光谱分析测试对现代科技和产业的发展起着至关重要的作用。随着科学技术的发展,许多研究应用领域如航天遥感、地质勘探、农产品检测等对光谱仪的大量、精确、实时检测提出了要求^[1]。哈达玛变换光谱仪是继傅里叶变换光谱仪之后的另一数字变换光谱仪^[2],数字微镜(digital micro-mirror device,DMD)哈达玛变换光谱仪又是哈达玛变换光谱仪的一种新形式。此新型光谱仪是将DMD与哈达玛变换相结合形成^{[3, 4]},DMD作为哈达玛变换光谱仪波长选通元件实现哈达玛变换光谱仪的编码^{[5, 6]}。由于DMD光谱仪更低的成本,更高的分辨率和光捕获效率等一系列优势,近年来成为许多科研单位的研究重点。Duncan等^[7]、Kerekes等^[8]将DMD和单点探测器结合,用于太赫兹成像。Deverse等^[9]、Sun等^[10]、张智海等^[11]都曾研制出基于DMD的哈达玛变换成像仪,Kearney等^[12]从传递函数、衍射效率、光对比度等方面分析了DMD光谱仪的诸多优点,Rice等^[13]对DMD的衍射现象进行了测量,为多光谱与高光谱成像仪设计提供了依据。

然而相对于传统哈达玛变换光谱仪的诸多优点之外,其特殊的编码与解码方式使得其实时性光谱采集成为一个难点。如何设计一种实时性好,结构简便的电学结构成为DMD哈达玛变换光谱仪制造的一个重要方面^{[14, 15]}。现行的DMD哈达玛变换光谱仪在编码控制,光谱采集过程或多或少的都要求上位机的参与^{[16, 17, 18]},由于上位机和下位机通讯的时间瓶颈,通过计算机控制编码和光谱采集比较耗时。当哈达玛变换阶数达到255阶时需要3 min才能测得数据,不能满足光谱仪的大量、精确、实时的检测应用。与此同时,此种结构对上位机的依赖比较大,控制过程复杂,上位机与光谱仪的接口多,给室外等恶劣环境中使用带来不便。

为此本课题组对DMD哈达玛变换光谱仪的编码控制系统和光谱采集系统进行了重新设计。采用下位机控制编码,将编码条纹预写到DMD驱动板板载FLASH芯片上,对光谱进行高速连续编码。每完成一次编码，通过内同步信号触发探测系统对光谱数据进行采集、存储，最终到达计算机形成光谱图。

图 1为DMD哈达玛变换光谱仪系统示意图^[19]。照明光经过光栅分光,形成一列光源的光谱,成像镜将光源的单色像成像到具有分光功能的DMD上。通过编程控制DMD中小微镜以铰链为轴做±12°翻转形成编码条纹对光谱编码,本课题组选用的DMD为德州仪器TI公司生产,由1 024×768个13.68 μm×13.68 μm的小微镜构成,其间距小于1 μm。最后控制光谱采集系统对哈达玛编码后的光谱数据进行采集,经过上位机的解码还原光谱数据。

图 1

Fig. 1

图 1 DMD哈达玛变换光谱仪系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of Hadamard transform spectrometer

DMD哈达玛变换光谱仪控制采集过程原理如图 2所示。首先,用户根据需求选择哈达玛变换阶数,产生相应的哈达玛矩阵。然后,将其转化成DMD驱动板可识别格式在DMD上显示,待DMD稳定后,光谱采集控制板采集编码后的光谱数据,判断控制采集控制过程是否完成。如果没完成,循环DMD编码,探测器光谱采集过程,直至完成。最后,将采集到的数据进行哈达玛逆矩阵解码,经过数据处理呈现给用户。

图 2

Fig. 2

图 2 DMD哈达玛变换光谱仪控制采集原理图 Fig. 2 The principle diagram of Hadamard transform spectrometer with DMD

由DMD哈达玛变换光谱仪控制原理图可知影响其采集速度的几个过程:(1) 哈达玛矩阵的生成; (2) 编码条纹的显示; (3) 控制探测器的采集; (4) 哈达玛逆矩阵的生成; (5) 哈达玛解码及数据的处理。由于哈达玛矩阵只跟阶数有关,(1)、(4)过程可以事先做好,(5)过程是与用户交互的重要过程,我们采用计算机完成。(2)、(3)是完成编码、解码的两个重要过程,由DMD驱动板和数据采集控制板完成,需要经过多次循环。图 3为现行的DMD哈达玛变换光谱仪电学结构示意图。编码模板存储在上位机,由上位机分别控制DMD驱动板和数据采集控制板。由于受到上位机同下位机的通讯时间瓶颈的限制,导致光谱仪采集效率下降。本文在控制编码与解码过程中将可以在下位机完成的工作交给下位机,只需要上位机给下位机一个触发,让下位机根据自身的同步信号控制编码、解码过程,减少上位机的参与程度,从而提高采集速度。

图 3

Fig. 3

图 3 现行的DMD哈达玛变换光谱仪电学结构示意图 Fig. 3 The structure of Hadamard transform spectrometer with DMD

