基于DMD的水下數據采集系統研究

作者 / 李世博、蔣學東，中國空空導彈研究院

?

基于DMD的水下數據采集系統研究

作者 / 李世博、蔣學東，中國空空導彈研究院

水體及其中微粒對光能量的吸收和散射作用，使得信號采樣很難滿足奈奎斯特采樣頻率而成為水下光學成像的一大瓶頸，本文提出融合CS理論的水下壓縮成像技術，并進行了基于DMD的水下數據采集系統的設計研究。首先介紹了單像素相機的工作機理，并選擇光電倍增管（PMT）做為探測器，同時提出雙倍增管結構，大大提高了水下壓縮成像技術的重構精度。最后實現了水下數據采集系統的結構和電控方案設計，體現了該數據采集系統的可行性。

DMD 奈奎斯特；壓縮感知（CS）；光電倍增管（PMT）；數據采集

水體對光能量的高吸收特性和水中微粒對成像光束的散射作用，導致有效成像信號的采樣很難達到奈奎斯特采樣頻率，這是水下光學成像技術的一大瓶頸［1］。近幾年新興的壓縮感知（Compressed Sensing，CS）理論［2］為打破水下光學成像領域的這一技術瓶頸提供了全新的解決思路。

1. 單像素相機工作原理

數字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）由美國德州儀器公司（TI）開發，是一種極小的反射鏡陣列組合，這些微鏡全部懸浮著并可向兩側傾斜12°左右，從而可構成“開”和“關”這兩種工作狀態。為了獲得不同的反射狀態，微鏡工作時需對成千上萬個微鏡器件進行適時控制。

圖1 單像素壓縮成像系統

如圖1所示，單像素相機的工作原理如下。壓縮采樣過程中，對于一個給定的圖像α，每一次不同的微鏡狀態由采樣矩陣Φ中的該次采樣的向量φi中的對應元素確定，將選定的成像光束反射至光電二極管方向，經凸透鏡Lens 2匯聚后被光電二極管接收，形成一個采樣值yi，完成一次采樣。重復M次該過程（每次對應的φi不同）得到由M個采樣值yi組成的采樣向量Y。由于單像素相機的采樣向量Y具有普適性，基于更好的稀疏變換重建算法將會有效提高成像質量。

2. 雙倍增管結構

■2.1 光電探測器的選擇

水下數據采集系統選用距離選通技術來濾除后向散射等雜散光對成像光束的干擾，傳統距離選通技術的本質是通過控制硬件來實現對系統時序的控制，從而有效濾除后向散射等雜散光。由于傳統距離選通技術的本質在于控制系統時序，所以它無法濾除與“成像光束”同時到達的雜散光。軟距離選通技術為解決傳統距離選通技術的固有缺陷提供了建設性的思路［3］。

軟距離選通技術與傳統距離選通技術的本質相同，但其不設置選通快門等硬件，而利用水下數據采集系統特定的高頻率接收器件對能夠到達光電探測器件的“成像光束”和“非成像光束”進行全程接收并對有用信號進行提取來實現有效的水下光學成像。提取特定時間點的點采樣值組成壓縮采樣值向量yi，即可通過重構算法獲得與特定時間點相應的空間距離處的目標圖像。

單像素相機的數據采集系統使用光電二極管，本文在選擇光電探測器時需考慮水下成像的特殊性。光電探測器的性能參數主要與響應和噪聲這兩方面有關［4］。與響應有關的性能參數包括響應度、量子效率、響應時間和頻率響應；與噪聲有關的性能參數［5］主要包括信噪比S/N，噪聲等效功率NEP與探測率D等。針對上述參數，調研對比可知，光電倍增管（photomultiplier，PMT）的最低輸入光通量最低，最大靈敏度最大，這兩點特性表明在典型光子探測器中光電倍增管是最適合進行水下精密微光測量的。同時光電倍增管最佳的線性度保證了采集信號的精確度，最快的頻率響應和最短的上升時間這一動態特性也更好地滿足了高速、動態采樣，因此本文將光電倍增管用于水下數據采集系統。

■2.2 雙倍增管結構的提出

在單像素壓縮采樣過程中，采樣矩陣是雙極性的，故而正極性目標圖像的采樣值也應該是雙極性的。然而實際成像系統中DMD的反射光束以及光電倍增管的輸出值都是正極性的，這就形成了系統的固有缺陷。為了彌補這一缺陷，系統先須獲取偏置電壓Ums，然后通過計算對原始采樣值加以矯正。

首先應將采樣值中的偏置電壓Ums去掉，電壓Vm對應的采樣值可表示為

y（m）=Vm-Ums （1）

然后編程使DMD上的所有微鏡都偏向±12°方向，此時采集到的電壓值為y（1），進行如下式的處理，即可將單極性的y（m）轉換成雙極性的采樣值

y（m）=2y（m）-y（1） （2）

系統本身存在微鏡校準誤差以及暗電流、光信號電流、背景光電流以及負載電阻的熱噪聲和電磁干擾等問題，采用上述矯正方案，不僅增加了運算量，而且在偏置電壓Ums和微鏡全反射電壓y（1）的采集過程中引入了新的系統誤差，這些將會大幅降低圖像重構質量。

