靜態(tài)邁克爾遜干涉儀是在傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上改進的一種空間調(diào)制型光譜獲取裝置,，將傳統(tǒng)動鏡采用一個傾斜很小角度的靜鏡代替，從而產(chǎn)生聯(lián)系變化的光程差,，最終獲得待測光源的光譜信息,。由于其沒有機械移動或掃描結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)簡單緊湊,，同時具有良好的穩(wěn)定性,、抗震動和抗干擾能力，這為其應(yīng)用在更廣泛的生產(chǎn)生活領(lǐng)域提供了有利條件[1-2],。與此相似的靜態(tài)型光譜儀還有靜態(tài)傅里葉變換光譜儀[3],、沃拉斯頓分光光譜儀[4]、靜態(tài)Sagnac三角光譜儀[5],、光柵光譜儀[6]等,。無論哪種靜態(tài)光譜儀都需要一個能夠?qū)崟r采集干涉條紋并且實時處理分析，得到光譜數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng),，否則將喪失靜態(tài)光譜儀的一大優(yōu)勢——實時性,。如果想實現(xiàn)實時處理的功能,，要求在采集數(shù)據(jù)及處理分析算法都相應(yīng)提高,，這也是本文的主要研究內(nèi)容。

    FPGA(Field Programmable Gate Array)為現(xiàn)場可編程門陣列器件[7],，是在GAL,、PAL、CPLD等可編程芯片的基礎(chǔ)上更集成化的產(chǎn)物,。由于其本身就是硬件,，所以具有數(shù)據(jù)處理快、靈活性高,、集成度好等優(yōu)點[8],。它克服了定制電路的缺點，又解決了原有可編程器件的門電路數(shù)有限的問題,，從而被廣泛地應(yīng)用在數(shù)字信號處理領(lǐng)域,。          目前，對于靜態(tài)干涉條紋的采集及處理,，主要有三種處理手段： (1)干涉條紋灰度數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳遞給PC機[9],，采用MATLAB、LabVIEW等分析軟件實現(xiàn)對干涉條紋的光譜分析,； (2)采用定制的專用FFT芯片[10],，再從CCD等光電器件輸出后直接進入FFT芯片完成數(shù)據(jù)處理；(3)采用可編程數(shù)字器件,，如DSP,、FPGA等,，通過編程實現(xiàn)采集干涉條紋及FFT等算法的數(shù)據(jù)處理[11]。三種方法各有特點,，方法(1)使用簡單,、在PC機上實現(xiàn)的功能全，但不能脫機工作,、系統(tǒng)復(fù)雜,，便攜性差；方法(2)結(jié)構(gòu)緊湊,、效率高,、實時性好，但靈活性差,、可移植性差,，并且對于大點數(shù)的FFT不適合采用此法；方法(3)從靈活度,、結(jié)構(gòu)性能,、可移植性等方面看都相當適中，是目前應(yīng)用開發(fā)較多的一種形式,。針對本系統(tǒng)研究內(nèi)容要求較高的實時性,，選用硬件編程器件FPGA作為數(shù)字信號處理芯片，可以實現(xiàn)更高速,、更靈活的系統(tǒng)性能,。
1 靜態(tài)邁克爾遜干涉儀的原理及結(jié)構(gòu)
    靜態(tài)邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。靜態(tài)邁克爾遜干涉系統(tǒng)是在傳統(tǒng)邁克爾遜干涉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，將原有動鏡變?yōu)閮A斜一定角度的固定反射鏡,，如圖中反射鏡1所示。當光線1入射系統(tǒng)后,，由分束鏡分為兩束光,，一部分由反射鏡1反射回柱面鏡，這束光由于反射鏡1存在一定的夾角而非原路返回,，其會與光線2經(jīng)反射鏡2反射的光線發(fā)生相干,，形成干涉條紋。其他光線也以此類推,，與其他光線發(fā)生干涉,，最終在整個柱面鏡上形成靜態(tài)干涉條紋,再由柱面鏡匯聚到CCD上，采集得到干涉條紋的灰度數(shù)據(jù),。CCD采集的數(shù)據(jù)傳入FPGA中,，在硬件FPGA芯片中完成干涉條紋的濾波、去噪，再通過FFT算法將干涉條紋中的頻譜信息提取出來,，最終顯示出其結(jié)果,。

    在實際情況中，干涉條紋通過引入修正因子,，可將光源強度表示為:

2 FPGA處理系統(tǒng)
2.1 總體設(shè)計
    對于傅里葉變換的光譜獲取需要進行實時處理,，即當?shù)玫焦庠锤缮鏃l紋的信號后，處理系統(tǒng)需要在處理當前數(shù)據(jù)時同時接收下一幀的干涉條紋數(shù)據(jù),，這就需要系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)處理能力,。可編程邏輯器件FPGA具有高速并行處理能力,，可完成系統(tǒng)實時采集及處理的要求,。干涉條紋的灰度數(shù)據(jù)由CCD探測器采集傳入FPGA芯片中，在芯片中完成濾波去噪,、快速傅里葉變換,、相位校正及標定等算法。系統(tǒng)采用AViiVA M1型線陣CCD探測器,包括1 024個像元,，8/10 bit數(shù)字輸出,可探測波長范圍為400~1 100 nm,。設(shè)計了實時光譜采集及片上處理的系統(tǒng)，其原理圖如圖2所示,。

