0 导言
在各类光谱测验中，对光谱数据收集的速度都有不同的要求，故进步光谱数据收集速度的技能首要有以下两大方向：一是经过光学办法完结，将传统时刻扫描改成空间成像，由此可大幅进步干与条纹收集速度［1］；二是经过数据收集算法完结［2］，运用高效算法完结数据快速运算。关于静态干与体系而言，静态干与条纹的收集是直接获取图画完结的，不需求机械扫描，所以大幅进步了速度。其将待测光以静态干与条纹的办法成像在CCD上，由此空域到频域完结了光谱散布的核算［3-6］。可见限制干与体系数据处理才能的首要是体系硬件部分和处理算法的好坏。
FPGA作为依据硬件编程的数据处理芯片，在很多光谱数据处理方面具有显着的特色与优势［7-10］。由于FPGA处理速度快、功耗低，所以被广泛用于信号处理等。静态光谱数据的运算与处理耗时最多的是傅氏改换运算部分，其包含了乘法运算和搬运匹配处理，故运用FPGA完结可尽量确保体系的运算实时性。经过FPGA规划完结对芯片资源运用率的最优化，这样能够在不下降运算速度的前提下最大程度地节省本钱。
为了将静态干与条纹的空域信息经过算法转换为频域信息，本文研讨了适用于FPGA的干与条纹数据收集与处理体系，该体系速度快、安稳性高，具有高效性、安稳性的特色［11-12］。相比之下，FPGA比Xilinx更快，资源运用率更高。将本体系与MATLAB仿真成果进行比照可知，本体系光谱数据核算作用更好、差错更小，具有更好的运用远景。
1 体系规划
光谱数据收集与处理体系如图1所示。首要，光学接纳模块收集入射光，经准直后进入静态干与棱镜中，发生静态干与条纹，再经过CCD传感器完结对干与条纹的收集。CCD的收集速度由FPGA决议，确保收集与体系运算的同步性，当干与条纹数据进入FPGA处理模块后，完结对初始光的光谱重建。由傅氏改换联系可知，入射光的两束分束光经过准直透镜今后被别离，然后构成干与进程需求的两束光，这两束光终究会聚到了一同，由于不同的光程差而构成干与条纹。FPGA对干与条纹收集并处理，包含滤波、降噪、FFT、光谱方位标定等，终究完结将频域信息转换成光谱信息。
FPGA的运算速度快，适宜光谱的快速核算，FPGA内部逻辑规划十分重要，其决议了体系是否能够高效地完结数据收集与处理。FPGA的运算数据处理部分首要对空域信息进行解算，然后完结对频域信息的核算，是进步其运算处理才能的首要手法。FPGA的数据处理需求从操控CCD探测器开端，对数据的高效核算包含干与条纹收集、数据傅氏改换、光谱方位标定等，经过以上思路完结了对FPGA硬件模块结构的规划，如图2所示。
整个光谱数据收集与处理体系能够分为三个部分：数据收集区、数据处理区和数据显现单元。（1）数据收集区，该区域经过驱动操控电路使CCD探测器将干与条纹传输给存储器，存储器选用双口RAM规划，以便完结数据的高速输入与输出，将实部与虚部分开发送给FFT运算器；（2）数据处理区，该区域将数据中实部和虚部别离进行数据蝶形运算，再对蝶形运算成果进行乘法混合，为了进一步进步体系处理才能，与双端口RAM进行更好的合作，选用了并行数据输入输出的方式完结，光谱方位的标定经过Square root模块完结，大大进步了体系的处理才能；（3）数据显现单元，该单元将处理完结的数据经过预先设定的接口完结数据的输出与显现。
2 收集接口规划及仿真
为了完结快速获取光频谱信息，需求干与条纹的收集速度大于处理速度，一起，还需求将采样数据与处理数据进行匹配。可见，在完结FFT进程中，需求进步数据的传输速率。在本体系中，数据处理模块为了确保FFT运算进程的连续性，体系数据传输速率设置为3.0 MHz（读）和1.5 MHz（写）。由此可见，读写选用异步RAM完结，数据深度均为10位。输入选用“addra”和“addrb”、时钟选用“clka”和“clkb”、数据输出选用“doutb”完结。则其异步存储模块的仿真成果如图3所示。
在光谱数据收集模块中，选用TOSHIBA公司的TVD-2712型CCD传感器，位深设置可选8 bit、10 bit、12 bit，位深越深对应的光谱量化差错越小，可是其数据总量越大，所以经过不同位深的仿真核算，能够优化位深的挑选，然后确认体系数据转换位深设置。当处理体系的位深选用10 bit时，时钟频率为150 MHz，则CCD图画传感器的最高收集频率能够到达10 MHz，由此可见，规划20分频的体系分频结构具有较好的匹配作用。首要，运用Verilog触发体系操控端，构成驱动信号操控，然后在Modelsim6.0中仿真，仿真成果如图3所示。依据仿真成果可知，规划的时序逻辑联系与拟选用的CCD逻辑时序是共同的，体系构成的读写异步RAM可完结体系光谱数据的收集与处理，对静态干与条纹的收集、传输、处理具有高效性。
