針對P4-42熱釋電探測器的太赫茲成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
掃描式太赫茲成像系統(tǒng)的原理是：太赫茲激光器產(chǎn)生連續(xù)的THz激光，光波首先通過斬波器，從而產(chǎn)生一系列的太赫茲脈沖。為了消除太赫茲光的發(fā)散，一般要采用一個聚乙烯透鏡準直光路，將激光聚焦在待測樣品上。樣品被置于一個由計算機編程控制的、可沿x，y方向掃描的線性步進平臺上，平臺載著待測樣品在光焦處二維移動。為了實現(xiàn)較好的成像效果，系統(tǒng)通過一個透射率高，損耗小的聚乙烯透鏡將帶有樣品信息的THz光聚焦在探測器上，將光波的光強轉(zhuǎn)換為電壓值；轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過采樣、A／D轉(zhuǎn)化，然后傳輸給計算機構(gòu)建太赫茲圖像。
這里的主要工作是利用凌華公司生產(chǎn)的PCI-9812數(shù)據(jù)采集卡，針對美國相干公司生產(chǎn)的P4-42探測器，設(shè)計出用于太赫茲成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
l PCI-9812數(shù)據(jù)采集卡介紹
PCI-9812是臺灣凌華科技公司推出的基于32位PCI總線的四通道高速數(shù)據(jù)采集卡，12位的模擬量輸入分辨率，板內(nèi)帶有32 KB的FIFO緩沖器，最高采樣頻率可以達到20 MHz，這就保證了數(shù)據(jù)采集電路較高的精度和速度。它具有軟件觸發(fā)、前觸發(fā)、后觸發(fā)、中間觸發(fā)和延時觸發(fā)五種觸發(fā)方式，可以通過軟件編程選擇。此外，它還具有內(nèi)部脈沖、外部脈沖和外部正弦三種可供編程選擇的A／D時鐘源。在本文的采集系統(tǒng)中，采用了軟觸發(fā)的觸發(fā)模式，采用了內(nèi)部脈沖時鐘源。
采集卡能達到的最高采樣率與采樣的通道數(shù)、采集的數(shù)據(jù)量以及PCI總線帶寬有關(guān)。當單次觸發(fā)采集的所有通道數(shù)據(jù)總量不超過32 KB的FIFO緩存時，每通道都可以按最高的20 MHz A／D采樣速度來采樣。當數(shù)據(jù)總量超過32 KWord的FIFO緩存區(qū)時，要以DMA方式直接傳送數(shù)據(jù)到計算機內(nèi)存。在本文的采集系統(tǒng)中，使用了一個通道，選擇的是通道0，可供FIFO達到32 KB，最大數(shù)據(jù)傳輸能力為40 MB／s。需要注意的是，在電路連接時不僅要考慮PCI-9812輸入電壓的范圍，還應(yīng)該考慮輸入阻抗的問題，PCI-9812具有四個能同時高速采集雙極性信號的A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為-1～+1 V或-5～+5 V，可通過硬件的焊封進行選擇，輸入阻抗也可通過電路板上的硬件焊封來選擇。可以選擇的阻抗值有：當-1～+1 V輸入時的15 MΩ和50 Ω(默認值)；當-5～+5 V輸入時的1．25 kΩ和50 Ω(默認值)。P4-42探測器采用的是15 V電壓源，輸出電阻為50 Ω，其輸出最大電壓值約為12 V，所以在連接采集卡前要串聯(lián)一個分壓電阻。本文的采集卡輸入范圍為-5 V～+5 V，輸入電阻為1．25 kΩ，串聯(lián)的分壓電阻為1．8 kΩ。此時，輸入到采集卡的最大電壓值為4．84 V。
2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計
PCI-9812采集卡支持VC／C++，VB，BorlandC++，Borland Delphi，Labview等軟件開發(fā)平臺，主要使用VC++6．0。主要包括掃描控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，軟件系統(tǒng)設(shè)計的流程圖如圖1所示。對于逐點掃描的太赫茲成像系統(tǒng)，其成像過程就是一個循環(huán)掃描過程。平臺載著待測樣品移動到待測位置后，計算機控制THz源發(fā)射激光，探測器接收光信號并轉(zhuǎn)換成電壓值，數(shù)據(jù)采集卡采集電壓值，并傳輸給計算機，由計算機將數(shù)據(jù)進行處理，生成該位置點(x，y)的像素值并存儲，然后再控制平臺移動向下一個待測位置進行掃描。掃描控制模塊用于實現(xiàn)對光路部分的控制，它主要包括了激光頻率的選擇，斬波頻率的設(shè)置，二維移動平臺的設(shè)置等功能。為了保證各個像素點之間信息無錯亂，信息傳輸?shù)倪^程中就要確保二維平臺的移動與數(shù)據(jù)采集記錄的同步。計算機通過串口來控制平臺伺服系統(tǒng)，設(shè)置步幅和方向。為了節(jié)省掃描時間，移動平臺則采取“S”型移動，系統(tǒng)運行時，由參數(shù)z的符號決定平臺的移動方向，將Z的初始數(shù)值設(shè)置為1，通過Y+Z就可以得出此時采集點的準確像素點坐標，這就保證了計算機存儲數(shù)據(jù)的各個像素點(x，y)與掃描樣品中各個投射位置是對應(yīng)的，不會出現(xiàn)像素點混亂的現(xiàn)象。
數(shù)據(jù)采集模塊主要是編程驅(qū)動采集卡工作。首先利用Register_Card()函數(shù)對采集卡注冊，系統(tǒng)的BIOS將會返回一個PCI-9812的注冊號，然后可以用AI_9812_Config()函數(shù)來完成采集卡的初始化，設(shè)置采集的觸發(fā)模式、觸發(fā)源、觸發(fā)后的采樣點數(shù)等。設(shè)置這些參數(shù)后，可以使用激光器產(chǎn)生太赫茲激光，在對每一個透射點掃描后，調(diào)用AI_ContReadChannel()函數(shù)(采用多通道時應(yīng)該調(diào)用函數(shù)AI_ContScanChannels())啟動對探測器輸出電壓值的A／D采樣，然后調(diào)用AI_AsyncCheck()函數(shù)查詢采集卡是否采樣完畢。在采樣過程中，采集卡自動以DMA方式把采集到的數(shù)據(jù)寫入所申請的DMA內(nèi)存，計算機通過讀取DMA內(nèi)存來獲取掃描數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理時，還要調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)AI_ContScale()將采集數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的電壓值。在掃描過程結(jié)束后，采集結(jié)束時，要用AI_AsyncClear()函數(shù)停止采集卡，用Release_Card()函數(shù)釋放采集卡。
數(shù)據(jù)處理模塊主要用于對各個點獲取的掃描數(shù)據(jù)進行計算機比較分析，構(gòu)建采樣物品的太赫茲圖像。太赫茲波對每個點掃描時，可以獲取的信息量是很大的，可以通過分析光強、相位、時間延時等來構(gòu)建采樣物品的圖像，分析每個參數(shù)都要采用各自的算法。這里主要針對P4-42熱釋電探測器，將太赫茲光的強度轉(zhuǎn)換為電壓信號，因此本文通過分析電壓信號的峰峰值，來獲取樣品上每個點對太赫茲光波的吸收強度，作為太赫茲圖像中各個像素的像素值。在成像系統(tǒng)對各個位置點掃描后，得到格式為x*y*t的太赫茲成像數(shù)據(jù)，通過對各個像素點的數(shù)據(jù)進行歸一化處理?？梢缘玫酱郎y樣品的太赫茲灰度圖像。
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