THz实时检测系统数据通道设计

赵全威，赵元黎，杜学涛，王振华

（郑州大学物理工程学院，郑州 450001）

1 引言

THz技术作为一种新兴技术，在安全检测方面有着独特的优势和广阔的应用前景。THz辐射的光子能量极低（只有4.2毫电子伏），可以用来对人体或物品进行无损成像；THz对于电介质材料及塑料纸箱等包装材料有很强的穿透力，能够对已包装的物品进行清晰成像[1]。图1左图是一幅光学图像，从图中不能看到报纸下面隐藏着的匕首；右图为太赫兹辐射成像，太赫兹辐射穿透服装、报纸，将报纸遮盖下的刀具清晰地显示出来。

利用电光晶体和CCD可以实现THz实时成像，基于这种实时成像技术设计THz安全检测系统，针对安检需求一般由三部分组成：THz光学系统、数据通道和PC上位机。

图1 普通光学成像（左）与THz辐射成像（右）

本设计研究的是THz实时检测系统的数据通道部分。选用面阵CCD、高速A/D转换器和复杂可编程逻辑器件CPLD，实现了对THz图像信息的高速采集。另外针对安检需要本设计还选用DSP芯片对图像信息进行了处理，突出了检测目标的边缘轮廓特征，便于下一步的自动识别，这样不仅减轻了PC上位机的压力，而且能够进一步提高THz检测系统的检测速度。

2 数据通道设计方案

图2为数据通道的基本结构框图。按功能整个设计可分为两部分：THz图像信息采集和数字信号图像处理。THz图像信息的采集包括以下几个部分：面阵图像传感器CCD、相关双采样电路和A/D转换电路；数字信号图像处理部分主要是利用DSP算法模块对数字图像信息进行图像处理，包括灰度转换、中值滤波、边缘检测等。另外本设计选用一块复杂可编程逻辑器件CPLD为整个系统提供驱动时序和逻辑控制。

图2 数据通道基本结构框图

3 THz图像信息采集

3.1 面阵图像传感器CCD

本设计选用行间转移型面阵CCD ICX098AK作为THz图像信息的感光器件。图3为ICX098AK的结构图。

该芯片像素阵列有692×504=348768个，成像像素有659×494=325546个，CCD在工作时水平驱动频率为12.27 MHz，快门速度在1/30s～1/10000s连续可调。

ICX098AK芯片正常工作需要八路驱动时钟[2]：四路垂直转移时钟V1、V2A、V2B、V3，控制垂直移位寄存器中的电荷信号向水平移位寄存器移动，其中当V2A、V2B为+15V高电平时作为读出转移时钟，将感光阵列的信号电荷转移到垂直移位寄存器中；水平转移时钟H1、H2，控制水平移位寄存器中的电荷信号向前迁移；复位门时钟RG，其频率为12.27MHz，直接决定CCD电荷信号的水平输出频率；以及控制曝光量的电子快门时钟VSUB。

图3 ICX098AK的结构图

本设计选用CPLD芯片EPM7128SLC作为驱动时序发生器，利用VHDL语言软件编程完成了对于ICX098AK的驱动设计。并在QuartusⅡ软件设计环境下进行了时序仿真。图4为ICX098AK驱动时序仿真图。

图4 ICX098AK驱动时序仿真图

3.2 相关双采样技术

CCD输出信号的噪声包括固有噪声和复位噪声。固有噪声与CCD制造工艺有关，不做考虑；复位噪声的产生，是因为CCD信号输出采用选通电荷积分器结构，工作过程中需要用到一个保持电容，由于复位开关热噪声的影响，常使保持电容偏离参考电平，这段偏离量就是复位噪声[3]。

相关双采样技术（CDS）采用两级高速采样保持器（S/H）：预采样采样保持器（S/H1）对浮置栅电平部分采样，数据采样保持器（S/H2）对视频信号进行采样。两次采样后经差分放大器相减，就消除了复位噪声，得到真正的CCD视频信号。

本设计选用SONY公司生产的CXA2006Q作为采样保持器。这是一款专用集成采样保持芯片，能够有效去除CCD输出信号中的复位噪声，具有非常好的输入信号箝位和CDS输入偏移校正性能，同时为A/D转换器提供了精确的参考电平。

