掃描式太赫茲成像系統(tǒng)的原理是：太赫茲激光器產(chǎn)生連續(xù)的THz激光,，光波首先通過斬波器，從而產(chǎn)生一系列的太赫茲脈沖,。為了消除太赫茲光的發(fā)散,，一般要采用一個(gè)聚乙烯透鏡準(zhǔn)直光路，將激光聚焦在待測樣品上,。樣品被置于一個(gè)由計(jì)算機(jī)編程控制的,、可沿x,，y方向掃描的線性步進(jìn)平臺上,，平臺載著待測樣品在光焦處二維移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)較好的成像效果,，系統(tǒng)通過一個(gè)透射率高,，損耗小的聚乙烯透鏡將帶有樣品信息的THz光聚焦在探測器上，將光波的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓值,；轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過采樣,、A／D轉(zhuǎn)化，然后傳輸給計(jì)算機(jī)構(gòu)建太赫茲圖像,。
這里的主要工作是利用凌華公司生產(chǎn)的PCI-9812采集卡" title="數(shù)據(jù)采集卡" target="_blank">數(shù)據(jù)采集卡,，針對美國相干公司生產(chǎn)的P4-42探測器，設(shè)計(jì)出用于太赫茲成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
l PCI-9812數(shù)據(jù)采集卡介紹
PCI-9812是臺灣凌華科技公司推出的基于32位PCI總線的四通道高速數(shù)據(jù)采集卡,，12位的模擬量輸入分辨率,，板內(nèi)帶有32 KB的FIFO緩沖器，最高采樣頻率可以達(dá)到20 MHz,，這就保證了數(shù)據(jù)采集電路較高的精度和速度,。它具有軟件觸發(fā)、前觸發(fā),、后觸發(fā),、中間觸發(fā)和延時(shí)觸發(fā)五種觸發(fā)方式，可以通過軟件編程選擇,。此外,，它還具有內(nèi)部脈沖、外部脈沖和外部正弦三種可供編程選擇的A／D時(shí)鐘源,。在本文的采集系統(tǒng)中,，采用了軟觸發(fā)的觸發(fā)模式，采用了內(nèi)部脈沖時(shí)鐘源,。
采集卡能達(dá)到的最高采樣率與采樣的通道數(shù),、采集的數(shù)據(jù)量以及PCI總線帶寬有關(guān)。當(dāng)單次觸發(fā)采集的所有通道數(shù)據(jù)總量不超過32 KB的FIFO緩存時(shí),，每通道都可以按最高的20 MHz A／D采樣速度來采樣,。當(dāng)數(shù)據(jù)總量超過32 KWord的FIFO緩存區(qū)時(shí)，要以DMA方式直接傳送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存,。在本文的采集系統(tǒng)中,，使用了一個(gè)通道，選擇的是通道0,，可供FIFO達(dá)到32 KB,，最大數(shù)據(jù)傳輸能力為40 MB／s。需要注意的是,，在電路連接時(shí)不僅要考慮PCI-9812輸入電壓的范圍,，還應(yīng)該考慮輸入阻抗的問題，PCI-9812具有四個(gè)能同時(shí)高速采集雙極性信號的A／D轉(zhuǎn)換器,，輸入電壓范圍為-1～+1 V或-5～+5 V,，可通過硬件的焊封進(jìn)行選擇，輸入阻抗也可通過電路板上的硬件焊封來選擇,?？梢赃x擇的阻抗值有：當(dāng)-1～+1 V輸入時(shí)的15 MΩ和50 Ω(默認(rèn)值)；當(dāng)-5～+5 V輸入時(shí)的1．25 kΩ和50 Ω(默認(rèn)值),。P4-42探測器采用的是15 V電壓源,，輸出電阻為50 Ω，其輸出最大電壓值約為12 V,，所以在連接采集卡前要串聯(lián)一個(gè)分壓電阻,。本文的采集卡輸入范圍為-5 V～+5 V,，輸入電阻為1．25 kΩ，串聯(lián)的分壓電阻為1．8 kΩ,。此時(shí),，輸入到采集卡的最大電壓值為4．84 V。
2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
