基于FPGA的单探测器偏振OCT信号解调系统设计

　　偏 振 OCT(光 学 相 干 层 析 成 像，Opticalcoherence tomography)技术是一种无损伤、非介入的检测手段，近年来在医学诊断领域发展迅速。偏振 OCT 技术使用偏振光成像，测出病变组织双折射性质的变化，从而进行医学诊断[1][2]。利用偏振OCT 技术检测这些病变，如烫伤、龋齿、青光眼等，具有事半功倍的效果。

　　本系统搭建了单探测器偏振 OCT 系统，仅使用一个光电探测器就可以探测到生物组织双折射性引起的干涉光光强的变化[3]。在电路处理中，本文借鉴软件无线电中的数字下变频[4]思想，设 计了以FPGA(现场可编程门阵列，Field programmablegate array)为主控芯片的信号解调系统。

　　1　单探测器偏振 OCT 成像系统

　　单探测器偏振 OCT 成像系统如图 1 所示。光源发出的光经过起偏器后变成偏振光，被分光比为90 ∶ 10 的 2×2 耦合器分成两束，分别进入干涉仪的样品臂和参考臂。参考臂中使用扫描延迟线实现纵向扫描。样品臂和参考臂的反射光进入耦合器，两束光在满足干涉条件的情况 下发生干涉。干涉信号被光电探测器接收，转化为电信号后送入信号解调系统进行信号解调。

　　振 OCT 系统电路处理如图 2 所示。干涉信号经过放大滤波后直接送入 ADC(模数转换器件，Analog-digital conversion devices)，采样后以数字形式送入 FPGA，在 FPGA 中完成信号解调工作，此后通过 USB2.0 模块送入计算机显示。FPGA 作为系统的核心，完成信号解调、时序控制、数据缓存和 USB 传输控制等。

　　本文重点介绍基于 FPGA 的信号解调模块，此模块实现对干涉信号的提取与解调，将组织的反射率和双折射率信息提取出来送计算机显示。此系统是偏振 OCT 系统成像的关键环节。

　　2　信号解调系统设计

　　光电探测器接收到的信号经过放大、滤波处理后可表示为：

　　其中，R(z) 是组织的反射率信息，δ 是由组织的双折射率差而引起的相位变化，cos(ω0t+φ) 是由于纵向扫描而引起的载波，可见，组织的反射率和双折射信息都调制在这个载波上。信号解调系统正是要将组织的反射率和双折射率信息从载波中解调出来，并显示。

　　此干涉信号被 ADC 按照 4 倍频率采样后送入FPGA，在 FPGA 中进行信号的解调工作。

　　2.1　正交解调原理

　　系统采用正交解调方法来解调信号，正交解调的原理[5][6]如图 3 所示。

　　将公式(1)中的 R(z) 和 cos(δ) 合并成一项，设为 a(t)，则公式(1)可写成：

　　经 ADC 采样后的数字信号为：