基于FPGA的靜態實時光譜采集與處理系統*

張 麗

(山西大同大學 物電學院,山西 大同 037009)

靜態邁克爾遜干涉儀是在傳統邁克爾遜干涉儀的基礎上改進的一種空間調制型光譜獲取裝置，將傳統動鏡采用一個傾斜很小角度的靜鏡代替，從而產生聯系變化的光程差，最終獲得待測光源的光譜信息。由于其沒有機械移動或掃描結構，所以結構簡單緊湊，同時具有良好的穩定性、抗震動和抗干擾能力，這為其應用在更廣泛的生產生活領域提供了有利條件[1-2]。與此相似的靜態型光譜儀還有靜態傅里葉變換光譜儀[3]、沃拉斯頓分光光譜儀[4]、靜態Sagnac三角光譜儀[5]、光柵光譜儀[6]等。無論哪種靜態光譜儀都需要一個能夠實時采集干涉條紋并且實時處理分析，得到光譜數據的處理系統，否則將喪失靜態光譜儀的一大優勢——實時性。如果想實現實時處理的功能，要求在采集數據及處理分析算法都相應提高，這也是本文的主要研究內容。

FPGA(Field Programmable Gate Array)為現場可編程門陣列器件[7]，是在 GAL、PAL、CPLD等可編程芯片的基礎上更集成化的產物。由于其本身就是硬件，所以具有數據處理快、靈活性高、集成度好等優點[8]。它克服了定制電路的缺點，又解決了原有可編程器件的門電路數有限的問題，從而被廣泛地應用在數字信號處理領域。

目前，對于靜態干涉條紋的采集及處理，主要有三種處理手段：(1)干涉條紋灰度數據由數據采集卡采集并傳遞給 PC機[9]，采用 MATLAB、LabVIEW 等分析軟件實現對干涉條紋的光譜分析；(2)采用定制的專用FFT芯片[10]，再從CCD等光電器件輸出后直接進入FFT芯片完成數據處理；(3)采用可編程數字器件，如 DSP、FPGA等，通過編程實現采集干涉條紋及FFT等算法的數據處理[11]。三種方法各有特點，方法(1)使用簡單、在PC機上實現的功能全，但不能脫機工作、系統復雜，便攜性差；方法(2)結構緊湊、效率高、實時性好，但靈活性差、可移植性差，并且對于大點數的FFT不適合采用此法；方法(3)從靈活度、結構性能、可移植性等方面看都相當適中，是目前應用開發較多的一種形式。針對本系統研究內容要求較高的實時性，選用硬件編程器件FPGA作為數字信號處理芯片，可以實現更高速、更靈活的系統性能。

1 靜態邁克爾遜干涉儀的原理及結構

靜態邁克爾遜干涉儀的結構原理如圖1所示。靜態邁克爾遜干涉系統是在傳統邁克爾遜干涉系統的基礎上，將原有動鏡變為傾斜一定角度的固定反射鏡，如圖中反射鏡1所示。當光線1入射系統后，由分束鏡分為兩束光，一部分由反射鏡1反射回柱面鏡，這束光由于反射鏡1存在一定的夾角而非原路返回，其會與光線2經反射鏡2反射的光線發生相干，形成干涉條紋。其他光線也以此類推，與其他光線發生干涉，最終在整個柱面鏡上形成靜態干涉條紋,再由柱面鏡匯聚到CCD上，采集得到干涉條紋的灰度數據。CCD采集的數據傳入FPGA中，在硬件FPGA芯片中完成干涉條紋的濾波、去噪，再通過FFT算法將干涉條紋中的頻譜信息提取出來，最終顯示出其結果。

在實際情況中，干涉條紋通過引入修正因子，可將光源強度表示為:

對于理想的單色光其產生的干涉條紋如式(1)的光強分布。而對復色光而言，按疊加原理干涉條紋光強可表示為：其中，v為波數，H(v)為一個常量因子，B(v)為激光光源的功率譜。所以，干涉光強分布I(x)和光譜分布B(v)是傅里葉變換關系，即:

2 FPGA處理系統

2.1 總體設計

對于傅里葉變換的光譜獲取需要進行實時處理，即當得到光源干涉條紋的信號后，處理系統需要在處理當前數據時同時接收下一幀的干涉條紋數據，這就需要系統具備高速的數據處理能力。可編程邏輯器件FPGA具有高速并行處理能力，可完成系統實時采集及處理的要求。干涉條紋的灰度數據由CCD探測器采集傳入FPGA芯片中，在芯片中完成濾波去噪、快速傅里葉變換、相位校正及標定等算法。系統采用AViiVA M1型線陣CCD探測器,包括 1 024個像元，8/10 bit數字輸出,可探測波長范圍為400～1 100 nm。設計了實時光譜采集及片上處理的系統，其原理圖如圖2所示。

