阵列探测器在成像光谱偏振探测技术中的应用

李 芮，李 晓，王志斌，黄艳飞，王耀利，张 瑞

（中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，太原030051）

阵列探测器在成像光谱偏振探测技术中的应用

李 芮，李 晓*，王志斌，黄艳飞，王耀利，张 瑞

（中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，太原030051）

为了在成像光谱偏振仪中应用近红外焦平面阵列探测器，得到高质量图像信息，结合新型弹光调制型成像光谱偏振探测技术（PEM-ISP），提出了一种基于近红外焦平面阵列探测器的成像光谱偏振探测技术。系统采用FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器作为光学探测接收元件，采用高速现场可编程门阵列（FPGA）作为信号处理单元，做到对光学信号的快速采集与并行处理，满足高速、实时的信号传输与处理技术等要求。将经高速A／D采集得到的数据存储到FPGA外扩的静态随机存储器中，以保证数据的完整性。数据最终通过通用串行总线传至上位机，上位机通过LabVIEW实现图像还原。结果表明，该系统可以应用于PEM-ISP中，实现对测量信号的精确探测与采集，并得到完整的图像信息。

成像系统；三弹光调制器；成像光谱偏振探测技术；现场可编程门阵列

引 言

成像光谱仪和成像偏振仪是近些年来发展起来的两类光电传感器，成像光谱仪能够获得测量目标的图像信息以及光谱信息，成像偏振仪能够获得测量目标的图像信息以及偏振信息，将光谱探测功能和偏振探测功能集成到一个成像仪中则可以得到一类新的光电传感器，即成像光谱偏振仪［1］。这种成像光谱偏振仪在生物医学、测量、工农业、环境监测、天文学、军事科学等领域均具有较高的应用价值［2］。2013年中北大学WANG等人提出三弹光差频调制偏振测量技术，是将3个弹光调制器（photoelastic modulator，PEM）分别工作在不同的频率上，以实现对被测光的差频调制，与传统的弹光调制偏振测量技术相比，该方法在保留其原有优点的同时，大大减小了调制后的光电流频率，使其可与普通面阵探测器实现很好的匹配［3］。本系统在实现目标探测功能中使用的高分辨率近红外焦平面阵探测器，可使整个系统具有较高的探测率和精确度［4］。由于现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）采用并行方式处理数字信息，使用FPGA实现探测器的时序控制，可满足系统高精度的要求，且设计灵活，程序和模块可移植性强［5-7］。因此，本文中结合弹光调制型成像光谱偏振探测（photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter，PEMISP）技术，提出了一种基于FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器，以FPGA作为信号处理单元的成像光谱偏振探测技术，以得到近红外区域光源的图像信息、光谱信息以及偏振信息。

1 PEM-ISP基本原理

PEM-ISP系统图如图1所示。本系统中采用反射式光学成像系统，此成像方法光路简单、波长范围大、色差小，可以很好地降低系统本身对偏振光测量产生的影响；三弹光差频调制部分由3组弹光调制器PEM1，PEM2，PEM3构成，3组弹光调制器分别工作在数值略有差异的3个频率ω1，ω2和ω3上，其中PEM2与PEM3放置在PEM1前，PEM3与PEM1平行，PEM2与PEM1成45°，以实现对偏振光的差频调制，并产生载有被测目标偏振信息的低频调制分量（0；ω1－ω2；2ω1－2ω3），再通过相应的锁相放大技术，以弹光调制器的驱动信号作为参考信号，就可以从探测器的输出信号中一次测量获得Stokes矢量中的S＝（s1，s2，s3）；声光可调滤光片（acousto-optic tunable filter，AOTF）是利用声光衍射原理制成滤光片，用于成像，这里通过同步控制技术，使AOTF在一次调制周期内固定在某一个探测波段，当AOTF完成一次全波段调谐后，系统即完成对目标的图像、光谱以及偏振信息的测量［1，3，8-9］。

