基于DMD的水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

作者 / 李世博、蔣學(xué)東，中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院

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基于DMD的水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

作者 / 李世博、蔣學(xué)東，中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院

水體及其中微粒對(duì)光能量的吸收和散射作用，使得信號(hào)采樣很難滿足奈奎斯特采樣頻率而成為水下光學(xué)成像的一大瓶頸，本文提出融合CS理論的水下壓縮成像技術(shù)，并進(jìn)行了基于DMD的水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。首先介紹了單像素相機(jī)的工作機(jī)理，并選擇光電倍增管（PMT）做為探測(cè)器，同時(shí)提出雙倍增管結(jié)構(gòu)，大大提高了水下壓縮成像技術(shù)的重構(gòu)精度。最后實(shí)現(xiàn)了水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電控方案設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可行性。

DMD 奈奎斯特；壓縮感知（CS）；光電倍增管（PMT）；數(shù)據(jù)采集

水體對(duì)光能量的高吸收特性和水中微粒對(duì)成像光束的散射作用，導(dǎo)致有效成像信號(hào)的采樣很難達(dá)到奈奎斯特采樣頻率，這是水下光學(xué)成像技術(shù)的一大瓶頸［1］。近幾年新興的壓縮感知（Compressed Sensing，CS）理論［2］為打破水下光學(xué)成像領(lǐng)域的這一技術(shù)瓶頸提供了全新的解決思路。

1. 單像素相機(jī)工作原理

數(shù)字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）由美國(guó)德州儀器公司（TI）開發(fā)，是一種極小的反射鏡陣列組合，這些微鏡全部懸浮著并可向兩側(cè)傾斜12°左右，從而可構(gòu)成“開”和“關(guān)”這兩種工作狀態(tài)。為了獲得不同的反射狀態(tài)，微鏡工作時(shí)需對(duì)成千上萬個(gè)微鏡器件進(jìn)行適時(shí)控制。

圖1 單像素壓縮成像系統(tǒng)

如圖1所示，單像素相機(jī)的工作原理如下。壓縮采樣過程中，對(duì)于一個(gè)給定的圖像α，每一次不同的微鏡狀態(tài)由采樣矩陣Φ中的該次采樣的向量φi中的對(duì)應(yīng)元素確定，將選定的成像光束反射至光電二極管方向，經(jīng)凸透鏡Lens 2匯聚后被光電二極管接收，形成一個(gè)采樣值yi，完成一次采樣。重復(fù)M次該過程（每次對(duì)應(yīng)的φi不同）得到由M個(gè)采樣值yi組成的采樣向量Y。由于單像素相機(jī)的采樣向量Y具有普適性，基于更好的稀疏變換重建算法將會(huì)有效提高成像質(zhì)量。

2. 雙倍增管結(jié)構(gòu)

■2.1 光電探測(cè)器的選擇

水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用距離選通技術(shù)來濾除后向散射等雜散光對(duì)成像光束的干擾，傳統(tǒng)距離選通技術(shù)的本質(zhì)是通過控制硬件來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)時(shí)序的控制，從而有效濾除后向散射等雜散光。由于傳統(tǒng)距離選通技術(shù)的本質(zhì)在于控制系統(tǒng)時(shí)序，所以它無法濾除與“成像光束”同時(shí)到達(dá)的雜散光。軟距離選通技術(shù)為解決傳統(tǒng)距離選通技術(shù)的固有缺陷提供了建設(shè)性的思路［3］。

軟距離選通技術(shù)與傳統(tǒng)距離選通技術(shù)的本質(zhì)相同，但其不設(shè)置選通快門等硬件，而利用水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特定的高頻率接收器件對(duì)能夠到達(dá)光電探測(cè)器件的“成像光束”和“非成像光束”進(jìn)行全程接收并對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行提取來實(shí)現(xiàn)有效的水下光學(xué)成像。提取特定時(shí)間點(diǎn)的點(diǎn)采樣值組成壓縮采樣值向量yi，即可通過重構(gòu)算法獲得與特定時(shí)間點(diǎn)相應(yīng)的空間距離處的目標(biāo)圖像。

