基于FPGA便携式光谱分析仪设计*

彭馨仪， 张丽娟

(1.长春工业大学 应用技术学院,吉林 长春 130000；2.长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130000)



设计与制造

基于FPGA便携式光谱分析仪设计*

彭馨仪1， 张丽娟2

(1.长春工业大学 应用技术学院,吉林 长春 130000；2.长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130000)

为了大幅提高光谱检测的抗干扰能力和实时数据处理能力，设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的静态光谱分析系统。选用静态干涉具取代机械扫描，从而提高系统的抗震动能力，使其适用于便携式光谱仪的设计要求。采用FPGA芯片完成干涉数据的高速处理，从而达到实时响应的设计要求。设计了系统的结构、硬件电路以及光谱分析算法，给出了光谱还原的理论推导与计算过程。实验采用Virtex2—pro型FPGA开发板，对660 nm激光光谱进行测试，频谱计算效果与Matlab仿真数据作对比。实验结果显示:本系统可以有效地将被测激光光谱分布函数解出，速度快,准确度高，并具有较好的抗干扰能力，适合于便携式光谱分析仪的应用特点。

光谱分析仪； 便携式设计； 抗干扰能力； 现场可编程门阵列

0 引 言

光谱分析仪已被广泛地应用于生活中的诸多领域，例如:物质检测、气体浓度分析、激光成分探测等[1]。常见的光谱分析仪主要分为色散型和干涉型。色散型系统通常利用衍射效应获取入射光光谱信息，其结构简单、可靠度高，但其入射光需要通过狭缝，分辨率与光通量为对立关系，故为了保证一定的分辨能力，往往使系统的信噪比较低，并且不适合检测微弱信号。干涉型系统通过干涉获取干涉条纹，再由傅氏变换求解光谱分布函数，其具有高光通量、结构稳定的特点。

早期的光谱分析仪常采用迈克尔逊干涉模块，虽然精度很高，但对震动非常敏感，所以，不适用于便携式设计与应用[2]。为了克服机械扫描的缺陷，静态光谱分析仪问世，通过对空域相干条纹的解析完成光谱分布数据的获取，具有实时性、高稳定性等优点[3]。对于便携式光谱分析仪而言，为了可以保证系统的稳定性的同时获得快速的处理速度，且保证较大的光通量，从而可以完成微弱信号的检测，静态干涉结构的光谱分析仪具有更强的适应性[4,5]。

对于便携式光谱分析仪而言，光学干涉部分可以实时地完成入射激光的干涉处理，但为了保证系统可以实时地显示输出光谱分析的测试结果，还需要为其设计高速的运算处理电路。根据光谱获取机理，CCD获取的干涉条纹需经过快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)和光谱校正等步骤才能获得光谱分布函数。而目前FFT数据处理主要采用专用集成电路(ASIC)[6]、数字信号处理器(DSP)[7]以及现场可编程门阵列(FPGA)完成[8]。ASIC开发费高昂，周期长；DSP算法简单灵活，但处理速度慢，不适合在便携式系统中；相比之下，FPGA具有开发容易、价格适中，其速度快，适合小型化集成产品，故本文提出了基于FPGA的便携式光谱分析仪硬件设计方案。

1 整体结构设计

根据便携式光谱分析仪的设计要求，采用静态干涉具保证系统的稳定性，应用FPGA高速处理芯片保证系统的实时性，由此,本文提出了基于FPGA的静态光谱分析仪设计方案，结构如图1所示。系统由光学天线、静态干涉具、柱面镜、CCD、FPGA及显示电路构成。其中，静态干涉具为标准的傅里叶变换干涉模块，通过双光束干涉产生干涉条纹，形成空间调制，从而取代传统机械扫描的时间调制，大幅提高系统的抗震动能力。由静态干涉具出射的相干光经柱面镜成像在线阵CCD上，从而构成一维的干涉条纹信息，并通过CCD将干涉条纹数据采集传输给FPGA。选用Xilinx公司的Virtx—Ⅱ型FPGA开发板对干涉数据进行滤波去噪、FFT、光谱校正等，最终完成光谱分析并显示。

图1 基于FPGA的便携式光谱分析仪原理示意图

2 干涉条纹处理与光谱复原算法

依据傅里叶变换光谱技术可知，由CCD采集的干涉条纹的光强分布[9]有

(1)

经傅氏变换有

(2)

其中，x为干涉具任意点x的位置，ν为波数。式(2)表示光源的光谱分布函数。在获取光谱分布前要对干涉条纹进行采样、滤波切趾、光谱标定等处理。

2.1 数据采样

回波数据需要进行数据采样，完成数据的离散化，采用相等间隔的δx进行采样，依据奈奎斯特定理，使光程差间隔满足

δx≤1/2νmax.