　　模塊一為干涉條紋的采集部分,，由驅(qū)動控制對AViiVA M1型線陣CCD探測器進行時鐘脈沖的提供和控制。當系統(tǒng)開始運行時,，其提供起始控制信號（st）,、時鐘信號（clk）,、觸發(fā)信號（trgi及trgd）等,。模擬輸出信號可通過示波器觀察采集得到的靜態(tài)干涉條紋，數(shù)字化后傳給FPGA,。模塊二為光譜分析處理模塊,，為了使處理速度達到較高水平，設(shè)計了串并轉(zhuǎn)換方式,，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入雙端口RAM緩存中,，當FPGA芯片控制數(shù)據(jù)并行讀取時，數(shù)據(jù)輸入FFT模塊并處理,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換,。變換后的頻譜信息經(jīng)過預(yù)先編寫的相位校正和光譜標定程序而獲得準確的光譜分布。
2.2 切趾處理
    由于傅里葉變換過程是針對無限大數(shù)據(jù)的,，但實際輸入的數(shù)據(jù)量是有限的,，所以干涉圖樣的采樣就相當于與一個矩形函數(shù)相乘，也就是頻域中光譜和矩形函數(shù)的SINC卷積。但由于這樣做會導(dǎo)致光譜的失真變形,，所以通常采用加窗的處理方式,，窗函數(shù)選取的好可以使光譜盡量少地泄露。
    在MATLAB仿真軟件中,，通過對一組660 nm激光干涉條紋數(shù)據(jù)進行加窗處理,，分別采用漢明窗、三角窗,、加布萊克曼窗與不加窗的情況進行對比,，得到如圖3所示的頻譜相應(yīng)。
    切趾函數(shù)的選擇需要注意主瓣寬度盡量窄,，旁瓣幅值盡量低,。由圖可以看出，加三角窗中心處產(chǎn)生隔斷,，而加布萊克曼窗時峰峰值受到抑制,，相比之下，加漢明窗比較理想,，所以本系統(tǒng)中采用漢明窗,。窗體程序是先由MATLAB計算漢明窗的值并用二進制補碼表示，然后在FPGA的某一個ROM存儲器中存放初始化的窗函數(shù)值,，最后通過乘法器完成切趾功能,。
2.3 FFT算法模塊

    FPGA設(shè)計過程中通常采用VHDL或Verilog HDL編寫硬件語言實現(xiàn)時序及邏輯電路。但當輸入的數(shù)字信號相對復(fù)雜時,采用該種方法對編程帶來的難度也會加大,，硬件工作效率會有所降低,。所以在面對復(fù)雜問題時，通常采用IP核或者System Generator等算法軟件,。本文采用IP核完成快速傅里葉變換,，采用全精度不縮減及縮減定點算法完成1 024點干涉條紋數(shù)據(jù)的傅里葉變換。本系統(tǒng)采用基2算法結(jié)構(gòu),，16 bit數(shù)據(jù)輸入與輸出,，通過設(shè)置SCH值確定每級運算后的右移位數(shù)?；?算法在整個運算過程中只需采用一個蝶形單元,，當?shù)谝患墧?shù)據(jù)輸入運算模塊后，下一級的數(shù)據(jù)將被放入雙端口RAM中,采用乒乓緩存操作處理可以提高工作效率,，同時,，節(jié)約了FPGA的片上資源，實際只需3個硬件乘法器加3塊雙端口RAM即可實現(xiàn)高速運算,，以50 MHz為例,，進行1 024點的快速傅里葉變換只需要100 μs左右。
3 實驗
    按以上要求搭建實驗平臺分別采用靜態(tài)邁克爾遜干涉儀、Atmel公司的AViiVA型12 bit深的線陣CCD探測器,、Xilinx公司Virtex VP40型芯片,檢測光譜范圍為300～1 200 nm,，采用1 024個單元作為采集單元，分辨率為10 bit,光源選擇FLDT3V10A-LD型660 nm紅光激光器,。
    通過采集干涉條紋,，經(jīng)濾波、去噪,、快速傅里葉變換算法,、相位校正、光譜標定等程序功能后,，實驗的5組數(shù)據(jù)如表1所示,。對比光譜分析儀選用布魯克公司的Q2-ION型光譜儀。

    分析表1可知,，采用本系統(tǒng)得到的光譜分布相比Q2-ION型光譜儀的精度略低一些,，但其多次檢測產(chǎn)生的最大誤差也在3%以下，說明可以基本準確地得到干涉條紋的頻譜信息,。并且相比Q2-ION型光譜儀而言,，由于是采用FPGA硬件編程實現(xiàn)，所以在處理速度上要優(yōu)于該產(chǎn)品,，整個系統(tǒng)周期小于1 s,，適應(yīng)高速實時的處理系統(tǒng)。
    為了提高光譜分析儀器的速度,設(shè)計了一種基于FPGA硬件編程完成干涉條紋到光譜分布的處理系統(tǒng),。系統(tǒng)采用濾波,、去噪、切趾等處理干涉條紋信息,，然后通過快速傅里葉變換完成時頻變換,，再由相位校正及標定最終輸出準確的光譜信息。實驗采用靜態(tài)邁克爾遜干涉儀,、660 nm半導(dǎo)體激光器,、線陣CCD探測器等完成,，與Q2-ION型光譜儀的實驗數(shù)據(jù)進行對比,。實驗結(jié)果顯示，誤差均在要求范圍內(nèi),，同時,，本系統(tǒng)還具備處理速度高、實時性好,、靈活性強的優(yōu)點,。
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