3.3 A/D转换电路

图5 TLC5510 引脚配置

芯片采用TLC5510，采用CMOS工艺制造的8位高阻抗并行A/D芯片，最大可提供20Mbps的采样率，可广泛应用于高速数据转换。

CLK是A/D转换器时钟信号，OE为输出使能端，CLK和OE均由CPLD提供产生。转换频率为12.27MHz，转换分辨率为8位。D[1:8]为A/D转换输出数据端口。在本设计中，D[1:8]与CPLD的输入数据端IN-DATA[0:7]对应相连，先将A/D转换输出数据送往CPLD内做延时处理，然后数据通过CPLD传输到SRAM中，这样可以做到一个地址对应一个数据，不会出现数据乱放、错放的问题。CPLD的输出端OUT DATA[0:7]与SRAM的数据线D[0:7]对应相接，CPLD的输出端ADDR[18:0]与SRAM的地址线A[18:0]对应相连，CPLD为其提供选通信号和读写控制信号。

4 DSP图像处理

DSP芯片选用TI公司生产的TMS320VC5416。为了提取图像中危险武器如刀、枪的边缘轮廓信息，本设计依托CCS软件开发环境，编写了算法处理程序，利用DSP进行硬件仿真，比较选择了最佳的图像处理算法[4]。

图6中左边为普通光学图像，右边为THz图像，图中显示此人身上藏有枪支两支。右图的分辨率为256×256，长度为8位，大小为64kB。仿真方法如下：首先使用VC将图6（右）以二进制格式读入到计算机内存，然后将内存中的二进制文件按文本格式保存，形成TXT文件。采用CCS 3.1开发平台的Data/Load功能，将该TXT文件加载到DSP外扩SRAM。在VC5416处理器上运行算法，再采用CCS 3.1开发平台的Data/Load功能，从DSP存储区中导出图像数据，使用VC将导出的图像数据以文本方式读入到计算机中，并转换为二进制文件在PC机上显示[5]。

图6 普通光学图像（左）与THz辐射成像（右）

把THz图像转换成灰度图像后，再进行平滑效果处理。图7为图像平滑效果图。均值滤波采用4邻域的滤波方法，中值滤波分别采用了模版大小为3×3和5×5的处理方法。均值滤波产生的模糊较多，中值滤波可以有效清除噪声，很好地保持图像良好的边缘特性；另外，中值滤波实际运算过程中不需要图像的统计特性，运算简单、快速。经比较选择窗口大小为3×3的中值滤波方法。

图7 图像平滑效果图

本课题采用直方图分析方法求得图像分割的最佳阈值，将图像分为背景和目标两部分。该方法不仅直观性强、程序简单，对于本节所涉及到的图像分割的效果也较理想。图8为阈值分割效果图。

图9是几种经典边缘检测算子提取结果图。从图中可以直观地看出，Robert算子和Soble算子及Prewitt算子的边缘图中检测出的边缘数少、欠完整，且受噪声干扰较大；LOG算子和Canny算子的边缘图中的边缘连续性很好，完整性也较好。相比之下，Canny算子边缘较粗，噪声点较多； LOG算子的边缘图中边缘连续性很好，完整性也较好，边缘图中的边缘线划很细，景物细节表现得也比较清晰，轮廓边缘提取得很完备。所以最终选取LOG算子来进行边缘检测的处理。

图8 阈值分割效果图

图9 经典边缘检测算子提取结果图

5 结论

选用面阵CCD、高速A/D转换器，可编程逻辑器件CPLD作为驱动时序发生器，采用VHDL语言进行硬件编程，实现了THz图像信息的高速采集，满足了实时性的要求。另外通过硬件仿真的方法比较选择了最佳图像处理算法，提取了目标图像的边缘轮廓信息，减轻了PC上位机的压力，提高了检测速度。以上研究成果对于THz技术在安全检测领域的应用具有一定意义。

[1] 姚建铨，路 洋，张百钢，等. THz辐射的研究和应用新进展[J]. Journal of Optoelectronics Lase ,2000,16（4）.

[2] 王庆有. CCD应用技术[M]. 天津：天津大学出版社，2000. 30-40.

[3] 孔渊，王世勇，崔洪洲. 基于CPLD的高速面阵CCD驱动电路设计[J]. 半导体光电，2003，24（5）：363-366.

[4] 汪春梅. TMS320C5000系列DSP系统设计与开发实例[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[5] 四维科技等. Visual C++/MATLAB图像处理与识别使用案例精选[M]. 北京：人民邮电出版社，2004.