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）

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，得到高質量圖像信息，結合新型彈光調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。將經高速A／D采集得到的數據存儲到FPGA外擴的靜態隨機存儲器中，以保證數據的完整性。數據最終通過通用串行總線傳至上位機，上位機通過LabVIEW實現圖像還原。結果表明，該系統可以應用于PEM-ISP中，實現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；三彈光調制器；成像光譜偏振探測技術；現場可編程門陣列

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學、測量、工農業、環境監測、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制偏振測量技術，是將3個彈光調制器（photoelastic modulator，PEM）分別工作在不同的頻率上，以實現對被測光的差頻調制，與傳統的彈光調制偏振測量技術相比，該方法在保留其原有優點的同時，大大減小了調制后的光電流頻率，使其可與普通面陣探測器實現很好的匹配［3］。本系統在實現目標探測功能中使用的高分辨率近紅外焦平面陣探測器，可使整個系統具有較高的探測率和精確度［4］。由于現場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）采用并行方式處理數字信息，使用FPGA實現探測器的時序控制，可滿足系統高精度的要求，且設計靈活，程序和模塊可移植性強［5-7］。因此，本文中結合彈光調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系統圖如圖1所示。本系統中采用反射式光學成像系統，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本身對偏振光測量產生的影響；三彈光差頻調制部分由3組彈光調制器PEM1，PEM2，PEM3構成，3組彈光調制器分別工作在數值略有差異的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°，以實現對偏振光的差頻調制，并產生載有被測目標偏振信息的低頻調制分量（0；ω1－ω2；2ω1－2ω3），再通過相應的鎖相放大技術，以彈光調制器的驅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在一次調制周期內固定在某一個探測波段，當AOTF完成一次全波段調諧后，系統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換為數字信號，并存儲到FPGA外擴的靜態隨機存儲器（static RAM，SRAM）中，數據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實現圖像還原。系統整體設計圖如圖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，FSYNC，DATA，FIELD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公司生產的12位高速A／D轉換器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，系統設計采用直流耦合、0V～5V電壓的輸入方式，采用內部2.5V參考電壓，由于系統垂直分辨率只需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，FPGA通過設備內部的串行控制寄存器，將一系列命令發送到設備中，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，控制奇數場以及偶數場掃描，本系統中采用非隔行掃描模式，故使其保持低電平即可。CLK，LSYNC，FSYNC信號根據幀時間Tf以及行時間Tl計算公式進行控制：

式中，M為行數，N為列數，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

系統中采用256kbyte×16高速SRAM芯片IS61LV25616，并在數據前后分別插入兩個字節的標識符，便于LabVIEW取得完整的1幀數據。在Lab-VIEW程序中，首先通過while循環從USB讀取2幀大小的數據，以確保所讀取數據中含有完整的1幀；通過查找的方式找到幀頭和幀尾標識符后，將數據排列成數組，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，FPA-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 論

提出了FPA-640×512 InGaAs焦平面陣列探測器在結合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構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。

［1］ WANG X Q，XIANG L B.Polarimeter research imaging spectrometer［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2011，31（7）：1968-1974（in Chinese）.

［2］ XIANG L B，ZHAO B C，XUEM Q.Spatially modulated interference imaging spectrometer［J］.Optics，1998，18（1）：18-22（in Chinese）.

［3］ CHEN Y H，WANG Zh B，WANG Z B，et al.Elastic light modulation type polarization imaging spectrometer instrument precision detection of the polarization information［J］.Acta Physica Sinica，2013，62（6）：060702（in Chinese）.

［4］ TAN Y，HE JF，REN Y J，et al.Fast photoacoustic imaging systems based on rotating multi-element linear transducer array［J］.Laser technology，2009，33（3）：300-302（in Chinese）.

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［6］ ZHONG J，WENG JD，LUO ZX，etal.Study on stray facula of array CCD detector irradiated by laser pulse［J］.Laser Technology，2010，34（6）：836-838（in Chinese）.

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［8］ PU JP.Gaze cameras for large field of off-axis three anti-optical system［D］.Beijing：Chinese Academy of Sciences，2006：26-34（in Chinese）.

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［10］ GUO X H，CHEN PP.Based on MCU and FPGA design simple digital storage oscilloscope［J］.Foreign Electronic Components，2008，10（6）：39-42（in Chinese）.

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。

*通訊聯系人。E-mail：34782540＠qq.com

2013-12-11；

2013-12-27