THz實時檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道設計

趙全威，趙元黎，杜學濤，王振華

（鄭州大學物理工程學院，鄭州 450001）

1 引言

THz技術作為一種新興技術，在安全檢測方面有著獨特的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。THz輻射的光子能量極低（只有4.2毫電子伏），可以用來對人體或物品進行無損成像；THz對于電介質材料及塑料紙箱等包裝材料有很強的穿透力，能夠對已包裝的物品進行清晰成像[1]。圖1左圖是一幅光學圖像，從圖中不能看到報紙下面隱藏著的匕首；右圖為太赫茲輻射成像，太赫茲輻射穿透服裝、報紙，將報紙遮蓋下的刀具清晰地顯示出來。

利用電光晶體和CCD可以實現(xiàn)THz實時成像，基于這種實時成像技術設計THz安全檢測系統(tǒng)，針對安檢需求一般由三部分組成：THz光學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通道和PC上位機。

圖1 普通光學成像（左）與THz輻射成像（右）

本設計研究的是THz實時檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道部分。選用面陣CCD、高速A/D轉換器和復雜可編程邏輯器件CPLD，實現(xiàn)了對THz圖像信息的高速采集。另外針對安檢需要本設計還選用DSP芯片對圖像信息進行了處理，突出了檢測目標的邊緣輪廓特征，便于下一步的自動識別，這樣不僅減輕了PC上位機的壓力，而且能夠進一步提高THz檢測系統(tǒng)的檢測速度。

2 數(shù)據(jù)通道設計方案

圖2為數(shù)據(jù)通道的基本結構框圖。按功能整個設計可分為兩部分：THz圖像信息采集和數(shù)字信號圖像處理。THz圖像信息的采集包括以下幾個部分：面陣圖像傳感器CCD、相關雙采樣電路和A/D轉換電路；數(shù)字信號圖像處理部分主要是利用DSP算法模塊對數(shù)字圖像信息進行圖像處理，包括灰度轉換、中值濾波、邊緣檢測等。另外本設計選用一塊復雜可編程邏輯器件CPLD為整個系統(tǒng)提供驅動時序和邏輯控制。

圖2 數(shù)據(jù)通道基本結構框圖

3 THz圖像信息采集

3.1 面陣圖像傳感器CCD

本設計選用行間轉移型面陣CCD ICX098AK作為THz圖像信息的感光器件。圖3為ICX098AK的結構圖。

該芯片像素陣列有692×504=348768個，成像像素有659×494=325546個，CCD在工作時水平驅動頻率為12.27 MHz，快門速度在1/30s～1/10000s連續(xù)可調。

ICX098AK芯片正常工作需要八路驅動時鐘[2]：四路垂直轉移時鐘V1、V2A、V2B、V3，控制垂直移位寄存器中的電荷信號向水平移位寄存器移動，其中當V2A、V2B為+15V高電平時作為讀出轉移時鐘，將感光陣列的信號電荷轉移到垂直移位寄存器中；水平轉移時鐘H1、H2，控制水平移位寄存器中的電荷信號向前遷移；復位門時鐘RG，其頻率為12.27MHz，直接決定CCD電荷信號的水平輸出頻率；以及控制曝光量的電子快門時鐘VSUB。

圖3 ICX098AK的結構圖

本設計選用CPLD芯片EPM7128SLC作為驅動時序發(fā)生器，利用VHDL語言軟件編程完成了對于ICX098AK的驅動設計。并在QuartusⅡ軟件設計環(huán)境下進行了時序仿真。圖4為ICX098AK驅動時序仿真圖。

圖4 ICX098AK驅動時序仿真圖

3.2 相關雙采樣技術

CCD輸出信號的噪聲包括固有噪聲和復位噪聲。固有噪聲與CCD制造工藝有關，不做考慮；復位噪聲的產(chǎn)生，是因為CCD信號輸出采用選通電荷積分器結構，工作過程中需要用到一個保持電容，由于復位開關熱噪聲的影響，常使保持電容偏離參考電平，這段偏離量就是復位噪聲[3]。

相關雙采樣技術（CDS）采用兩級高速采樣保持器（S/H）：預采樣采樣保持器（S/H1）對浮置柵電平部分采樣，數(shù)據(jù)采樣保持器（S/H2）對視頻信號進行采樣。兩次采樣后經(jīng)差分放大器相減，就消除了復位噪聲，得到真正的CCD視頻信號。

本設計選用SONY公司生產(chǎn)的CXA2006Q作為采樣保持器。這是一款專用集成采樣保持芯片，能夠有效去除CCD輸出信號中的復位噪聲，具有非常好的輸入信號箝位和CDS輸入偏移校正性能，同時為A/D轉換器提供了精確的參考電平。

3.3 A/D轉換電路

圖5 TLC5510 引腳配置

芯片采用TLC5510，采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，最大可提供20Mbps的采樣率，可廣泛應用于高速數(shù)據(jù)轉換。

