基于FPGA的干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原研究

对目标的实时探测与识别是当前干涉式红外成像光谱仪领域研究的热点问题,而光谱仪实时光谱复原是有效解决该问题的前提。利用可见光相机模拟干涉仪而得到干涉图信号,利用高速大容量FPGA芯片设计了一种干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原系统。系统主要由干涉图数据预处理、实时光谱复原以及光谱显示等模块组成,以流水线方式运行,能够实时输出目标的光谱信息,具有运算速度快、体积小、便于算法升级等优点,为光谱仪对目标的实时探测与识别研究奠定了良好的技术基础。     

基于FPGA的傅里叶变换成像光谱仪实时数据采集与显示系统设计

利用可见光相机模拟干涉仪,基于FPGA设计了傅里叶变换成像光谱仪实时数据采集与显示系统,为后续的实时光谱复原奠定了良好的技术基础。该系统主要由采集、存储、数据变换及显示四个部分组成,主要涉及SAA7113、ILI9325等芯片的配置、SDRAM控制器的设计、像素的提取、色彩空间的变换等。经71ms初始化完成后,各部分协调运行,能够实时输出目标的图像信息,具有运算速度快,便于升级维护,可进行二次开发等优点。     

基于矩阵的Sagnac干涉仪光谱复原理论研究

传统的干涉光谱仪光谱复原算法是利用傅里叶变换复原光谱,该方法为了消除有限光程差造成的旁瓣对光谱复原精度的影响,进行了干涉图切趾处理,但这会降低复原光谱的光谱分辨率.为了保证光谱分辨率和提高光谱复原精度,文章提出一种光谱复原方法——基于仪器特征矩阵的Sagnac干涉光谱仪光谱复原方法.该方法旨在通过实验室定标及理论推导为每个Sagnac干涉光谱仪系统构建一个仪器特征矩阵,对仪器特征矩阵利用最小二乘法复原光谱.利用多种物质的光谱进行仿真实验,测试两种光谱复原方法的光谱复原精度,结果显示仪器矩阵方法的复原误差稳定在1％～3％,而傅里叶变换法的复原误差在3％～7％的范围内.因此,和傅里叶变换光谱复原方法相比,基于仪器特征矩阵的光谱复原方法的光谱复原精度更高.     

静止型傅里叶变换成像光谱仪技术的发展

在对经典的傅里叶变换成像光谱仪进行分析、讨论、对比的基础上,综述了静止型傅里叶变换成像光谱仪的原理、结构特点、国内外发展现状及关键技术。对两种不同干涉机制的干涉仪作了对比。静态的、高通量、高分辨率的傅里叶成像光谱技术将最终成为成像光谱技术的发展趋势。     

实时红外化学成像光谱仪器

红外吸收光谱是人们用以分析一种材料的化学成分的方法之一。由于傅里叶变换技术的引入,红外吸收光谱已被广泛用于分析分子的特性和数量。但即使如此,无论是常规的红外吸收光谱仪还是傅里叶变换红外吸收光谱仪,都需要花费时间进行复杂的计算才能获得样品的红外吸收光谱。本发明提供一种实时红外化学成像光谱仪器,它包     

基于DSP的弹光调制干涉具干涉数据的实时处理系统

弹光调制干涉具中光程差的非线性带来了干涉信号的非均匀变化,在光谱复原过程中,如不对干涉数据修正直接采用快速傅里叶变换(FFT)复原光谱会导致光谱严重失真,难以满足实时处理要求。首先提出采用非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)实现光谱复原,其次设计了一种基于高性能DSP芯片OMAP-L138的干涉数据处理系统,它将高速数据采集卡PCI-5122采集到的671.1 nm激光干涉数据进行存储并完成其实时光谱复原。研究结果表明:这套干涉数据实时处理系统操作简单,运行可靠。复原671.1 nm激光的波长误差小于1 nm,谱线位置误差小于0.1％,为后期采用高性能DSP的弹光调制傅里叶变换光谱仪提供了很好的前提基础。     

傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性在线定标与校正研究

由于傅里叶变换红外成像光谱仪结构的特殊性,其非均匀性在线定标与校正在工程上一直没有得到有效解决。首先对IRFPA非均匀性校正的原理与算法进行了简要阐述,在此基础上,通过对时间调制型、空间调制型及时间空间联合调制型傅里叶变换红外成像光谱仪原理结构的深入分析,针对这三种制式的光谱仪,分别研究出了相应的非均匀性在线定标与校正的方法,为星载傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性的在轨定标奠定了良好的技术基础。     

基于FPGA的干涉式成像光谱仪实时数据处理系统研究

根据干涉式光谱仪系统数据处理技术,研究了一种基于大容量高速现场可编程门阵列(FPGA:Field Programmable Gate Array)器件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、运算速度快以及稳定可靠等优点,为成像光谱仪对目标的实时探测和识别等应用奠定了良好的技术基础.     

傅里叶变换光谱仪动镜驱动控制技术

动镜驱动控制技术是傅里叶变换光谱仪的重要组成部分.本文从干涉成像光谱技术原理出发,介绍了迈克尔逊型傅里叶变换光谱仪动镜驱动技术的进展及其应用情况.提出了新型摆扫式干涉机构动镜驱动系统的方案.基于模糊PID控制策略,给出了此驱动系统的闭环控制实现方法.     

Livermore成像博里叶变换红外光谱仪

Lowrence Livermore国家实验室目前正在运行一台超光谱成像仪,即Livermore成像傅里叶变换红外光谱仪(LIFTIRS).这台仪器能够以可控光谱精度在从3到12.5μm红外波段范围内工作.本文介绍了它的工作特性,现行能力,数据输出量和定标结果.为了在更大范围内应用红外遥感,例如气态排出物的识别和测绘,表面温度的遥测,以及基于物质的红外发射率特性对表面物质类型进行分类等等.正在研制Livermore成像傅里叶变换光谱仪与其它系统比较IFTS     

基于FPGA的傅里叶变换光谱仪光谱复原技术

为了实时获取化学战剂、大气污染物等待测物的光谱信息,设计了一种基于现场可编程门阵列实现单边干涉图光谱复原的高速数据处理系统。该系统采用将去直流、切趾,快速傅里叶变换、相位校正等光谱复原处理集成在一块现场可编程门阵列芯片内实现的方法,具有集成度高、速度快、成本低等优点。在ISE10.1开发平台上设计了数据处理系统硬件电路,通过WQF-520型傅里叶变换红外光谱仪采集干涉数据传给现场可编程门阵列进行处理,实验结果与MATLAB仿真结果比较,相对误差在1.2%以内。结果表明,该系统可正确复原光谱,适用于时间调制和空间调制的干涉式光谱仪系统。     

基于FPGA红外成像光谱数据处理系统研究

目标实时探测是红外成像光谱系统的重要研究方向之一。为了同时保障系统数据处理速度与光谱复现精度, 研究了一种高速光谱反演系统。该系统由现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现, 对干涉条纹图像进行非均匀性校正、加窗切趾, 从而抑制干涉条纹数据中的直流噪声及杂散噪声; 再经快速傅里叶变换、相位校正、光谱标定最终获得光谱分布。结果表明, 本算法对杂散噪声具有很好的抑制效果, 非均匀性系数由11.23%降低至1.05%;对光谱的反演实验中本系统获得的光谱分布形态与MATLAB结果基本一致, 且在光谱细节部分的准确度更好一些; 系统采用流水线工作方式缩短了数据处理周期, 并且基于FPGA芯片的开发模块具有更强的兼容性。该系统具有处理速度快、体积小、稳定性高、兼容性强等优点, 在红外目标实时探测领域具有很好的应用前景。     

偏振光谱识别光学系统的复原方法与设计

为准确方便获取4个波长相关的斯托克斯参量,可采用强度调制型偏振光谱成像技术,从偏振光谱强度调制理论与傅里叶变换解调方法入手分析推导计算了偏振光谱信息的复原过程,据此得到了系统的基本结构。以模块化设计的思路分别设计了光谱部分光学系统的前置望远物镜及Offner分光系统,设计结果实现了在400~1 000 nm谱段光谱分辨率1.24 nm,并结合光谱系统参数匹配设计完成了前端偏振光谱调制模块,给出了一套完整的设计实例。最后通过实验验证了偏振光谱调制模块设计的合理性与傅里叶变换解调方法的可行性,为偏振光谱信息复原奠定了基础。     