(3)

又因为光谱干涉条纹不是无限多的，所以，系统采样过程还需要满足

(4)

上式构成光谱探测的主要条件。

2.2 切趾处理

由于在傅里叶变换函数中，采用的是无穷大范围，所以实际干涉条纹点是不能满足的，在具体完成光谱复原时需要检测有限元内的极大光程差xmax，故式(2)的实际表达形式为

(5)

其中，切趾函数为T(x)，将干涉条纹数据限定在(-xmax，xmax)内，通过卷积的方式可以将原有光谱数据表示为

B(ν1)=B(ν)*t(ν).

(6)

其中，B(ν)为原始光谱，t(ν)为切趾函数T(x)的逆傅立叶变换，其表达式有

t(ν)=FT-1[T(x)]=2xmsinc2πνxm.

(7)

由于sinc函数在傅氏变换后存在旁瓣，影响光谱还原效果，故通过渐变权重函数完成权值分配，从而达到降低旁瓣影响的目的，使切趾函数处理后的光谱分布尽可能地与原光谱信息一致。

2.3 光谱标定与波长复原

因为每个干涉具材料、特性、倾角等的不同，所以，经傅氏变换后得到的频谱信息还需要完成光谱标定才能形成可读的空间分布信息。理论上要求对每个光谱分布点进行标定，但实际测试过程中常常依据系统的线性时不变特性，只对特定光谱范围内的波长进行标定。由实验得到的偏差值去校正光谱分布函数。

在被测范围内，单位长度内对应的波数表示为λ-1，单位长度内对应的干涉条纹数表示为x，其比例关系表示为C(λ/x)，则系统满足

(8)

式中 λ为表示波长，x表示条纹数。被测区域内任意波长可表示为

(9)

最终，式(9)由FPGA运算输出。

3 FPGA硬件设计与数据仿真

根据系统设计要求，采用1024点基2-FFT算法，选用Xilinx公司Virtex2—proXC2VP40芯片，构成干涉条纹数据采集和处理系统，原理如图2所示。系统分A,B,C三个区，其中,A区负责完成干涉条纹的采集，DriverControl完成对CCD探测器的驱动，使CCD采集的干涉条纹信号进入双口RAM中。B区对干涉数据进行分析处理，完成FFT算法，采用双通道数据处理模式，提高处理速度，保证系统的实时性；经傅氏变换后的数据信息完成相位校正，最终实现光谱标定。C区将已处理完毕的光谱分布数据用于显示，实现快速测试的可视化。

图2 光谱分析数据处理的FPGA设计框图

3.1 CCD驱动时序仿真

本系统中的CCD选用日本HAMAMASTU公司的S1070型线阵CCD。根据系统设计需要，通过FPGA对CCD探测器编写了驱动程序，功能仿真测试结果如图3所示。仿真结果显示:系统驱动时序逻辑关系与器件数据手册中时序一致，证明驱动程序正确，可以实现对CCD探测数据的快速采集与传输。

图3 CCD驱动测试仿真图

3.2 FFT模块设置

系统干涉条纹数据的FFT处理通过基2-FFT模块完成，调用 公司的IP核实现。通过对IP核各参数的有效设置，得到FPGA的仿真结果如图4所示。

图4 逻辑设计与仿真结果

由仿真结果可知，时序逻辑关系正确，可以快速完成干涉条纹的FFT处理，验证了逻辑设计的可行性。

4 实 验

实验系统测试激光波长为660nm,干涉系统为静态干涉具模块，材料为BK9；处理系统为Virtex2—Pro型FPGA开发板。实验针对波长660nm激光产生的干涉条纹进行分析。分别由本系统的FPGA程序和Matlab标准程序分别对干涉条纹进行FFT数据处理，实验结果如图5所示。

