FPGA在静态傅里叶变换光谱仪频谱复原中的应用

针对静态傅里叶变换光谱仪中干涉条纹采集与处理对速度快的特殊要求,设计了用现场可编程门阵列(FPGA)实现干涉图采集和频谱复原系统,CCD采集干涉条纹后进入FPGA进行切趾、傅里叶变换、取模等处理后得到入射光的频谱信息,同时对干涉图切趾函数的选取进行探讨和比较.最后,分别采集中心波长635 nm、650 nm、780 nm、808 nm、850 nm半导体激光器通过楔形干涉具的干涉条纹,并将FPGA中频谱复原结果与Avantes公司的光纤光谱仪测得结果进行比较,误差在2.5%以内.     

傅里叶变换红外成像光谱仪实时光谱复原FPGA芯片系统研究

针对傅里叶变换红外成像光谱仪实时数据处理技术的要求,研究了一种基于FPGA的集干涉图非均匀性校正、光谱复原、光谱辐射定标于一体的傅里叶变换红外成像光谱仪实时光谱复原芯片系统。该系统对输入信号做了标准化设计,以流水线方式输出目标的复原光谱信息,可嵌入到各种类型的红外/可见光傅里叶变换成像光谱仪的实时数据处理系统中,具有体积小、运算速度快、稳定可靠及易于升级等优点,为基于光谱特征的目标实时识别奠定了良好的技术基础。     

基于FPGA的静态傅里叶变换光谱探测系统研究

为克服傅里叶变换光谱仪的机械扫描和光谱复原中软件处理实时性差的缺点,研究了一种基于FPGA的静态傅里叶变换光谱探测系统。根据傅里叶变换光谱理论,确立了选用等效斜楔干涉具和线阵COMS的方案,使用FPGA来实现,并详细介绍了系统工作原理。利用硬件描述语言VerilogHDL,在Vitex pro-2FPGA芯片上,实现了探测系统CMOS驱动电路、光谱复原处理电路等逻辑设计,并通过第三方仿真软件Modelsim6.3f完成了各模块的功能仿真。应用该实验系统对波长为635nm的半导体激光器进行了光谱探测,测试结果与MATLAB仿真计算值一致。实验结果表明该光谱探测系统具有运算速度快、实时性和可靠性好等优点。     

Hadamard变换光谱仪光谱复原算法的FPGA实现

提出一种利用FPGA实现Hadamard变换光谱仪光谱复原算法的方案。利用具备数字信号处理功能的FPGA对Hadamard编码图像,可以快速地进行Hadamard逆变换并得到复原图像。根据复原图像可以知道被测目标在各个波段的信息从而获得光谱曲线。实验表明,利用FPGA来完成该型光谱仪的光谱复原可以得到清晰的复原图像和单点光谱曲线,并且与软件得到的处理结果基本相同。该方案可以用于该型光谱仪的实时光谱复原以及基于光谱特征的目标识别领域。     

一种快速傅里叶变换算法的FPGA实现

分析了快速傅里叶变换(FFT)算法的4种典型结构,提出了一种采用按时间抽取的基2单蝶形运算单元递归结构。对一种64点FFT进行仿真验证,在Cyclone的EP1C6T144C7上实现共占用967个逻辑单元,最高频率达56.47MHz。通过降低蝶形运算单元中乘法数目和采用乒乓RAM结构,节约了硬件资源,加快了FFT运算速度。     

基于FPGA静态傅里叶变换干涉系统的实时数据采集

针对静态傅里叶变换光谱仪中干涉条纹采集与处理对速度快的特殊要求,设计了用FPGA实现干涉图采集和光谱复原系统,通.过CCD采集静态傅里叶干涉条纹后,将数字灰度值输入到FPGA中,进行傅里叶变换(FFT)、取模、光谱标定等处理后得到入射光的光谱信息.光谱获取的算法主要由基2-FFT和光谱标定实现,光谱标定是通过在可探测波长内取两个标准位置来计算中心波长准确位置的.为了获得较好的加窗效果,对多种切趾函数进行了分析,通过仿真数据得到半宽和中心波长位置都相对较好的加窗方式.实验分别对中心波长635 nm,650 nm,780 nm,808 nm,850 nm的半导体激光器进行干涉条纹采集,当激光入射等效楔形静态傅里叶变换干涉具后形成干涉条纹,由CCD采集传给FPGA,本算法复原得到的光谱结果与Avantes公司的AvaSpec-2048型光纤光谱仪测得结果进行比较,误差在±2nm.     

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。     

傅里叶变换光谱仪技术

光谱仪对于原子物理学、分子物理学、天文物理学、光谱学、大气遥感以及分析化学等学科领域的研究都是十分重要的,同时它也是工业检测、海关检测等的必需设备.     

图像采集系统中色彩复原模块的FPGA实现

图像的色彩复原是彩色图像采集系统的关键技术,决定了采集图像的质量.针对目前CMOS图像传感器广泛使用的Bayer格式图像,介绍了双线性插值法、梯度检测插值法和相关性插值法三种色彩复原算法:然后建立了基于Altera公司Cydone Ⅱ系列FPGA芯片的图像采集系统.并采用Verilog硬件描述语言在FPGA上实现了色彩复原算法.实验结果表明,该FPGA利用其丰富的内部硬件资源和并行处理的优势,能实时准确地完成色彩复原工作,同时,相关性插值法获得了最高峰值信噪比.恢复的彩色图像边缘清晰平滑.     

