基于CCD與DSP的太赫茲實時成像系統

馮艷平 甄亞 宋璐

【摘要】針對目前對THZ成像快速低噪的要求設計了一套以DSP為核心的THz實時成像系統，它采用電光晶體EO和CCD實現實時成像采集， 使用CPLD進行圖像數據的緩沖和采集控制邏輯，選擇TI公司的TMS320DM642作為核心器件對圖像信息進行處理。THz波具有獨特的低能性和穿透性，所以THz成像技術在無損檢測、安全檢查、醫學成像及食品生產質量監控等領域將有很大的應用前景。

【關鍵詞】THz成像;CCD;DSP;CPLD

引言

太赫茲（THz）輻射是從0.1到10電磁輻射（1THz所對應的波長為0.3毫米）。太赫茲成像技術是太赫茲科學與技術中最具應用前景的發展方向之一。成像技術的進一步發展需求高功率，便攜式，可調諧的輻射源。寬頻譜，高靈敏度，低噪聲的探測器和快速，高效的數據處理方法 [1]。目前，成像還是一項新興的技術，在國內更是剛剛起步，因此對成像系統的關鍵技術進行全面研究，對深入探索和有效利用這一前沿技術具有指導意義。

本課題采用面陣CCD采集THz作為輻射源的成像信息，選擇TI公司的TMS320VC642作為核心器件，采用近年來發展起來的數字圖像處理技術，設計了從圖像采集到圖像輸出的THz實時成像系統。該系統試圖將光、電技術更好的結合起來，具有高效快速的特點。

1.系統設計

系統的原理框圖如圖1所示。THz光源照到樣品上，經光電晶體轉換后，映射到CCD圖像傳感器的光敏陣列上，通過CCD內部將光信號轉化為電信號，當時序發生器對其施加特定的時序脈沖時，每個像素的電荷信號將被依次移出CCD并經濾波放大等預處理后變成電壓幅度不等的模擬信號，A/D單元將CCD輸出的PAL制式的信號轉化為數字信號，由CPLD+DSP實時采集，并依據需要對采集的圖像進行實時處理。

圖1 系統框架原理圖

由于CCD不能捕捉到THz信號，為此必須加一塊電光晶體，使信號進行頻率下轉換[2]。整個系統的工作過程是這樣的：探測光脈沖經過光柵對色散后在頻域展寬，利用電光晶體將THz波形編碼到展寬的光脈沖上，就可在CCD上一次性探測到THz的波形。

2.系統硬件組成及實現

2.1 圖像采集模塊

本模塊采用CCD攝像頭作為圖像采集設備。CCD（Charged Coupled Device，電荷耦合器件）是一種光電轉換器件，由一系列排列的很緊密的MOS電容器組成。突出特點是以電荷為信號，實現電荷的存儲及轉移[3]。由于CCD輸出的是模擬信號，不能被DSP直接處理，所以需將復合模擬信號通過SAA7113H解碼之后將數字視頻信號送給DM642進行圖像處理。SAA7111是支持雙通道視頻輸入含有反混疊濾波器，AD轉換器，自動增益控制，和時鐘產生，能夠對各種視頻標準進行解碼如（PAL BGHI，PAL M，PAL N，combination PAL N，NTSC M，NTSC-Japan，NTSC N and SECAM），同時，還具備亮度，對比度，飽和度控制。支持4路模擬視頻輸入，其內部有模擬源選擇器，可以自動探測50Hz，60Hz場頻信號。