图5 FPGA与Matlab仿真结果对比图

由仿真结果可知，其峰峰值位置均在115nm处，表明两种方法得到的特征波长位置相同，而峰峰值略有不同，但峰峰值本身为相对参考值，故其相对误差在检测范围内即满足检测要求。依据此频谱数据完成对入射激光的光谱分析，经相位补偿和光谱校正后有光谱分布函数如图6所示。

图6 660 nm激光光谱分布图

由实验结果可知，基于FPGA的便携式光谱系统可以有效地将被测激光的光谱分布信息反演。激光中心波长显示正确，峰值信噪比高，符合设计要求。

5 结 论

本文设计了一种基于FPGA的便携式光谱分析仪，采用静态干涉系统和高速FPGA处理芯片相结合，完成了其硬件设计与软件算法。针对660 nm激光进行测试实验，实验结果与Matlab仿真数据进行对比可知，系统测试速度快,准确度高，且具有很强的抗震动能力。验证了系统的可行性，满足了便携式光谱仪的设计要求。

[1] 李 旭,蒲昱初,徐火生.基于IPCore的FFT处理器的设计与实现[J].舰船电子工程,2007,2(1):121-123.

[2] 林 凌,任 钊,李 刚.静态傅里叶变换光谱仪的机理及干涉条纹的校正[J].光谱学与光谱分析,2008,128(19):2067-2072.

[3] Zhang L J,Yang J H,Su W.Research on blind deconvolution algorithm of multiframe turbulence-degraded images[J].Journal of Information and Computational Science,2013,10(12):3625-3633.

[4] 郭威彤,宋海声,杨鸿武,等.一种便携式室内空气质量快速检测仪设计[J].传感器与微系统,2015,4(2):97-99.

[5] 张文娟,张 兵,张 霞.干涉成像光谱仪切趾函数对复原光谱的影响分析[J].红外与毫米波学报,2008,27(3):227-232.

[6] 王林泉,皮亦鸣,陈晓宁,等.基于FPGA的超高速FFT硬件实现[J].电子科技大学学报,2005,34(2):152-155.

[7] 李 岩,徐金甫.基于新型FPGA的FFT设计与实现[J].计算机工程与应用,2007,43(14):102-104.

[8] Chao-Hsiung Hung,Hsueh-Ming Hang.A reduced-complexity image coding scheme using decision-directed wavelet-based contourlet transform[J].J Vis Commun Image R,2012,23(1):1128-1143.

[9] 田二明，张记龙，李 晓.激光告警系统中小型静态傅立叶变换光谱仪的研究[J].光谱学与光谱分析,2009，29(3)：853-857.

彭馨仪 (1979- )，女，硕士，讲师，研究方向为软件工程与人工智能。

Design of portable spectrum analyzer based on FPGA*

PENG Xin-yi1, ZHANG Li-juan2

(1.School of Applied Technology,Changchun University of Technology,Changchun 130000,China; 2.School of Computer Science & Engineering，Changchun University of Technology,Changchun 130000，China)

In order to significantly improve anti-jamming capability and real-time data processing capability for spectrum detection,static spectroscopy system is designed based on FPGA.Static interferometer is chosen to replace the mechanical scanning,so anti-jamming capability of system is improved,to make it suitable for design requirements of portable spectrometer.FPGA chip is used in the system to complete high-speed data processing for interference fringe,so as to achieve design requirements of real-time response.System architecture,hardware circuit,and spectrum analysis algorithm are designed.Theoretical derivation and calculation of the spectrum reduction are given.Experiments use FPGA development board,which is the type of Virtex2—Pro,to test for 660nm laser spectroscopy.The calculated effect of spectrum is compared with simulation data by Matlab.Experimental results show that the system can effectively solve the spectrum distribution function of measured laser.It’s the advantages of high anti-jamming ability,the high speed and the high precision in the system.It is suitable for application characteristics of portable spectrum analyzer.

spectrum analyzer; portable design; anti-jamming capability; FPGA

2015—06—25

国家自然科学基金资助项目(60637010)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0058—03

TN 247

A

1000—9787(2015)09—0058—03