PCI-9812采集卡支持VC／C++,，VB,，BorlandC++，Borland Delphi,，Labview等軟件開發(fā)平臺,，主要使用VC++6．0。主要包括掃描控制模塊,、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊,，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如圖1所示。對于逐點(diǎn)掃描的太赫茲成像系統(tǒng),，其成像過程就是一個(gè)循環(huán)掃描過程,。平臺載著待測樣品移動(dòng)到待測位置后，計(jì)算機(jī)控制THz源發(fā)射激光,，探測器接收光信號并轉(zhuǎn)換成電壓值,，數(shù)據(jù)采集卡采集電壓值，并傳輸給計(jì)算機(jī),，由計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，生成該位置點(diǎn)(x，y)的像素值并存儲,，然后再控制平臺移動(dòng)向下一個(gè)待測位置進(jìn)行掃描,。掃描控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對光路部分的控制，它主要包括了激光頻率的選擇,，斬波頻率的設(shè)置,，二維移動(dòng)平臺的設(shè)置等功能。為了保證各個(gè)像素點(diǎn)之間信息無錯(cuò)亂,，信息傳輸?shù)倪^程中就要確保二維平臺的移動(dòng)與數(shù)據(jù)采集記錄的同步,。計(jì)算機(jī)通過串口來控制平臺伺服系統(tǒng),，設(shè)置步幅和方向,。為了節(jié)省掃描時(shí)間，移動(dòng)平臺則采取“S”型移動(dòng),，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),，由參數(shù)z的符號決定平臺的移動(dòng)方向，將Z的初始數(shù)值設(shè)置為1,，通過Y+Z就可以得出此時(shí)采集點(diǎn)的準(zhǔn)確像素點(diǎn)坐標(biāo),，這就保證了計(jì)算機(jī)存儲數(shù)據(jù)的各個(gè)像素點(diǎn)(x,，y)與掃描樣品中各個(gè)投射位置是對應(yīng)的，不會(huì)出現(xiàn)像素點(diǎn)混亂的現(xiàn)象,。
數(shù)據(jù)采集模塊主要是編程驅(qū)動(dòng)采集卡工作,。首先利用Register_Card()函數(shù)對采集卡注冊，系統(tǒng)的BIOS將會(huì)返回一個(gè)PCI-9812的注冊號,，然后可以用AI_9812_Config()函數(shù)來完成采集卡的初始化,，設(shè)置采集的觸發(fā)模式、觸發(fā)源,、觸發(fā)后的采樣點(diǎn)數(shù)等,。設(shè)置這些參數(shù)后，可以使用激光器產(chǎn)生太赫茲激光,，在對每一個(gè)透射點(diǎn)掃描后,，調(diào)用AI_ContReadChannel()函數(shù)(采用多通道時(shí)應(yīng)該調(diào)用函數(shù)AI_ContScanChannels())啟動(dòng)對探測器輸出電壓值的A／D采樣，然后調(diào)用AI_AsyncCheck()函數(shù)查詢采集卡是否采樣完畢,。在采樣過程中,，采集卡自動(dòng)以DMA方式把采集到的數(shù)據(jù)寫入所申請的DMA內(nèi)存，計(jì)算機(jī)通過讀取DMA內(nèi)存來獲取掃描數(shù)據(jù),。在數(shù)據(jù)處理時(shí),，還要調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)AI_ContScale()將采集數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的電壓值。在掃描過程結(jié)束后,，采集結(jié)束時(shí),，要用AI_AsyncClear()函數(shù)停止采集卡，用Release_Card()函數(shù)釋放采集卡,。
數(shù)據(jù)處理模塊主要用于對各個(gè)點(diǎn)獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)比較分析,，構(gòu)建采樣物品的太赫茲圖像。太赫茲波對每個(gè)點(diǎn)掃描時(shí),，可以獲取的信息量是很大的,，可以通過分析光強(qiáng)、相位,、時(shí)間延時(shí)等來構(gòu)建采樣物品的圖像,，分析每個(gè)參數(shù)都要采用各自的算法。這里主要針對P4-42熱釋電探測器,，將太赫茲光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號,，因此本文通過分析電壓信號的峰峰值，來獲取樣品上每個(gè)點(diǎn)對太赫茲光波的吸收強(qiáng)度,，作為太赫茲圖像中各個(gè)像素的像素值,。在成像系統(tǒng)對各個(gè)位置點(diǎn)掃描后，得到格式為x*y*t的太赫茲成像數(shù)據(jù),，通過對各個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,?？梢缘玫酱郎y樣品的太赫茲灰度圖像。