《電子技術(shù)應用》
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基于FPGA的光譜儀動(dòng)態(tài)基線(xiàn)補償系統設計
電子技術(shù)應用
于呈豪,薛萌,石朗杰,郭漢明
上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院
摘要: 線(xiàn)陣型CMOS光電圖像傳感器具有靈敏度高、光譜響應范圍大、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應用于便攜式光譜儀的開(kāi)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(xiàn)漂移問(wèn)題,設計一種基于FPGA的光譜儀動(dòng)態(tài)基線(xiàn)補償系統。系統利用傳感器預留像素計算得到該幀圖像的基線(xiàn)值并進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋,使用高性能運算放大器、差分放大器設計電壓跟隨電路、基線(xiàn)補償電路和單端轉差分電路對CMOS模擬信號進(jìn)行處理并進(jìn)行高速A/D轉換,選用精密DAC芯片實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋基線(xiàn)補償值。最終測試結果表明,隨著(zhù)積分時(shí)間的不斷增加,該設計始終能使光譜數據保持一個(gè)較低的基線(xiàn)水平。系統電路設計靈活、光譜采集準確、基線(xiàn)控制效果良好,比較適合檢測微弱光譜信號。
中圖分類(lèi)號:TN29;TP23 文獻標志碼: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(xiàn)補償系統設計[J]. 電子技術(shù)應用,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(lái),集成度高、檢測時(shí)間快、操作方法簡(jiǎn)單的光譜檢測設備廣泛的出現在化學(xué)、醫學(xué)材料鑒別和藥品、危險品鑒定等場(chǎng)景中,光譜檢測技術(shù)已經(jīng)成為了物質(zhì)檢測和分析的關(guān)鍵技術(shù)。便攜式光譜儀的光電轉換器件多為線(xiàn)陣型圖像傳感器,不同類(lèi)型的光電傳感器因其獨特的性能而被用來(lái)滿(mǎn)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(xiàn)參考值,有效光信號都將基于該參考值進(jìn)行輸出。暗電流噪聲會(huì )隨著(zhù)溫度的升高和積分時(shí)間的增加而逐步變大,加之后續信號放大電路的作用,實(shí)際光譜數據會(huì )出現嚴重的基線(xiàn)漂移現象。漂移的基線(xiàn)會(huì )壓縮有效光譜的峰高,或者使信號過(guò)早飽和而丟失數據細節,這不僅嚴重降低了光譜儀檢測的動(dòng)態(tài)范圍,還會(huì )顯著(zhù)影響后續光譜分析算法的準確性和可靠性。因此,通過(guò)一定方法嚴格控制光譜儀的基線(xiàn)漂移程度尤為重要,在不同環(huán)境溫度和積分時(shí)間下,有效光譜信號所基于的基線(xiàn)值的大小也是評價(jià)一款光譜儀性能好壞的關(guān)鍵參數之一[2-4]。

本文將以國產(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(xiàn)陣圖像傳感器作為光電轉換器件,設計一套具有實(shí)時(shí)反饋功能的光譜儀動(dòng)態(tài)基線(xiàn)補償系統。該系統結合光譜儀光路設計和CMOS像素信號順序讀出的特點(diǎn),利用FPGA能夠并行處理和緩存數據的優(yōu)勢,在A(yíng)DC采集有效光譜信號之前得到該幀圖像的基線(xiàn)漂移值并實(shí)時(shí)反饋到模擬信號處理模塊,利用運算放大器組成減法電路對基線(xiàn)值進(jìn)行補償。實(shí)驗證明,這種設計可以很好地解決由線(xiàn)型圖像傳感器暗電流噪聲變大而引起的光譜儀基線(xiàn)漂移問(wèn)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) 光電信息與計算機工程學(xué)院,上海200093)


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