針對上述問題，本文提出雙倍增管系統，如圖2所示，該系統以垂直于DMD平面的方向為法線，對稱布置兩個同型號的光電倍增管來采集DMD的反射光線。

圖2 雙倍增管系統的結構圖

圖2中微鏡可保持與DMD平面成+12°、0°和-12°這三種狀態，依次對應采樣值中的+1、0和-1這三個數值。+12°方向和-12°方向的反射光束經過匯聚透鏡后分別被兩個同型號的光電倍增管接收、A/D轉換并進行相減運算，這樣便能直接獲得采樣值y（m），用公式表示如下

y（m）=y1（m）-y2（m） （3）

其中，y1（m）為﹢12°方向的采樣值，y2（m）為-12°方向的采樣值，顯然此處的采樣值y（m）是雙極性的，不必再經運算即可直接進行運用。兩個采樣通道完全對稱，因此通過式（3）相減運算，便精確消除了偏置電壓Ums。雙倍增管系統減少了采樣次數、降低了計算復雜度，且巧妙避開了采樣和補償誤差，保證了采樣值的魯棒性，從而有效地提高了采樣精度。

3. 水下數據采集系統的設計

■3.1 結構設計

系統結構由測量系統組件、光電倍增管、前放電路模塊、數據采集卡、遮光罩、殼體、信號與電源接口組成。其中測量系統組件包含DMD芯片組、成像鏡頭、能量接收鏡頭、成像監測CCD和電源，該組件通過成像鏡頭把像成在DMD靶面上，經微鏡陣列選擇性反射后，像面的部分光能量被反射進入能量接收鏡頭，然后被光電倍增管接收。同時，在成像光路中設置監測CCD，其靶面位置與DMD靶面位置為共軛關系，利用CCD來監測DMD靶面的離焦情況；調焦使監測CCD靶面成像清晰后，即可判斷DMD靶面的成像是否清晰。

■3.2 電控系統設計

電控系統的設計目的包括：（1）DMD中微鏡陣列的翻轉控制；（2）光信號的接收和光電轉換；（3）信號數據的同步采集和傳輸；（4）要在實現前三個目的的前提下盡可能地提高系統抗干擾能力并減小系統噪聲。

電控系統的總體框圖如圖3所示。電控系統主要由試驗箱、計算機和電源箱組成。試驗箱是系統的主體部分，內含光學鏡頭、DMD、光電倍增管、數據采集卡等部件。電源箱為試驗箱中的部件提供電源，如光電倍增管所需的高壓直流電源、DMD和數據采集卡所需的低壓直流電源等。計算機用于控制DMD微鏡按要求翻轉、接收數據采集卡傳來的數據以及對數據作后續處理。

圖3 電控系統總體框圖

從DMD反射的光分別經匯聚鏡頭匯聚后由光電倍增管1和光電倍增管2接收。兩路光電倍增管的輸出信號分別接入數據采集卡的兩個模擬輸入通道。計算機通過

USB接口控制DMD工作，微鏡每翻轉一次，DMD輸出一個同步脈沖，這個脈沖作為數據采集卡的外同步信號觸發采集卡采集數據。采集到的數據通過以太網傳輸至計算機。

系統工作流程大致如下：開機后，DMD系統的內存加載N個采樣矩陣，加載完成進入待機狀態，當接收到計算機觸發信號，DMD微鏡根據N個采樣矩陣依次翻轉，每次翻轉完成發出一個翻轉完成脈沖信號，作為同步信號觸發數據采集卡對光電探測器的輸出進行數據采集，N次采集完成后將數據傳輸至計算機做后續處理，然后計算機觸發DMD系統進入下一周期采集。

4. 總結

本文首先研究了單像素相機的工作機理，并選擇光電倍增管做為探測器，同時針對單像素采樣系統的采樣值單極性、運算過程復雜以及不能避免采樣和補償誤差等缺陷提出了雙倍增管結構，有效提高了圖像重構精度。最后在此基礎上進行了系統方案設計，體現了系統的可行性。

＊ ［1］ Fournier G R， D.Bonnier， Forand L， LUCIE ROV mounted las er imaging system ［C］. Proc. SPIE， 1992， 1750： 443-452.

＊ ［2］ Fournier G R， Forand J L， Mathieu P， Range-Gated Active Underwater Imaging： Evolution， performance and Perspectiv es ［C］. Proc. Ocean Sciences Meeting's Presentation， Confere nce report， 2008： 1-29.

＊ ［3］ 呂沛，周仁魁，何俊華，劉海英. 水下單像素成像系統研究［J］.光電子·激光， 2011，22（9）：1425-1430.

＊ ［4］ http：//wenku.baidu.com/link？url=7tRZAyeZckluhrjkmbp5yE6ubfLf9eZ_b0-b_L23A4188w4WS5LOBCzOSSG1jnG9 v1QmGCNyFVUfQqHtaRyoiVoeKWGZZO0fce3pxPx2jm. 光電探測器的物理基礎.

＊ ［5］ 解光勇. 光電探測器噪聲特性分析［J］.信息技術， 2008： 8-10.