2.2 圖像處理模塊

基于DSP的圖像處理模塊是本系統的核心單

元[4]，該單元主要包括核心處理芯片TMS320DM642，存儲器，CPLD以及它們之間的接口。TMS320DM642是在TMS320C6000 DSP平臺上的高性能定點DSP，DM642在主頻720MHz下處理速度達到5760MIPS，具有64個32位字長的通用寄存器和8個獨立的功能單元——兩個結果為32位的乘法器和6個ALUs，DM642每周期能夠提供4個16位MACs，每秒可提供2880百萬個MACs，或者8個8位MACs，每秒5760MMACs。DM642使用兩級緩存，有一個強大的多變的外圍設置。DM642具有3個可配置視頻端口（VP0，VP1，VP2）。這些視頻端口給公共視頻編解碼設備提供了直接接口。TMS320DM642的I2C0口使得DSP很容易得控制外圍器件和與主機的通信。DM642具有一整套開發工具，包括：新的C編譯器，可以簡化編程和時間的代碼優化器和具有執行代碼可見性的Windows 調試器接口。

系統的核心控制部分由CPLD芯片實現。CPLD和DM642板之間有握手信號（同步通訊時采用的一種同步傳輸方式）即發送機每次發送半個字節（低4位）的數據，而另外半個字節（高4位）則用來傳送信息。當RAM存完一幀后，由CPLD發出信號，通知DSP從RAM中取數據;讀數據點同步信號（采樣點中斷信號）由CPLD產生，可依據需要而定;在視頻采樣的間隙，DSP利用其高性能資源，進行數據處理，并將數據輸出;為了避免由于從DM642的數據接口讀數據周期過長造成流水線阻塞不能和視頻數據流電信號同步，需要對視頻解碼器的數字視頻圖像輸出數據進行緩沖，將存下來的數據按照DM642板的數據接口對讀數據頻率進行采樣，采集數據的過程可以按照中斷方式實現[5]。

3.軟件設計

本部分主要介紹一下以DSP數字信號處理器為核心的數據處理程序，由DSP決定是否啟動CCD工作，啟動CCD工作以后，CCD對圖像信息進行采集然后對采集的圖像信息進行預處理送到DSP中對其進行處理分析，最后把處理結果傳給上位機。

如圖2所示是DSP數字信號處理器為核心的數據處理程序流程圖，C語言構成程序的主框架。由于測得的光信號的數字化信號往往帶有電路噪聲等隨機誤差，為了使這些數據能更好地反映實際情況，必須對它們進行一定的預處理，這樣才能作為數據處理軟件進一步計算的數據。復位脈沖ΦR每到來一次CCD傳感器將輸出一個光積分信號，DSP處理器片內的模數轉換器ADC對該信號進行模數轉換處理。光敏單元信號的輸出及模數轉換器處理在時間上須同步。DSP處理器定時器的比較匹配信號可作為的數模轉換模塊的啟動信號源，只要通過軟件設置ADC的控制寄存器相應的控制位，置定時器的比較匹配信號啟動模數轉換，即可達到光積分信號及模數轉換器同步的目的。

圖2 程序流程圖

4.結論

本文提出的太赫茲成像實時采集處理系統，以DSP（TMS320DM642）為核心處理器，面陣CCD實現圖像的采集，系統AD轉換部分由SAA7111實現，控制部分由CPLD實現，DSP響應中斷實現數據的轉移、存儲和處理。采用CPLD+DSP實現視頻信號數據采集和處理，能提高系統性能，同時具有適應性與靈活性強，設計、調試方便等優點，對于太赫茲成像的實際應用如安全檢查，醫學成像等具有一定的意義。

參考文獻

[1]趙國忠.太赫茲光譜和成像應用及展望.現代科學儀器[J].2006（2）：36-40.

[2]Sun F G，Jiang Z and Zhang X-C 1999 Analysis of terahertz pulse measurement with a chirped beam Appl.Phys.Lett.73 2233-5.

[3]蔡文貴.CCD技術及應用[M].北京：電子工業出版社，1992.

[4]李旻，趙群飛等.面向高分辨率面陣CCD的新型信號采集系統設計[J].電子技術應用，2005（2）.

[5]PETERS W H，RANSON W F.Digital Imaging Technique in Experimental Stress Analysis[J].Opt Eng，1982，21（3）：427-431.

作者簡介：馮艷平（1983—），女，碩士，助理講師，研究方向：THz成像技術及圖像處理。