3 处理模块规划及仿真
光谱数据处理选用Virtex 2-Pro型嵌入式处理芯片完结，流水线处理形式，位深挑选10 bit，FFT在FPGA的IP核中完结，输入选用“xn_im”和“xn_re”，起始信号为“start”，输出信号选用“xk_im”、“xk_re”、“xk_index”、“xk_index”完结实部虚部信息的输出。运算流程为基-2时刻型。FPGA的时序联系仿真成果如图4所示。
在该运算器中，经过两个辅佐的RAM能够完结对改换成果的存储，运用RAM减小对进步FPGA资源运用功率，然后进步体系的处理才能。体系由两个硬件乘法器、四个储存器完结了光谱数据的蝶形运算与光谱方位标定，一起，该办法还有效地进步了体系的数据处理速率，在100.0 MHz的作业基频下，完结1 024点FFT仅需33 μs。一起，还在仿真中对不同位深数据进行了测验，仿真成果表明，位深首要影响体系的处理速度，8 bit速度最快，12 bit速度最慢，但8 bit的反演成果波长振幅下降，信噪比低；10 bit与12 bit的振幅和信噪比附近，但12 bit运算时长显着增加，为了确保反演的实时性，终究选用10 bit，鄙人面的试验中将进行进一步比照。
4 试验
4.1 试验条件
整个体系由激光光源、CCD传感器、干与棱镜、高速数据收集卡、FPGA开发板组成，核算机完结在片编译及仿真剖析；激光器的中心波长是980 nm，供给安稳的待测激光；干与棱镜选用两个直角棱镜的组合，其间一个存在等效斜契角0.10°；示波器收集操控信号；TVD2712型CCD传感器收集静态干与条纹，该CCD的光谱规模为320～1 100 nm，单个像元尺度为8 μm×8 μm。体系全体结构如图5所示。
4.2 位深比照试验
在仿真剖析后，经过构建硬件测验体系完结对中心波长980 nm激光的光谱恢复。在测验前，设定了适宜的位深格局数据，再完结对光谱数据的测验。试验对数据的位深是调试后选定的，针对8 bit、10 bit和12 bit的测验数据成果可知，不同位深测验得到的中心波利益振幅不同，完结时刻不同，测验成果如图6所示。
位深档位不一起，从8 bit调整为12 bit时，经傅氏改换后的中心波利益主峰振幅不断增大，信噪比更高，但改动进程逐步趋缓；当位深增大时，测验得到的中心波长方位不变，半宽也没有显着改动；一起，当位深增大时，运算时刻却显着进步，体系整体运算时刻从约1 200个机器周期增至5 200个机器周期。可见，单纯经过进步位深不会改动中心波长方位和半宽，但其能够使光谱振幅得到进步，然后进步信噪比。但价值是体系的运算时刻进一步增加，不利于体系的实时处理。所以位深的设置需求归纳考虑，体系终究选用10 bit的位深，一起确保体系必定的信噪比和处理速度。
4.3 频谱比照试验
在位深测验完结的基础上，别离对两种不同处理办法一起针对980 nm进行比照剖析，剖析体系光谱恢复处理作用，与传统的MATLAB软件光谱反演办法进行比照。体系取得的静态干与条纹如图7（a）所示，经过FPGA恢复得到的实部与虚部数据如图7（b）所示，经过MATLAB恢复得到的实部与虚部数据如图7（c）所示。
如图7所示，图7（a）表明由干与棱镜取得的静态干与条纹，该干与条纹由FPGA收集并传输到收集卡，再经过传输接口完结与电脑的数据交互。图7（b）和图7（c）是对同一组光谱数据的恢复成果，FPGA与MATLAB的光谱反演中心波长方位相同，差错小于0.2 nm；但FPGA取得的振幅峰峰值要略优于MATLAB，由于其叠加作用更为显着；FPGA取得的数据噪声均值不如MATLAB的测验数据；10 bit位深条件下FPGA的整个数据处理周期为55 μs，而MATLAB的整个数据处理周期为610 μs，可见，选用本体系与传统处理算法上光谱反演作用根本共同，而在处理速度上得到了大幅进步，阐明体系规划契合规划要求。
5 定论
针对干与条纹数据处理中处理作用与处理速度之间的对立问题，规划了一种依据FPGA的快速静态光谱恢复体系。规划了FPGA的收集与处理硬件模块，经过FPGA实时操控CCD传感器快速获取干与条纹，再经处理模块完结蝶形运算与光谱方位标定等。经过对收集、处理部分的规划与仿真，经过时序逻辑联系成果验证了本体系的可行性。在比照了不同位深对体系恢复作用的基础上，挑选了10 bit的作业形式，并与MATLAB测验数据比较验证了本体系的精度与特性，阐明其具有较好的运用远景。
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