为了实现DMD哈达玛变换光谱仪的快速编码,本课题组在DMD驱动板上加入板载FLASH芯片用于存储DMD驱动板可识别的哈达玛变换编码数据。FLASH芯片为一种可快速存储、擦除数据的ROM;与此同时,在DMD驱动板上加入DDR2内存,DDR2内存拥有更高并且稳定的运行频率。工作时将FLASH存储的编码数据先读到DDR2内存中,可以实现编码条纹数据的快速读取，由FPGA微镜显示编码条纹;利用DMD驱动板的内同步信号触发光谱采集系统采集光谱数据,提高控制采集帧频;在光谱采集系统中,本课题组用Cortex-M3芯片作为信号采集系统的核心,实现与计算机的数据通信以及光谱的采集与存储。Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术,完全基于硬件进行中断处理,最多可减少12个时钟周期数,在实际应用中可减少70%中断。

实时DMD哈达玛变换光谱仪系统的硬件原理如图 4所示。编码控制模块为由FPGA、高速板载DDR2内存、大容量FLASH存储器和DAD芯片组成的DMD驱动板,具有精确的内外同步等功能。数据采集模块由Cortex-M3芯片、ADC芯片、放大电路和探测器组成。Cortex-M3芯片作为控制核心,可以由USB数据线同上位机进行通信,通过RS-232触发DMD连续产生编码条纹。光谱仪工作前将哈达玛编码条纹预写到板载FLASH芯片中。个人计算机向Cortex-M3芯片发送命令,Cortex-M3芯片通过RS-232触发DMD驱动板读FLASH中编码条纹数据到DDR2,高速依次产生哈达玛编码条纹。同时每当产生一帧编码条纹,DMD控制板会发送一个同步信号触发数据采集模块进行数据采集。采集到的光谱数据存放在Cortex-M3芯片的寄存器上,当所有编码条纹显示完成后计算机读寄存器上的数据到缓存进行解码。

图 4

Fig. 4

图 4 实时DMD哈达玛变换光谱仪系统 Fig. 4 The system diagram of instantaneous Hadamard transform spectrometer with DMD

图 5为实时DMD哈达玛变换光谱仪系统工作流程图,计算机通过USB总线与Cortex-M3芯片通讯触发DMD驱动板播放编码条纹,DMD驱动板每产生一帧编码条纹通过内同步信号触发采集系统采集光谱数据。存储到Cortex-M3芯片的寄存器上,当编码没有完成时通过内同步信号连续触发采集,当编码完成时通过计算机读取编码光谱数据解码得到光谱,最终显示光谱。图 6为本课题组研发的实时DMD哈达玛变换光谱仪原理样机,从左至右依次为编码控制模块、光学系统和数据采集模块。编码控制模块通过DMD参与光学系统进行编码,数据采集模块通过探测器参与光学系统进行数据采集,整个光谱仪系统通过USB总线与计算机进行通讯。

图 5

Fig. 5

图 5 实时DMD哈达玛变换光谱仪工作流程图 Fig. 5 The flowchart of instantaneous Hadamard transform spectrometer with DMD

图 6

Fig. 6

图 6 实时DMD哈达玛变换光谱仪原理样机 Fig. 6 The principle prototype of instantaneous Hadamard transform spectrometer with DMD

本课题组曾根据图 3所示的电学结构研发出一款基于上位机进行编码控制、数据采集的光谱仪,对这两种结构的光谱仪的编码效率进行比较,在相同条件下连续多次采集,得出光谱仪采集光谱所需平均时间。如表 1所示，可以看出原始DMD哈达玛变换光谱仪的光谱采集时间随哈达玛变换阶数的增加呈现线性增加,对于7阶哈达玛变换而言尚可满足实时要求,但要牺牲光谱仪的数字分辨率,对于511阶哈达玛变换光谱仪而言,采集时间达到4 min,不能满足大量、实时测量的要求,改进的实时DMD哈达玛变换光谱仪系统较原始光谱仪系统的编码效率有很大的提高,对于小于511阶的哈达玛变换而言,其编码解码时间小于1 s,可以实现光谱仪大量、精确、实时的采集要求。

表 1Table 1)

表 1 DMD哈达玛变换光谱仪采集时间 Tab. 1 The encoding time of DMD Hadamard transform spectrometer 哈达玛变换阶数 7 15 31 63 127 255 511 1023 传统方式耗时/s 3.5 7.1 14.1 27.9 56.5 111.8 223.9 448.1 提高后耗时/s 0.156 0.169 0.196 0.250 0.350 0.580 1.000 1.860

表 1 DMD哈达玛变换光谱仪采集时间 Tab. 1 The encoding time of DMD Hadamard transform spectrometer

图 7为基于本电学系统的DMD哈达玛变换光谱仪与Avantes近红外光谱仪的光谱对照图。实验采用钨灯作为光源,无样品池,光谱仪型号为AvaSpec-NIR256-1.7,可以看出其光谱仪由于光谱仪自身的光谱响应函数不同存在偏差,但光谱变化趋势具有一致性,换算成吸光度后可以消除偏差,满足检测要求。

图 7

Fig. 7

图 7 DMD哈达玛变换光谱仪光谱图 Fig. 7 The spectrum of instantaneous Hadamard transform spectrometer with DMD

本文在研究DMD哈达玛变换光谱仪系统工作原理的基础上,设计了一种实时DMD哈达玛变换光谱仪电学结构。在实时DMD哈达玛变换光谱仪中,探测器和DMD驱动板上都加入可编程和存储数据的元件,将所要进行的编码、采集控制都集成在Cortex-M3芯片和DMD驱动板上,并通过了实验验证。结果表明:可以满足DMD哈达玛变换光谱仪大量、精确、实时的光谱检测要求,同时简化了控制采集过程,为光谱仪脱离上位机使用奠定了基础。