Fig.1 Diagram of PEM-ISP system

2 基于近红外焦平面阵列探测器的硬件设计

Fig.2 Design scheme of the overall system

本系统采用FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器作为光学信号探测接收元件，采用高速FPGA作为信号处理单元，做到对光学信号的快速采集与并行处理，采用高速A／D将FPGA控制探测器时序得到的模拟信号转换为数字信号，并存储到FPGA外扩的静态随机存储器（static RAM，SRAM）中，数据最终通过通用串行总线（universal serial bus，USB）传至上位机，上位机通过LabVIEW实现图像还原。系统整体设计图如图2、图3所示。

Fig.3 Photo of the system

2.1 探测器外围电路设计

FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器波长范围为0.9μm～1.7μm，输出电压范围为1.6V～4.8V，640×512的像素点使其具有较高的分辨率和精度。探测器共28个引脚，其中RESET_B，CLK，LSYNC，FSYNC，DATA，FIELD引脚引出，接到FPGA的I／O口上，便于对探测器进行时序控制；TEC－以及TEC＋引脚引出，便于对探测器进行温度控制，确保探测器工作于较为安全的温度环境；VOUTREF引脚为探测器输出参考电压引脚，通过滑动变阻器实现外接1.6V电压输入；VOS引脚为略读控制电压引脚，电压输入范围为1.6V～5.5V，应与探测器寄存器中OE-EN位配合使用，这里通过滑动变阻器实现3.6V电压输入；VDETCOM引脚为探测器基准电压引脚，电压输入范围为2.7V～5.5V，VREF引脚为CTIA放大器参考电压引脚，电压输入范围为2.2V～3.2V，这两个电压共同作用决定探测器偏置电压，这里分别通过滑动变阻器实现3.2V以及2.6V电压输入；探测器可选1路、2路、4路信号输出，这里选用1路输出模式，由OUTA引脚输出，其它输出引脚悬空。具体电路图如图4所示。

Fig.4 External circuit of the detector

2.2 A／D模块电路设计

Fig.5 Circuit of the AD module

A／D模块采用了ADI公司生产的12位高速A／D转换器AD9220，其最高采样速率可达10MHz， AD9220有直流耦合和交流耦合两种输入方式，系统设计采用直流耦合、0V～5V电压的输入方式，采用内部2.5V参考电压，由于系统垂直分辨率只需255级，故采用AD9220的高8位［10］。具体电路图如图5所示。

3 基于近红外焦平面阵列探测器的软件设计

FPA-640×512 InGaAs探测器有默认模式以及控制模式两种工作模式，在默认模式下，设备为标准的640×512格式成像、1路输出、全帧隔行扫描、正常扫描顺序；在控制模式下，FPGA通过设备内部的串行控制寄存器，将一系列命令发送到设备中，此时允许访问设备所有高级功能，可选窗大小、输出模式、扫描顺序等。这里选用控制模式，并通过FPGA控制探测器DATA引脚，在每个帧信号上升沿后3个时钟周期，向探测器中写入一系列命令，将探测器设置为标准640×512成像格式、1路输出、非隔行扫描、正常扫描顺序等。RESET_B信号用于控制探测器复位，应在power up时使其保持低电平，power up后将其拉高。FIELD信号用于全帧隔行扫描模式下，控制奇数场以及偶数场扫描，本系统中采用非隔行扫描模式，故使其保持低电平即可。CLK，LSYNC，FSYNC信号根据帧时间Tf以及行时间Tl计算公式进行控制：

式中，M为行数，N为列数，Ta为模拟设置时间。通过quartus II对上述时序控制工程进行仿真，截取其中部分仿真图如图6所示。

Fig.6 Timing and sequency simulation of the detector

4 实验测试

系统中采用256kbyte×16高速SRAM芯片IS61LV25616，并在数据前后分别插入两个字节的标识符，便于LabVIEW取得完整的1帧数据。在Lab-VIEW程序中，首先通过while循环从USB读取2帧大小的数据，以确保所读取数据中含有完整的1帧；通过查找的方式找到帧头和帧尾标识符后，将数据排列成数组，并在前面板进行图像还原。在这里做了相关的成像实验，获得的图像如图7、图8所示。

Fig.7 Restored image 1 with LabVIEW

Fig.8 Restored image 2 with LabVIEW

通过图像可以看出，FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器成像效果良好、分辨率较高，证明了其在此成像光谱偏振探测技术中应用的可行性。

