基于CCD与DSP的太赫兹实时成像系统

【摘要】针对目前对THZ成像快速低噪的要求设计了一套以DSP为核心的THz实时成像系统，它采用电光晶体EO和CCD实现实时成像采集， 使用CPLD进行图像数据的缓冲和采集控制逻辑，选择TI公司的TMS320DM642作为核心器件对图像信息进行处理。THz波具有独特的低能性和穿透性，所以THz成像技术在无损检测、安全检查、医学成像及食品生产质量监控等领域将有很大的应用前景。

【关键词】THz成像;CCD;DSP;CPLD

引言

太赫兹（THz）辐射是从0.1到10电磁辐射（1THz所对应的波长为0.3毫米）。太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中最具应用前景的发展方向之一。成像技术的进一步发展需求高功率，便携式，可调谐的辐射源。宽频谱，高灵敏度，低噪声的探测器和快速，高效的数据处理方法 [1]。目前，成像还是一项新兴的技术，在国内更是刚刚起步，因此对成像系统的关键技术进行全面研究，对深入探索和有效利用这一前沿技术具有指导意义。

本课题采用面阵CCD采集THz作为辐射源的成像信息，选择TI公司的TMS320VC642作为核心器件，采用近年来发展起来的数字图像处理技术，设计了从图像采集到图像输出的THz实时成像系统。该系统试图将光、电技术更好的结合起来，具有高效快速的特点。

1.系统设计

系统的原理框图如图1所示。THz光源照到样品上，经光电晶体转换后，映射到CCD图像传感器的光敏阵列上，通过CCD内部将光信号转化为电信号，当时序发生器对其施加特定的时序脉冲时，每个像素的电荷信号将被依次移出CCD并经滤波放大等预处理后变成电压幅度不等的模拟信号，A/D单元将CCD输出的PAL制式的信号转化为数字信号，由CPLD+DSP实时采集，并依据需要对采集的图像进行实时处理。

图1 系统框架原理图

由于CCD不能捕捉到THz信号，为此必须加一块电光晶体，使信号进行频率下转换[2]。整个系统的工作过程是这样的：探测光脉冲经过光栅对色散后在频域展宽，利用电光晶体将THz波形编码到展宽的光脉冲上，就可在CCD上一次性探测到THz的波形。

2.系统硬件组成及实现

2.1 图像采集模块

本模块采用CCD摄像头作为图像采集设备。CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是一种光电转换器件，由一系列排列的很紧密的MOS电容器组成。突出特点是以电荷为信号，实现电荷的存储及转移[3]。由于CCD输出的是模拟信号，不能被DSP直接处理，所以需将复合模拟信号通过SAA7113H解码之后将数字视频信号送给DM642进行图像处理。SAA7111是支持双通道视频输入含有反混叠滤波器，AD转换器，自动增益控制，和时钟产生，能够对各种视频标准进行解码如（PAL BGHI，PAL M，PAL N，combination PAL N，NTSC M，NTSC-Japan，NTSC N and SECAM），同时，还具备亮度，对比度，饱和度控制。支持4路模拟视频输入，其内部有模拟源选择器，可以自动探测50Hz，60Hz场频信号。

2.2 图像处理模块

基于DSP的图像处理模块是本系统的核心单

元[4]，该单元主要包括核心处理芯片TMS320DM642，存储器，CPLD以及它们之间的接口。TMS320DM642是在TMS320C6000 DSP平台上的高性能定点DSP，DM642在主频720MHz下处理速度达到5760MIPS，具有64个32位字长的通用寄存器和8个独立的功能单元――两个结果为32位的乘法器和6个ALUs，DM642每周期能够提供4个16位MACs，每秒可提供2880百万个MACs，或者8个8位MACs，每秒5760MMACs。DM642使用两级缓存，有一个强大的多变的设置。DM642具有3个可配置视频端口（VP0，VP1，VP2）。这些视频端口给公共视频编解码设备提供了直接接口。TMS320DM642的I2C0口使得DSP很容易得控制器件和与主机的通信。DM642具有一整套开发工具，包括：新的C编译器，可以简化编程和时间的代码优化器和具有执行代码可见性的Windows 调试器接口。

系统的核心控制部分由CPLD芯片实现。CPLD和DM642板之间有握手信号（同步通讯时采用的一种同步传输方式）即发送机每次发送半个字节（低4位）的数据，而另外半个字节（高4位）则用来传送信息。当RAM存完一帧后，由CPLD发出信号，通知DSP从RAM中取数据;读数据点同步信号（采样点中断信号）由CPLD产生，可依据需要而定;在视频采样的间隙，DSP利用其高性能资源，进行数据处理，并将数据输出;为了避免由于从DM642的数据接口读数据周期过长造成流水线阻塞不能和视频数据流电信号同步，需要对视频解码器的数字视频图像输出数据进行缓冲，将存下来的数据按照DM642板的数据接口对读数据频率进行采样，采集数据的过程可以按照中断方式实现[5]。

3.软件设计

本部分主要介绍一下以DSP数字信号处理器为核心的数据处理程序，由DSP决定是否启动ccd工作，启动CCD工作以后，CCD对图像信息进行采集然后对采集的图像信息进行预处理送到dsp中对其进行处理分析，最后把处理结果传给上位机。

如图2所示是DSP数字信号处理器为核心的数据处理程序流程图，C语言构成程序的主框架。由于测得的光信号的数字化信号往往带有电路噪声等随机误差，为了使这些数据能更好地反映实际情况，必须对它们进行一定的预处理，这样才能作为数据处理软件进一步计算的数据。复位脉冲ΦR每到来一次CCD传感器将输出一个光积分信号，DSP处理器片内的模数转换器ADC对该信号进行模数转换处理。光敏单元信号的输出及模数转换器处理在时间上须同步。DSP处理器定时器的比较匹配信号可作为的数模转换模块的启动信号源，只要通过软件设置ADC的控制寄存器相应的控制位，置定时器的比较匹配信号启动模数转换，即可达到光积分信号及模数转换器同步的目的。

图2 程序流程图

4.结论

本文提出的太赫兹成像实时采集处理系统，以DSP（TMS320DM642）为核心处理器，面阵CCD实现图像的采集，系统AD转换部分由SAA7111实现，控制部分由CPLD实现，DSP响应中断实现数据的转移、存储和处理。采用CPLD+DSP实现视频信号数据采集和处理，能提高系统性能，同时具有适应性与灵活性强，设计、调试方便等优点，对于太赫兹成像的实际应用如安全检查，医学成像等具有一定的意义。

参考文献

[1]赵国忠.太赫兹光谱和成像应用及展望.现代科学仪器[J].2006（2）：36-40.

[2]Sun F G，Jiang Z and Zhang X-C 1999 Analysis of terahertz pulse measurement with a chirped beam Appl.Phys.Lett.73 2233-5.

[3]蔡文贵.CCD技术及应用[M].北京：电子工业出版社，1992.

[4]李，赵群飞等.面向高分辨率面阵CCD的新型信号采集系统设计[J].电子技术应用，2005（2）.

[5]PETERS W H，RANSON W F.Digital Imaging Technique in Experimental Stress Analysis[J].Opt Eng，1982，21（3）：427-431.

作者简介：冯艳平（1983―），女，硕士，助理讲师，研究方向：THz成像技术及图像处理。