FPGA在静态傅里叶变换光谱仪频谱复原中的应用

    0　引言

    空间调制型静态傅里叶变换光谱仪,是在同一时刻、探测器阵列的不同位置上获得目标辐射光谱,它产生的干涉图是按空间分布的强度信号,由于没有运动部件或扫描机构,使得仪器的结构变得简单、紧凑,因而有稳定、抗干扰和震动能力强等优点,常见结构有:静态迈克尔逊傅里叶变换光谱仪;以双折射晶体为分光元件的偏振型傅里叶变换光谱仪;以Sagnac结构为原型的三角共光路傅里叶变换光谱仪[1-3]。没有了运动部件,干涉条纹的产生速度更快,若想达到实时处理,也要求后续的数据采集和处理部分速度也相应提高,这就是本文的研究目的。现场可编程门阵列(FPGA)有处理速度快,灵活性强,集成度高等优点,广泛应用在数字信号处理领域。

    目前对干涉条纹的采集和频谱复原主要有以下方案^[4-6]:

    1)数据通过采集卡发送到PC机上,通过LABVIEW和MATLAB等软件实现后续数据处理。

    2)采用专用的FFT芯片。

    3)采用DSP或FPGA等采集干涉条纹并在其中进行数据处理。

    方案1)不能脱机,系统庞大,便携性差。

    方案2)灵活性差,不适合进行大点数的FFT。

    方案3)目前用处最广,但较DSP FPGA是通过硬件的方式实现数字信号处理,有速度更快、灵活性强,集成度更高等优点。

    本文的主要研究目的就是如何通过FPGA更快的实现静态傅里叶变换光谱仪频谱复原,以满足实时应用领域。

    1　静态傅里叶变换光谱仪结构及原理

    图1为楔形静态傅里叶变换光谱仪工作原理示意图。入射平行光经等效斜楔干涉具的入射面照射到干涉具的分光面上,分成光强相等的两束,分别经两全反射面反射后,再通过从出射面射出等效斜楔干涉具,出射光满足双光束干涉的条件,形成干涉条纹,由柱面镜汇聚后,再用高速电荷耦合器件(CCD)对干涉条纹进行采集,通过后续的数据处理部分就能得到入射光的频谱信息^[7-8]。

    所以通过对干涉条纹进行傅里叶变换,便可得到被测光的光谱信息。

    2　FPGA数据处理系统设计

    2.1　总体设计

    干涉条纹经高速CCD相机的采集进入FPGA,若想得到入射光的频谱信息,由上述理论知,需要在FPGA中进行快速傅里叶变换,同时由于干涉具的局限,实际得到的干涉图等于理想的干涉图和一个矩形函数的乘积,引起频谱泄露,还需要切趾处理,处理后的数据可通过USB传送的PC机上,实时观察光谱信息。数据处理流程如图2所示。

    系统选取AViiVA M2 CL型线阵CCD相机,为Cameralink接口,采用LVDS电平数据传输,可以和FPGA直接进行数据通信;选用Xilinx公司FPGA芯片XC3S500e为核心处理芯片,它有50万个逻辑门,360 K的块RAM,20个硬件乘法器并支持MicroBlaze软核处理器,资源足够满足系统要求; USB数据传输模块选用Cypress公司的CY7C68013A芯片,采用Salve FIFO异步16位传输模式。CCD采集干涉条纹数据进入FPGA双端口RAM中,切趾后进入FFT模块,FFT模块采用按时间抽取的基-2算法,傅里叶变换后数据的实部和虚部通过乘法器、加法器和开平方后得到入射光的频谱信息,为保证采集光谱数据的完整性,需要把取模后的数据保存到一个双端口RAM中,USB从RAM中读取数据,每一帧数据处理完成后再进行下一帧的数据处理。整个系统的时钟由DCM模块控制,系统时钟采用50 MHz。