針對P4-42熱釋電探測器的太赫茲成像數據采集系統
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掃描式太赫茲成像系統的原理是：太赫茲激光器產(chǎn)生連續的THz激光，光波首先通過(guò)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(gè)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(gè)由計算機編程控制的、可沿x，y方向掃描的線(xiàn)性步進(jìn)平臺上，平臺載著(zhù)待測樣品在光焦處二維移動(dòng)。為了實(shí)現較好的成像效果，系統通過(guò)一個(gè)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，將光波的光強轉換為電壓值；轉換后的電信號經(jīng)過(guò)采樣、A／D轉化，然后傳輸給計算機構建太赫茲圖像。
這里的主要工作是利用凌華公司生產(chǎn)的PCI-9812數據采集卡，針對美國相干公司生產(chǎn)的P4-42探測器，設計出用于太赫茲成像系統的數據采集系統。
l PCI-9812數據采集卡介紹
PCI-9812是臺灣凌華科技公司推出的基于32位PCI總線(xiàn)的四通道高速數據采集卡，12位的模擬量輸入分辨率，板內帶有32 KB的FIFO緩沖器，最高采樣頻率可以達到20 MHz，這就保證了數據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(shí)觸發(fā)五種觸發(fā)方式，可以通過(guò)軟件編程選擇。此外，它還具有內部脈沖、外部脈沖和外部正弦三種可供編程選擇的A／D時(shí)鐘源。在本文的采集系統中，采用了軟觸發(fā)的觸發(fā)模式，采用了內部脈沖時(shí)鐘源。
采集卡能達到的最高采樣率與采樣的通道數、采集的數據量以及PCI總線(xiàn)帶寬有關(guān)。當單次觸發(fā)采集的所有通道數據總量不超過(guò)32 KB的FIFO緩存時(shí)，每通道都可以按最高的20 MHz A／D采樣速度來(lái)采樣。當數據總量超過(guò)32 KWord的FIFO緩存區時(shí)，要以DMA方式直接傳送數據到計算機內存。在本文的采集系統中，使用了一個(gè)通道，選擇的是通道0，可供FIFO達到32 KB，最大數據傳輸能力為40 MB／s。需要注意的是，在電路連接時(shí)不僅要考慮PCI-9812輸入電壓的范圍，還應該考慮輸入阻抗的問(wèn)題，PCI-9812具有四個(gè)能同時(shí)高速采集雙極性信號的A／D轉換器，輸入電壓范圍為-1～+1 V或-5～+5 V，可通過(guò)硬件的焊封進(jìn)行選擇，輸入阻抗也可通過(guò)電路板上的硬件焊封來(lái)選擇?？梢赃x擇的阻抗值有：當-1～+1 V輸入時(shí)的15 MΩ和50 Ω(默認值)；當-5～+5 V輸入時(shí)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(gè)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(shí)，輸入到采集卡的最大電壓值為4．84 V。
2 軟件系統的設計
PCI-9812采集卡支持VC／C++，VB，BorlandC++，Borland Delphi，Labview等軟件開(kāi)發(fā)平臺，主要使用VC++6．0。主要包括掃描控制模塊、數據采集模塊和數據處理模塊，軟件系統設計的流程圖如圖1所示。對于逐點(diǎn)掃描的太赫茲成像系統，其成像過(guò)程就是一個(gè)循環(huán)掃描過(guò)程。平臺載著(zhù)待測樣品移動(dòng)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換成電壓值，數據采集卡采集電壓值，并傳輸給計算機，由計算機將數據進(jìn)行處理，生成該位置點(diǎn)(x，y)的像素值并存儲，然后再控制平臺移動(dòng)向下一個(gè)待測位置進(jìn)行掃描。掃描控制模塊用于實(shí)現對光路部分的控制，它主要包括了激光頻率的選擇，斬波頻率的設置，二維移動(dòng)平臺的設置等功能。為了保證各個(gè)像素點(diǎn)之間信息無(wú)錯亂，信息傳輸的過(guò)程中就要確保二維平臺的移動(dòng)與數據采集記錄的同步。計算機通過(guò)串口來(lái)控制平臺伺服系統，設置步幅和方向。為了節省掃描時(shí)間，移動(dòng)平臺則采取“S”型移動(dòng)，系統運行時(shí)，由參數z的符號決定平臺的移動(dòng)方向，將Z的初始數值設置為1，通過(guò)Y+Z就可以得出此時(shí)采集點(diǎn)的準確像素點(diǎn)坐標，這就保證了計算機存儲數據的各個(gè)像素點(diǎn)(x，y)與掃描樣品中各個(gè)投射位置是對應的，不會(huì )出現像素點(diǎn)混亂的現象。
數據采集模塊主要是編程驅動(dòng)采集卡工作。首先利用Register_Card()函數對采集卡注冊，系統的BIOS將會(huì )返回一個(gè)PCI-9812的注冊號，然后可以用AI_9812_Config()函數來(lái)完成采集卡的初始化，設置采集的觸發(fā)模式、觸發(fā)源、觸發(fā)后的采樣點(diǎn)數等。設置這些參數后，可以使用激光器產(chǎn)生太赫茲激光，在對每一個(gè)透射點(diǎn)掃描后，調用AI_ContReadChannel()函數(采用多通道時(shí)應該調用函數AI_ContScanChannels())啟動(dòng)對探測器輸出電壓值的A／D采樣，然后調用AI_AsyncCheck()函數查詢(xún)采集卡是否采樣完畢。在采樣過(guò)程中，采集卡自動(dòng)以DMA方式把采集到的數據寫(xiě)入所申請的DMA內存，計算機通過(guò)讀取DMA內存來(lái)獲取掃描數據。在數據處理時(shí)，還要調用數據轉換函數AI_ContScale()將采集數據量轉換到相應的電壓值。在掃描過(guò)程結束后，采集結束時(shí)，要用AI_AsyncClear()函數停止采集卡，用Release_Card()函數釋放采集卡。
數據處理模塊主要用于對各個(gè)點(diǎn)獲取的掃描數據進(jìn)行計算機比較分析，構建采樣物品的太赫茲圖像。太赫茲波對每個(gè)點(diǎn)掃描時(shí)，可以獲取的信息量是很大的，可以通過(guò)分析光強、相位、時(shí)間延時(shí)等來(lái)構建采樣物品的圖像，分析每個(gè)參數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換為電壓信號，因此本文通過(guò)分析電壓信號的峰峰值，來(lái)獲取樣品上每個(gè)點(diǎn)對太赫茲光波的吸收強度，作為太赫茲圖像中各個(gè)像素的像素值。在成像系統對各個(gè)位置點(diǎn)掃描后，得到格式為x*y*t的太赫茲成像數據，通過(guò)對各個(gè)像素點(diǎn)的數據進(jìn)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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