《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的光譜儀動(dòng)態(tài)基線補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
于呈豪,薛萌,石朗杰,郭漢明
上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院
摘要: 線陣型CMOS光電圖像傳感器具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍大、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于便攜式光譜儀的開發(fā)中。為解決由CMOS圖像傳感器暗電流變大而造成的光譜儀基線漂移問題,設(shè)計(jì)一種基于FPGA的光譜儀動(dòng)態(tài)基線補(bǔ)償系統(tǒng)。系統(tǒng)利用傳感器預(yù)留像素計(jì)算得到該幀圖像的基線值并進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋,使用高性能運(yùn)算放大器、差分放大器設(shè)計(jì)電壓跟隨電路、基線補(bǔ)償電路和單端轉(zhuǎn)差分電路對(duì)CMOS模擬信號(hào)進(jìn)行處理并進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換,選用精密DAC芯片實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋基線補(bǔ)償值。最終測(cè)試結(jié)果表明,隨著積分時(shí)間的不斷增加,該設(shè)計(jì)始終能使光譜數(shù)據(jù)保持一個(gè)較低的基線水平。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)靈活、光譜采集準(zhǔn)確、基線控制效果良好,比較適合檢測(cè)微弱光譜信號(hào)。
中圖分類號(hào):TN29;TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234709
中文引用格式: 于呈豪,薛萌,石朗杰,等. 基于FPGA的光譜儀動(dòng)態(tài)基線補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2024,50(6):96-100.
英文引用格式: Yu Chenghao,Xue Meng,Shi Langjie,et al. Design of FPGA-based spectrometer dynamic baseline compensation system[J]. Application of Electronic Technique,2024,50(6):96-100.
Design of FPGA-based spectrometer dynamic baseline compensation system
Yu Chenghao,Xue Meng,Shi Langjie,Guo Hanming
School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology
Abstract: The linear array CMOS photodetector sensor possesses advantages such as high sensitivity, a wide spectral response range, low power consumption, and a compact size. It is widely used in the development of portable spectrometers. To address the issue of baseline drift caused by the increasing dark current of the CMOS image sensor, a dynamic baseline compensation system based on FPGA for the spectrometer is designed. The system utilizes reserved pixels on the sensor to calculate the baseline value for each frame in real-time and provide feedback. It employs high-performance operational amplifiers, differential amplifiers for voltage tracking, baseline compensation circuits, and single-ended to differential circuits to process the CMOS analog signals and perform high-speed A/D conversion. A precision DAC chip is used to provide real-time dynamic feedback for baseline compensation values.The final test results demonstrate that as the integration time increases, this design consistently maintains a lower baseline level for spectral data. The system's circuit design is flexible, it ensures accurate spectral data acquisition, and it effectively controls the baseline, making it well-suited for detecting weak spectral signals.
Key words : spectrum acquisition;line-array CMOS;FPGA;baseline compensation;signal processing

引言

近年來,集成度高、檢測(cè)時(shí)間快、操作方法簡(jiǎn)單的光譜檢測(cè)設(shè)備廣泛的出現(xiàn)在化學(xué)、醫(yī)學(xué)材料鑒別和藥品、危險(xiǎn)品鑒定等場(chǎng)景中,光譜檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為了物質(zhì)檢測(cè)和分析的關(guān)鍵技術(shù)。便攜式光譜儀的光電轉(zhuǎn)換器件多為線陣型圖像傳感器,不同類型的光電傳感器因其獨(dú)特的性能而被用來滿足不同的光譜采集需求[1]。光電圖像傳感器會(huì)受到暗噪聲輸出的影響,輸出的暗噪聲包括暗電流噪聲和暗電流散粒噪聲。其中暗電流散粒噪聲主要影響光譜儀的信噪比性能,暗電流噪聲決定了光譜儀的基線參考值,有效光信號(hào)都將基于該參考值進(jìn)行輸出。暗電流噪聲會(huì)隨著溫度的升高和積分時(shí)間的增加而逐步變大,加之后續(xù)信號(hào)放大電路的作用,實(shí)際光譜數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的基線漂移現(xiàn)象。漂移的基線會(huì)壓縮有效光譜的峰高,或者使信號(hào)過早飽和而丟失數(shù)據(jù)細(xì)節(jié),這不僅嚴(yán)重降低了光譜儀檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍,還會(huì)顯著影響后續(xù)光譜分析算法的準(zhǔn)確性和可靠性。因此,通過一定方法嚴(yán)格控制光譜儀的基線漂移程度尤為重要,在不同環(huán)境溫度和積分時(shí)間下,有效光譜信號(hào)所基于的基線值的大小也是評(píng)價(jià)一款光譜儀性能好壞的關(guān)鍵參數(shù)之一[2-4]。

本文將以國(guó)產(chǎn)紫光同創(chuàng)的FPGA芯片作為主控核心,使用Hamamatsu公司的S8378-256Q型CMOS線陣圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換器件,設(shè)計(jì)一套具有實(shí)時(shí)反饋功能的光譜儀動(dòng)態(tài)基線補(bǔ)償系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合光譜儀光路設(shè)計(jì)和CMOS像素信號(hào)順序讀出的特點(diǎn),利用FPGA能夠并行處理和緩存數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),在ADC采集有效光譜信號(hào)之前得到該幀圖像的基線漂移值并實(shí)時(shí)反饋到模擬信號(hào)處理模塊,利用運(yùn)算放大器組成減法電路對(duì)基線值進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)證明,這種設(shè)計(jì)可以很好地解決由線型圖像傳感器暗電流噪聲變大而引起的光譜儀基線漂移問題。


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作者信息:

于呈豪,薛萌,石朗杰,郭漢明

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)


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