一种傅里叶红外光谱校准数据库软件系统研究

傅里叶红外光谱分析方法具有分辨率高、光通量大、频带宽等优点,在痕量成分分析领域应用广泛。在污染大气成分在线监测过程中,准确的标准光谱数据库是进行大气成分探测的首要条件和计算基础。开发了一套可用于红外光谱在线分析的校准光谱数据库平台,研究在使用傅里叶红外光谱仪进行实际测量的过程中,影响表观光谱的仪器因素,具体包括仪器分辨率、切趾函数和入射辐射的立体角等。在此基础上,对傅里叶红外光谱仪仪器线型函数进行建模,实现高分辨率校准光谱的环境参数和仪器线型函数匹配,建立了一套基于HITRAN的红外光谱定量校准数据库,并给出了基于该数据库的仿真校准光谱实例。该数据库可用于大气痕量和微量成分的红外光谱分析研究。     

In situ semiconductor materials characterization by emissionFourier transform infrared spectroscopy

The results of a novel emission Fourier transform infrared (E/FT-IR) spectrometer for in-situ characterization of semiconductor materials is presented. For the experiments, the wafers were heated and the infrared emission profiles from the substrates were collected by a standard FT-IR spectrometer. Differences in the emission spectra from different substrates are explained through correlation to the optical properties of the corresponding substrates. The in-situ infrared emission spectrum of a lightly doped (10-20 Ω·cm) silicon wafer at 200°C is very similar to its ex-situ transmission spectrum at room temperature, although the spectrum is inverted. This similarity makes possible the analysis of E/FT-IR spectra by using existing spectral libraries. Finally, it is shown that the E/FT-IR technique can be used for noncontact and noninvasive real-time identification and possibly quantification of impurities during silicon oxidation and for real-time epi-film thickness monitoring during silicon epitaxy     

数字化红外焦平面探测器光谱响应测试系统研究

针对目前没有设备可对数字化红外探测器的光谱响应进行测试,利用可测模拟电平输出型红外探测器光谱的傅里叶光谱仪,研制了一块电路板装置,实现了将数字化红外探测器转换为与模拟红外探测器一样的输出形式,解决了数字化红外探测器光谱无法测试的问题,且具有结构简单、一板多用等特点,可在不同型号的傅里叶光谱仪上使用。该方式成本低且易实现,不仅操作简单,而且测试性能稳定,适应于各种形式的数字化探测器,使得数字化红外光谱响应测试系统具有更高的兼容性和灵活性。首先对红外光谱响应测试系统进行了介绍,然后对所研制的模数电路板装置进行了原理分析,最后对此电路板进行了硬件实现,并编写了内部测试程序,进而完成了功能验证。理论分析和硬件功能验证表明,带有新研制模数电路板装置后的红外光谱测试系统不仅可以实现不同位宽输出的数字化面阵探测器或线列探测器光谱测试,而且光谱测试结果准确可靠。     

基于FPGA的成像光谱仪多通道实时光谱识别设计

实时光谱识别是目前干涉式成像光谱仪领域研究的热点问题之一,其难点在于复原光谱数据量大及对识别算法的实时性要求高。基于FPGA器件设计了一种基于光谱角匹配(SAM)算法的干涉式成像光谱仪多通道实时光谱识别系统。该系统将多个不同的参考光谱分别存储在其对应通道的存储器中,根据SAM算法实时计算输入光谱与各通道参考光谱之间的光谱角,通过对各通道输出的光谱角进行比较而实现光谱的实时识别。仿真结果表明,系统在Xilinx芯片XC7A100TFGG484-2上对复原光谱进行实时有效识别的运行频率可达100MHz。系统以流水线方式运行,具有速度快、体积小、便于升级等优点,为干涉式成像光谱仪实时光谱识别的工程实现提供了一种有效的技术途径。