CLK是A/D轉換器時鐘信號，OE為輸出使能端，CLK和OE均由CPLD提供產(chǎn)生。轉換頻率為12.27MHz，轉換分辨率為8位。D[1:8]為A/D轉換輸出數(shù)據(jù)端口。在本設計中，D[1:8]與CPLD的輸入數(shù)據(jù)端IN-DATA[0:7]對應相連，先將A/D轉換輸出數(shù)據(jù)送往CPLD內做延時處理，然后數(shù)據(jù)通過CPLD傳輸?shù)絊RAM中，這樣可以做到一個地址對應一個數(shù)據(jù)，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂放、錯放的問題。CPLD的輸出端OUT DATA[0:7]與SRAM的數(shù)據(jù)線D[0:7]對應相接，CPLD的輸出端ADDR[18:0]與SRAM的地址線A[18:0]對應相連，CPLD為其提供選通信號和讀寫控制信號。

4 DSP圖像處理

DSP芯片選用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5416。為了提取圖像中危險武器如刀、槍的邊緣輪廓信息，本設計依托CCS軟件開發(fā)環(huán)境，編寫了算法處理程序，利用DSP進行硬件仿真，比較選擇了最佳的圖像處理算法[4]。

圖6中左邊為普通光學圖像，右邊為THz圖像，圖中顯示此人身上藏有槍支兩支。右圖的分辨率為256×256，長度為8位，大小為64kB。仿真方法如下：首先使用VC將圖6（右）以二進制格式讀入到計算機內存，然后將內存中的二進制文件按文本格式保存，形成TXT文件。采用CCS 3.1開發(fā)平臺的Data/Load功能，將該TXT文件加載到DSP外擴SRAM。在VC5416處理器上運行算法，再采用CCS 3.1開發(fā)平臺的Data/Load功能，從DSP存儲區(qū)中導出圖像數(shù)據(jù)，使用VC將導出的圖像數(shù)據(jù)以文本方式讀入到計算機中，并轉換為二進制文件在PC機上顯示[5]。

圖6 普通光學圖像（左）與THz輻射成像（右）

把THz圖像轉換成灰度圖像后，再進行平滑效果處理。圖7為圖像平滑效果圖。均值濾波采用4鄰域的濾波方法，中值濾波分別采用了模版大小為3×3和5×5的處理方法。均值濾波產(chǎn)生的模糊較多，中值濾波可以有效清除噪聲，很好地保持圖像良好的邊緣特性；另外，中值濾波實際運算過程中不需要圖像的統(tǒng)計特性，運算簡單、快速。經(jīng)比較選擇窗口大小為3×3的中值濾波方法。

圖7 圖像平滑效果圖

本課題采用直方圖分析方法求得圖像分割的最佳閾值，將圖像分為背景和目標兩部分。該方法不僅直觀性強、程序簡單，對于本節(jié)所涉及到的圖像分割的效果也較理想。圖8為閾值分割效果圖。

圖9是幾種經(jīng)典邊緣檢測算子提取結果圖。從圖中可以直觀地看出，Robert算子和Soble算子及Prewitt算子的邊緣圖中檢測出的邊緣數(shù)少、欠完整，且受噪聲干擾較大；LOG算子和Canny算子的邊緣圖中的邊緣連續(xù)性很好，完整性也較好。相比之下，Canny算子邊緣較粗，噪聲點較多； LOG算子的邊緣圖中邊緣連續(xù)性很好，完整性也較好，邊緣圖中的邊緣線劃很細，景物細節(jié)表現(xiàn)得也比較清晰，輪廓邊緣提取得很完備。所以最終選取LOG算子來進行邊緣檢測的處理。

圖8 閾值分割效果圖

圖9 經(jīng)典邊緣檢測算子提取結果圖

5 結論

選用面陣CCD、高速A/D轉換器，可編程邏輯器件CPLD作為驅動時序發(fā)生器，采用VHDL語言進行硬件編程，實現(xiàn)了THz圖像信息的高速采集，滿足了實時性的要求。另外通過硬件仿真的方法比較選擇了最佳圖像處理算法，提取了目標圖像的邊緣輪廓信息，減輕了PC上位機的壓力，提高了檢測速度。以上研究成果對于THz技術在安全檢測領域的應用具有一定意義。

[1] 姚建銓，路 洋，張百鋼，等. THz輻射的研究和應用新進展[J]. Journal of Optoelectronics Lase ,2000,16（4）.

[2] 王慶有. CCD應用技術[M]. 天津：天津大學出版社，2000. 30-40.

[3] 孔淵，王世勇，崔洪洲. 基于CPLD的高速面陣CCD驅動電路設計[J]. 半導體光電，2003，24（5）：363-366.

[4] 汪春梅. TMS320C5000系列DSP系統(tǒng)設計與開發(fā)實例[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5] 四維科技等. Visual C++/MATLAB圖像處理與識別使用案例精選[M]. 北京：人民郵電出版社，2004.