單像素相機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用光電二極管，本文在選擇光電探測(cè)器時(shí)需考慮水下成像的特殊性。光電探測(cè)器的性能參數(shù)主要與響應(yīng)和噪聲這兩方面有關(guān)［4］。與響應(yīng)有關(guān)的性能參數(shù)包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時(shí)間和頻率響應(yīng)；與噪聲有關(guān)的性能參數(shù)［5］主要包括信噪比S/N，噪聲等效功率NEP與探測(cè)率D等。針對(duì)上述參數(shù)，調(diào)研對(duì)比可知，光電倍增管（photomultiplier，PMT）的最低輸入光通量最低，最大靈敏度最大，這兩點(diǎn)特性表明在典型光子探測(cè)器中光電倍增管是最適合進(jìn)行水下精密微光測(cè)量的。同時(shí)光電倍增管最佳的線性度保證了采集信號(hào)的精確度，最快的頻率響應(yīng)和最短的上升時(shí)間這一動(dòng)態(tài)特性也更好地滿足了高速、動(dòng)態(tài)采樣，因此本文將光電倍增管用于水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

■2.2 雙倍增管結(jié)構(gòu)的提出

在單像素壓縮采樣過程中，采樣矩陣是雙極性的，故而正極性目標(biāo)圖像的采樣值也應(yīng)該是雙極性的。然而實(shí)際成像系統(tǒng)中DMD的反射光束以及光電倍增管的輸出值都是正極性的，這就形成了系統(tǒng)的固有缺陷。為了彌補(bǔ)這一缺陷，系統(tǒng)先須獲取偏置電壓Ums，然后通過計(jì)算對(duì)原始采樣值加以矯正。

首先應(yīng)將采樣值中的偏置電壓Ums去掉，電壓Vm對(duì)應(yīng)的采樣值可表示為

y（m）=Vm-Ums （1）

然后編程使DMD上的所有微鏡都偏向±12°方向，此時(shí)采集到的電壓值為y（1），進(jìn)行如下式的處理，即可將單極性的y（m）轉(zhuǎn)換成雙極性的采樣值

y（m）=2y（m）-y（1） （2）

系統(tǒng)本身存在微鏡校準(zhǔn)誤差以及暗電流、光信號(hào)電流、背景光電流以及負(fù)載電阻的熱噪聲和電磁干擾等問題，采用上述矯正方案，不僅增加了運(yùn)算量，而且在偏置電壓Ums和微鏡全反射電壓y（1）的采集過程中引入了新的系統(tǒng)誤差，這些將會(huì)大幅降低圖像重構(gòu)質(zhì)量。

針對(duì)上述問題，本文提出雙倍增管系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)以垂直于DMD平面的方向?yàn)榉ň€，對(duì)稱布置兩個(gè)同型號(hào)的光電倍增管來采集DMD的反射光線。

圖2 雙倍增管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖2中微鏡可保持與DMD平面成+12°、0°和-12°這三種狀態(tài)，依次對(duì)應(yīng)采樣值中的+1、0和-1這三個(gè)數(shù)值。+12°方向和-12°方向的反射光束經(jīng)過匯聚透鏡后分別被兩個(gè)同型號(hào)的光電倍增管接收、A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行相減運(yùn)算，這樣便能直接獲得采樣值y（m），用公式表示如下

y（m）=y1（m）-y2（m） （3）

其中，y1（m）為﹢12°方向的采樣值，y2（m）為-12°方向的采樣值，顯然此處的采樣值y（m）是雙極性的，不必再經(jīng)運(yùn)算即可直接進(jìn)行運(yùn)用。兩個(gè)采樣通道完全對(duì)稱，因此通過式（3）相減運(yùn)算，便精確消除了偏置電壓Ums。雙倍增管系統(tǒng)減少了采樣次數(shù)、降低了計(jì)算復(fù)雜度，且巧妙避開了采樣和補(bǔ)償誤差，保證了采樣值的魯棒性，從而有效地提高了采樣精度。

3. 水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

■3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由測(cè)量系統(tǒng)組件、光電倍增管、前放電路模塊、數(shù)據(jù)采集卡、遮光罩、殼體、信號(hào)與電源接口組成。其中測(cè)量系統(tǒng)組件包含DMD芯片組、成像鏡頭、能量接收鏡頭、成像監(jiān)測(cè)CCD和電源，該組件通過成像鏡頭把像成在DMD靶面上，經(jīng)微鏡陣列選擇性反射后，像面的部分光能量被反射進(jìn)入能量接收鏡頭，然后被光電倍增管接收。同時(shí)，在成像光路中設(shè)置監(jiān)測(cè)CCD，其靶面位置與DMD靶面位置為共軛關(guān)系，利用CCD來監(jiān)測(cè)DMD靶面的離焦情況；調(diào)焦使監(jiān)測(cè)CCD靶面成像清晰后，即可判斷DMD靶面的成像是否清晰。