应用光谱重建理论的傅里叶变换光谱仪

本文将重建光谱仪的光谱重建理论应用于傅里叶变换光谱仪中，使光谱仪可以兼具重建光谱仪高光谱分辨率优势以及傅里叶变换光谱仪固有的高光通量优势。利用构建的简易空间外差傅里叶变换光谱仪实验装置在520～530 nm光谱范围内进行验证实验。使用实验装置采集的不同单波长入射光光斑图像进行光谱校准实验，证明了傅里叶变换光谱仪可满足光谱重建理论必需的光斑与波长间唯一的一对一映射关系。随后，使用用于光谱校准的光斑图像进行光谱重建实验，实现了0.10 nm的光谱分辨率，相比通过傅里叶变换光谱仪原理得到的～5.65 nm光谱分辨率有明显提高。最后，使用额外采集的波长525 nm入射光光斑图像进行光谱重建实验，重建光谱中存在重建误差，且525 nm处光谱信号峰的半峰全宽（FWHM）～0.30 nm。光斑图像相关性分析显示，光谱重建受光斑图像采集过程中噪声和相邻波长入射光光斑图像高相似性的影响。尽管如此，重建光谱仍然可以反映入射光的光谱信息，且信号峰的FWHM小于傅里叶变换光谱仪原理得到的光谱，验证了将光谱重建理论应用于傅里叶变换光谱仪的可行性和高光谱分辨率优势。     

Hadamard变换光谱成像仪光谱复原矩阵修正算法

提出了基于数字微镜阵列(DMD)的Hadamard变换光谱成像仪编码模板的修正算法。利用原理样机获得了目标的光谱数据立方体,在分析DMD结构特点的基础上,建立了一种Hadamard变换光谱复原矩阵修正算法,用于修正DMD狭缝及像元尺寸与DMD尺寸不匹配对相关区域光谱数据产生影响。实验结果表明,修正算法提高了光谱图像的成像质量,同时保证了受影响区域复原光谱与未受影响区域复原光谱相似度达到98.88%以上。     

电热式微机电系统微镜傅里叶变换红外光谱仪

为了研制小体积、低成本、高分辨率的微型傅里叶变换红外光谱仪,通过选择电热式微机电系统(MEMS)微镜作为迈克尔逊干涉仪动镜,在满足了傅里叶光谱仪小型化、便携化的同时,利用折叠双S型Bimorph驱动结构来实现双倍位移量以确保较高分辨率,并将分束器外置来进行不同波段的灵活选择,进而实现全光谱范围的应用。以1 310 nm激光作为参考光光源,钨灯宽带光作为待测光源信号,通过信号采集、滤波、插值、光谱恢复步骤完成原始信号采集到光谱信号复原的过程。测试结果表明:电热式微镜的位移量可达到500 m,光谱理论分辨率1 nm,光谱仪整机尺寸小至62 mm62 mm28 mm。测试基线噪声为0.000 04,基线重复性为0.000 32,吸光度重复性为0.000 48。性能指标能满足食品安全、药品检测、石油化工等领域的光谱检测应用。     

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。     

Single-mode fibre Fourier transform spectrometer

A single-mode all-fibre Fourier transform spectrometer is described. A resolution of ?1 cm?1 (?0.7 ?) is demonstrated at 820 nm. The device can be configured as a remote gas sensor.     

结合频谱移位的二维傅里叶变换FPGA实现

在三维成像技术中,对图像进行傅里叶变换之后需要通过频谱移位将零频集中到中心位置。为了提高图像处理的运算速度,提出了一种结合频谱移位的二维傅里叶变换的FPGA实现方法,将频谱移位结合到二维傅里叶变换硬件系统中,在实现图像二维傅里叶变换的同时也完成了一半的频谱移位。采用ALTERA 系列EP4CE115F29C7芯片,针对256*256的图像实现设计,最高工作频率分别达到84.2MHZ;资源消耗为3849个LE。采用SignalTap II Logic Analyzer工具实时验证了模块的正确性。     

基于响应率修正的傅里叶变换光谱仪非线性校正算法研究

傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势,非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪（FY-4/GIIRS）运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点,推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法,通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率,拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后,利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数,就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空（TVAC）定标试验数据验证,该算法简单有效,在各试验环境温度工况下,对180～320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。     

FTIR光谱仪中傅里叶插值采样方法的研究

为解决传统Brault采样方法中参考信号过零点计算复杂、耗时较多的问题,提出了基于傅里叶插值技术寻找过零点的方法。通过与其他插值方法进行比较研究,结果表明,这种方法确保了过零点信息准确性的同时简化了数据处理的复杂度,得到的过零点信息线性拟合系数大于0.999。在2 100~2 200 cm-1波段范围内,当参考激光信号误差较小时,傅里叶插值方法得到的仪器SNR是三次样条插值法所得到的1.03倍,而线性插值方法与傅里叶插值方法得到的结果一致;当参考激光信号误差较大时,傅里叶插值方法得到的仪器SNR是线性插值方法得到的仪器SNR的1.05倍。