產(chǎn)生相應(yīng)的哈達(dá)瑪矩陣。然后,將其轉(zhuǎn)化成DMD驅(qū)動(dòng)板可識(shí)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(cè)器光譜采集過程,直至完成。最后,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行哈達(dá)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(dá)瑪變換光譜儀的效率的原因與分析

由DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀控制原理圖可知影響其采集速度的幾個(gè)過程:(1) 哈達(dá)瑪矩陣的生成; (2) 編碼條紋的顯示; (3) 控制探測(cè)器的采集; (4) 哈達(dá)瑪逆矩陣的生成; (5) 哈達(dá)瑪解碼及數(shù)據(jù)的處理。由于哈達(dá)瑪矩陣只跟階數(shù)有關(guān),(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(jì)算機(jī)完成。(2)、(3)是完成編碼、解碼的兩個(gè)重要過程,由DMD驅(qū)動(dòng)板和數(shù)據(jù)采集控制板完成,

圖2　DMD哈達(dá)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(dá)瑪變換光譜儀電學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。編碼模板存儲(chǔ)在上位機(jī),由上位機(jī)分別控制DMD驅(qū)動(dòng)板和數(shù)據(jù)采集控制板。由于受到上位機(jī)同下位機(jī)的通訊時(shí)間瓶頸的限制,導(dǎo)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(jī)完成的工作交給下位機(jī),只需要上位機(jī)給下位機(jī)一個(gè)觸發(fā),讓下位機(jī)根據(jù)自身的同步信號(hào)控制編碼、解碼過程,減少上位機(jī)的參與程度,從而提高采集速度。

圖3　現(xiàn)行的DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀電學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

3實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀電學(xué)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀的快速編碼,本課題組在DMD驅(qū)動(dòng)板上加入板載FLASH芯片用于存儲(chǔ)DMD驅(qū)動(dòng)板可識(shí)別的哈達(dá)瑪變換編碼數(shù)據(jù)。FLASH芯片為一種可快速存儲(chǔ)、擦除數(shù)據(jù)的ROM;與此同時(shí),在DMD驅(qū)動(dòng)板上加入DDR2內(nèi)存,DDR2內(nèi)存擁有更高并且穩(wěn)定的運(yùn)行頻率。工作時(shí)將FLASH存儲(chǔ)的編碼數(shù)據(jù)先讀到DDR2內(nèi)存中,可以實(shí)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(qū)動(dòng)板的內(nèi)同步信號(hào)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(hào)采集系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信以及光譜的采集與存儲(chǔ)。Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù),完全基于硬件進(jìn)行中斷處理,最多可減少12個(gè)時(shí)鐘周期數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中可減少70%中斷。

3.1實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)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(nèi)存、大容量FLASH存儲(chǔ)器和DAD芯片組成的DMD驅(qū)動(dòng)板,具有精確的內(nèi)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(cè)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(jī)進(jìn)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(dá)瑪編碼條紋預(yù)寫到板載FLASH芯片中。個(gè)人計(jì)算機(jī)向Cortex-M3芯片發(fā)送命令,Cortex-M3芯片通過RS-232觸發(fā)DMD驅(qū)動(dòng)板讀FLASH中編碼條紋數(shù)據(jù)到DDR2,高速依次產(chǎn)生哈達(dá)瑪編碼條紋。同時(shí)每當(dāng)產(chǎn)生一幀編碼條紋,DMD控制板會(huì)發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)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(dāng)所有編碼條紋顯示完成后計(jì)算機(jī)讀寄存器上的數(shù)據(jù)到緩存進(jìn)行解碼。

圖4　實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀系統(tǒng)

3.2實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀工作流程

圖5　實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)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(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀系統(tǒng)工作流程圖,計(jì)算機(jī)通過USB總線與Cortex-M3芯片通訊觸發(fā)DMD驅(qū)動(dòng)板播放編碼條紋,DMD驅(qū)動(dòng)板每產(chǎn)生一幀編碼條紋通過內(nèi)同步信號(hào)觸發(fā)采集系統(tǒng)采集光譜數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)到Cortex-M3芯片的寄存器上,當(dāng)編碼沒有完成時(shí)通過內(nèi)同步信號(hào)連續(xù)觸發(fā)采集,當(dāng)編碼完成時(shí)通過計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀原理樣機(jī),從左至右依次為編碼控制模塊、光學(xué)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(xué)系統(tǒng)進(jìn)行編碼,數(shù)據(jù)采集模塊通過探測(cè)器參與光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,整個(gè)光譜儀系統(tǒng)通過USB總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本課題組曾根據(jù)圖3所示的電學(xué)結(jié)構(gòu)研發(fā)出一款基于上位機(jī)進(jìn)行編碼控制、數(shù)據(jù)采集的光譜儀,對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的光譜儀的編碼效率進(jìn)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(shí)間。如表1所示，可以看出原始DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀的光譜采集時(shí)間隨哈達(dá)瑪變換階數(shù)的增加呈現(xiàn)線性增加,對(duì)于7階哈達(dá)瑪變換而言尚可滿足實(shí)時(shí)要求,但要犧牲光譜儀的數(shù)字分辨率,對(duì)于511階哈達(dá)瑪變換光譜儀而言,采集時(shí)間達(dá)到4 min,不能滿足大量、實(shí)時(shí)測(cè)量的要求,改進(jìn)的實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)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(duì)于小于511階的哈達(dá)瑪變換而言,其編碼解碼時(shí)間小于1 s,可以實(shí)現(xiàn)光譜儀大量、精確、實(shí)時(shí)的采集要求。

圖6　實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀原理樣機(jī)

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

圖7為基于本電學(xué)系統(tǒng)的DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀與Avantes近紅外光譜儀的光譜對(duì)照?qǐng)D。實(shí)驗(yàn)采用鎢燈作為光源,無樣品池,光譜儀型號(hào)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(yīng)函數(shù)不同存在偏差,但光譜變化趨勢(shì)具有一致性,換算成吸光度后可以消除偏差,滿足檢測(cè)要求。

圖7　DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀光譜圖

5結(jié)論

本文在研究DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀電學(xué)結(jié)構(gòu)。在實(shí)時(shí)DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀中,探測(cè)器和DMD驅(qū)動(dòng)板上都加入可編程和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的元件,將所要進(jìn)行的編碼、采集控制都集成在Cortex-M3芯片和DMD驅(qū)動(dòng)板上,并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:可以滿足DMD哈達(dá)瑪變換光譜儀大量、精確、實(shí)時(shí)的光譜檢測(cè)要求,同時(shí)簡(jiǎn)化了控制采集過程,為光譜儀脫離上位機(jī)使用奠定了基礎(chǔ)。

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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(hào)：O 43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.018

作者簡(jiǎn)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(xué)檢測(cè)、光學(xué)設(shè)計(jì)和衍射光學(xué)方面的研究E-mail:girlliuhua@sohu.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.61137001); 國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ140517)

收稿日期：2015-06-25