模塊一為干涉條紋的采集部分，由驅動控制對AViiVA M1型線陣CCD探測器進行時鐘脈沖的提供和控制。當系統開始運行時，其提供起始控制信號（st）、時鐘信號（clk）、觸發信號（trgi及 trgd）等。模擬輸出信號可通過示波器觀察采集得到的靜態干涉條紋，數字化后傳給FPGA。模塊二為光譜分析處理模塊，為了使處理速度達到較高水平，設計了串并轉換方式，將數據導入雙端口RAM緩存中，當FPGA芯片控制數據并行讀取時，數據輸入FFT模塊并處理，實現數據的快速傅里葉變換。變換后的頻譜信息經過預先編寫的相位校正和光譜標定程序而獲得準確的光譜分布。

2.2 切趾處理

由于傅里葉變換過程是針對無限大數據的，但實際輸入的數據量是有限的，所以干涉圖樣的采樣就相當于與一個矩形函數相乘，也就是頻域中光譜和矩形函數的SINC卷積。但由于這樣做會導致光譜的失真變形，所以通常采用加窗的處理方式，窗函數選取的好可以使光譜盡量少地泄露。

在MATLAB仿真軟件中，通過對一組660 nm激光干涉條紋數據進行加窗處理，分別采用漢明窗、三角窗、加布萊克曼窗與不加窗的情況進行對比，得到如圖3所示的頻譜相應。

表1 實驗結果與Q2-ION型光譜儀結果對比

切趾函數的選擇需要注意主瓣寬度盡量窄，旁瓣幅值盡量低。由圖可以看出，加三角窗中心處產生隔斷，而加布萊克曼窗時峰峰值受到抑制，相比之下，加漢明窗比較理想，所以本系統中采用漢明窗。窗體程序是先由MATLAB計算漢明窗的值并用二進制補碼表示，然后在FPGA的某一個ROM存儲器中存放初始化的窗函數值，最后通過乘法器完成切趾功能。

2.3 FFT算法模塊

FPGA設計過程中通常采用VHDL或Verilog HDL編寫硬件語言實現時序及邏輯電路。但當輸入的數字信號相對復雜時,采用該種方法對編程帶來的難度也會加大，硬件工作效率會有所降低。所以在面對復雜問題時，通常采用IP核或者System Generator等算法軟件。本文采用IP核完成快速傅里葉變換，采用全精度不縮減及縮減定點算法完成1 024點干涉條紋數據的傅里葉變換。本系統采用基2算法結構，16bit數據輸入與輸出，通過設置SCH值確定每級運算后的右移位數。基2算法在整個運算過程中只需采用一個蝶形單元，當第一級數據輸入運算模塊后，下一級的數據將被放入雙端口RAM中,采用乒乓緩存操作處理可以提高工作效率，同時，節約了FPGA的片上資源，實際只需3個硬件乘法器加3塊雙端口RAM即可實現高速運算，以50 MHz為例，進行1 024點的快速傅里葉變換只需要100μs左右。

3 實驗

按以上要求搭建實驗平臺分別采用靜態邁克爾遜干涉儀、Atmel公司的 AViiVA型12 bit深的線陣CCD探測器、Xilinx公司Virtex VP40型芯片,檢測光譜范圍為300～1 200 nm，采用 1 024個單元作為采集單元，分辨率為10 bit,光源選擇FLDT3V10A-LD型660 nm紅光激光器。

通過采集干涉條紋，經濾波、去噪、快速傅里葉變換算法、相位校正、光譜標定等程序功能后，實驗的5組數據如表1所示。對比光譜分析儀選用布魯克公司的Q2-ION型光譜儀。

分析表1可知，采用本系統得到的光譜分布相比Q2-ION型光譜儀的精度略低一些，但其多次檢測產生的最大誤差也在3%以下，說明可以基本準確地得到干涉條紋的頻譜信息。并且相比Q2-ION型光譜儀而言，由于是采用FPGA硬件編程實現，所以在處理速度上要優于該產品，整個系統周期小于1 s，適應高速實時的處理系統。

為了提高光譜分析儀器的速度,設計了一種基于FPGA硬件編程完成干涉條紋到光譜分布的處理系統。系統采用濾波、去噪、切趾等處理干涉條紋信息，然后通過快速傅里葉變換完成時頻變換，再由相位校正及標定最終輸出準確的光譜信息。實驗采用靜態邁克爾遜干涉儀、660 nm半導體激光器、線陣CCD探測器等完成，與Q2-ION型光譜儀的實驗數據進行對比。實驗結果顯示，誤差均在要求范圍內，同時，本系統還具備處理速度高、實時性好、靈活性強的優點。

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