■3.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的包括：（1）DMD中微鏡陣列的翻轉(zhuǎn)控制；（2）光信號(hào)的接收和光電轉(zhuǎn)換；（3）信號(hào)數(shù)據(jù)的同步采集和傳輸；（4）要在實(shí)現(xiàn)前三個(gè)目的的前提下盡可能地提高系統(tǒng)抗干擾能力并減小系統(tǒng)噪聲。

電控系統(tǒng)的總體框圖如圖3所示。電控系統(tǒng)主要由試驗(yàn)箱、計(jì)算機(jī)和電源箱組成。試驗(yàn)箱是系統(tǒng)的主體部分，內(nèi)含光學(xué)鏡頭、DMD、光電倍增管、數(shù)據(jù)采集卡等部件。電源箱為試驗(yàn)箱中的部件提供電源，如光電倍增管所需的高壓直流電源、DMD和數(shù)據(jù)采集卡所需的低壓直流電源等。計(jì)算機(jī)用于控制DMD微鏡按要求翻轉(zhuǎn)、接收數(shù)據(jù)采集卡傳來的數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)作后續(xù)處理。

圖3 電控系統(tǒng)總體框圖

從DMD反射的光分別經(jīng)匯聚鏡頭匯聚后由光電倍增管1和光電倍增管2接收。兩路光電倍增管的輸出信號(hào)分別接入數(shù)據(jù)采集卡的兩個(gè)模擬輸入通道。計(jì)算機(jī)通過

USB接口控制DMD工作，微鏡每翻轉(zhuǎn)一次，DMD輸出一個(gè)同步脈沖，這個(gè)脈沖作為數(shù)據(jù)采集卡的外同步信號(hào)觸發(fā)采集卡采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)工作流程大致如下：開機(jī)后，DMD系統(tǒng)的內(nèi)存加載N個(gè)采樣矩陣，加載完成進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)接收到計(jì)算機(jī)觸發(fā)信號(hào)，DMD微鏡根據(jù)N個(gè)采樣矩陣依次翻轉(zhuǎn)，每次翻轉(zhuǎn)完成發(fā)出一個(gè)翻轉(zhuǎn)完成脈沖信號(hào)，作為同步信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)光電探測(cè)器的輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，N次采集完成后將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)做后續(xù)處理，然后計(jì)算機(jī)觸發(fā)DMD系統(tǒng)進(jìn)入下一周期采集。

4. 總結(jié)

本文首先研究了單像素相機(jī)的工作機(jī)理，并選擇光電倍增管做為探測(cè)器，同時(shí)針對(duì)單像素采樣系統(tǒng)的采樣值單極性、運(yùn)算過程復(fù)雜以及不能避免采樣和補(bǔ)償誤差等缺陷提出了雙倍增管結(jié)構(gòu)，有效提高了圖像重構(gòu)精度。最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了系統(tǒng)的可行性。

＊ ［1］ Fournier G R， D.Bonnier， Forand L， LUCIE ROV mounted las er imaging system ［C］. Proc. SPIE， 1992， 1750： 443-452.

＊ ［2］ Fournier G R， Forand J L， Mathieu P， Range-Gated Active Underwater Imaging： Evolution， performance and Perspectiv es ［C］. Proc. Ocean Sciences Meeting's Presentation， Confere nce report， 2008： 1-29.

＊ ［3］ 呂沛，周仁魁，何俊華，劉海英. 水下單像素成像系統(tǒng)研究［J］.光電子·激光， 2011，22（9）：1425-1430.

＊ ［4］ http：//wenku.baidu.com/link？url=7tRZAyeZckluhrjkmbp5yE6ubfLf9eZ_b0-b_L23A4188w4WS5LOBCzOSSG1jnG9 v1QmGCNyFVUfQqHtaRyoiVoeKWGZZO0fce3pxPx2jm. 光電探測(cè)器的物理基礎(chǔ).

＊ ［5］ 解光勇. 光電探測(cè)器噪聲特性分析［J］.信息技術(shù)， 2008： 8-10.