5 结 论

提出了FPA-640×512 InGaAs焦平面阵列探测器在结合PEM-ISP的成像光谱偏振探测技术中的应用，并对PEM-ISP进行了简要介绍。在对近红外焦平面阵列探测器的结构和特点进行了分析的同时，着重介绍了近红外焦平面阵列探测器的硬件驱动电路以及时序设计部分。通过实验可以证明此近红外焦平面阵列探测器对测量目标具有良好的探测率和分辨率，并且可以成功应用于PEM-ISP中，完成对测量目标的图像等信息的测量。

［1］ WANG X Q，XIANG L B.Polarimeter research imaging spectrometer［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2011，31（7）：1968-1974（in Chinese）.

［2］ XIANG L B，ZHAO B C，XUEM Q.Spatially modulated interference imaging spectrometer［J］.Optics，1998，18（1）：18-22（in Chinese）.

［3］ CHEN Y H，WANG Zh B，WANG Z B，et al.Elastic light modulation type polarization imaging spectrometer instrument precision detection of the polarization information［J］.Acta Physica Sinica，2013，62（6）：060702（in Chinese）.

［4］ TAN Y，HE JF，REN Y J，et al.Fast photoacoustic imaging systems based on rotating multi-element linear transducer array［J］.Laser technology，2009，33（3）：300-302（in Chinese）.

［5］ FU Q.FPGA-based image processing algorithm and and hardware design［D］.Nanchang：Nanchang University，2006：17-47（in Chinese）.

［6］ ZHONG J，WENG JD，LUO ZX，etal.Study on stray facula of array CCD detector irradiated by laser pulse［J］.Laser Technology，2010，34（6）：836-838（in Chinese）.

［7］ LE Y F，SHIY，JU A D.Design of heterodyne interferometer signal detectors［J］.Laser Technology，2012，36（6）：759-762（in Chinese）.

［8］ PU JP.Gaze cameras for large field of off-axis three anti-optical system［D］.Beijing：Chinese Academy of Sciences，2006：26-34（in Chinese）.

［9］ WANG Zh B，ZHANG R，ZHAO D E，et al.Photoelastic modulation difference frequency polarization measurements and error analysis［J］.Optics and Precision Engineering，2013，21（4）：876-883（in Chinese）.

［10］ GUO X H，CHEN PP.Based on MCU and FPGA design simple digital storage oscilloscope［J］.Foreign Electronic Components，2008，10（6）：39-42（in Chinese）.

Application of array detectors in imaging spectrometer polarization detection technique

LI Rui，LI Xiao，WANG Zhibin，HUANG Yanfei，WANG Yaoli，ZHANG Rui
（Engineering Technology Research Center of Shanxi Province for Opto-Electronic Information and Instrument，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In order to apply near-infrared focal plane array detectors in imaging spectrometer polarization instruments to get the high-quality image information，a new type of imaging spectrometer detection techniques on basis of near-infrared focal plane array detectors was proposed combining with a photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter（PEMISP）.A FPA-640×512 InGaAs focal plane array detector was used as an optical detector receiving element and a high speed field-programmable gate array（FPGA）was used as the signal processing unit to get fast acquisition and parallel processing of the optical signal and meet the other requirements of the high-speed，real-time signal transmission and processing.The data collected by the high-speed A／D was storaged in the expanding outside SRAM of the FPGA in order to ensure the data integrity.And then，the data was ultimately transmitted to the host computer via USB for image restoration.The experimental results show that the system can be applied to PEM-ISP，achieve accurate detection and acquisition of the measurement signals and get complete image information.

imaging system；three bombs light modulator；imaging spectrometer polarization detection technique；fieldprogrammable gate array

TN215；O436.3

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.021

1001-3806（2014）06-0822-04

国家自然科学基金资助项目（61127015）；国家国际科技合作专项资助项目（2013DFR10150）

李 芮（1989-），女，硕士研究生，主要从事光电探测技术方面的研究。

*通讯联系人。E-mail：34782540＠qq.com

2013-12-11；

2013-12-27