基于FPGA的干涉式成像光谱仪实时数据处理系统研究

引言

成像光谱技术[1]是一类新型的多维信息获取技术,它能够获得被探测目标的空间信息和光谱信息,在航天航空遥感[2]、工农业、生物医药、物质分析与分类、环境与灾害监测[3]、大气探测以及军事应用等领域具有非常广泛的应用.

干涉型成像光谱仪是依据傅里叶变换光谱学原理[4],通过采集景物目标的干涉图像,由干涉图像抽取目标上所有采样点的点干涉数据,对点干涉数据进行傅里叶变换得到该点的光谱信息,它具有多通道、高通量和精度高等优点.

目前,由于成像光谱仪获取的信息量非常大,成像光谱仪系统一般都是将实时获取的干涉图信息进行压缩存储,后期再对之进行复原处理.这种工作方式固然有其优点,但对军事侦查等实时应用场合显得过于迟缓,如能将干涉图采集和光谱复原处理实时化,就可以即时获得目标的光谱特征从而为基于光谱的目标实时探测和识别等应用场合奠定良好基础,对民用和军用都具有非常重要的现实意义.基于这种思想,本文研究了一种基于现场可编程门阵列(FPGA: Field programmable Gate Array)的干涉式成像光谱仪实时数据处理片上系统,它将干涉图采集和光谱复原集成在一个FPGA芯片内,可实时完成干涉图采集和光谱复原处理,具有体积小、运算速度快和稳定可靠等优点.

1　系统数据处理技术研究

干涉式成像光谱仪基本原理如图1所示.目标辐射经光学系统入射到干涉仪系统,干涉仪获得目标干涉图信号并将之成像在探测器上,模数转换器A/D将探测器输出的目标干涉图信号转换成数字信号送入光谱仪数据处理系统以获得目标的图像和光谱数据.

通常,由于成像光谱仪获得的信息量很大,光谱仪数据处理系统一般都是采取先将干涉图数据进行压缩存储,之后再利用计算机等对之进行光谱复原的事后处理方式.为了使成像光谱仪能有效适应目标实时探测和识别等军用和民用应用场合,本文目标为研究利用目前大容量高速FPGA器件研制干涉式成像光谱仪实时数据处理系统的技术.

图2所示为迈克尔逊干涉仪基本原理,下面通过对迈克尔逊干涉仪产生干涉图的定量分析来简单阐述干涉式光谱仪系统的数据处理技术.

如图2所示,设有一束振幅为a、波数为ν的理想准直单色光束入射到理想分束板BS上,分束板振幅反射率为r、透射率为t,它使入射光束分束为振幅为ra的反射光束和振幅为ta的透射光束.这两束光束经固定镜(Fixed mirror)和动镜(Movingmirror)反射后返回到分束板BS形成两束相干光束,其中一束返回光源,另一束沿与入射方向垂直的方向传输并在成像平面LF上成像,此时成像平面信号振幅为