基于PCI9812的太赫茲成像數據采集系統設計

赫茲波(THz)指頻率在0．1～10 THz(1 THz=1012Hz)范圍內的電磁波，波長范圍在30μm～3 mm，這一波段位于微波和紅外輻射之間，因此太赫茲波兼有波與光的特性，在物體成像、時域譜分析、醫學診斷、環境監測、空間遙感和軍事安全等方面都展現出巨大的應用前景。太赫茲波的光子能量僅4．1 meV，沒有X射線的電離特性，不會對材料和人體造成傷害，因此太赫茲成像技術比X射線有更大的應用優勢。20世紀90年代以后，由于自由電子激光器和超快技術的發展，為THz脈沖的產生提供了穩定可靠的激發光源，世界各國都在各個領域展開了對太赫茲波技術的研究。近些年，我國的科研工作者也開展了對太赫茲波技術的大量研究工作，目前的太赫茲成像技術研究工作主要集中在對逐點掃描太赫茲成像的研究上。這種成像方法的基本原理是，利用已知波形的太赫茲波作為成像射線，透過成像樣品或從樣品反射的太赫茲電磁波的強度和相位(包含了樣品復介電常數的空間分布)并將透射或反射的太赫茲電磁波強度或相位信息記錄下來，經過數字處理分析，得到樣品的太赫茲二維圖像。盡管這種系統的成像時間較長，但是用這種成像方法獲取的信息量大，可構建二維、三維圖像，而且每一像素源對應一個太赫茲時域譜，通過對時域譜進行傅里葉變換又可得到每一點的太赫茲頻率響應譜。

    目前，用光學產生太赫茲激光的方法主要有以下幾種，太赫茲氣體激光器；利用超短激光脈沖光電導或光整流產生太赫茲輻射；利用非線性差頻過程(DFG)和參量過程產生太赫茲波。國內建立的掃描式太赫茲成像系統中。太赫茲輻射源采用的是小型商用連續CO2激光泵浦太赫茲激光器，它已獲得推廣應用，是一種遠紅外激光源，結構緊湊，輸出較穩定，功率較高。

    掃描式太赫茲成像系統的原理是：太赫茲激光器產生連續的THz激光，光波首先通過斬波器，從而產生一系列的太赫茲脈沖。為了消除太赫茲光的發散，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。為了實現較好的成像效果，系統通過一個透射率高，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，將光波的光強轉換為電壓值；轉換后的電信號經過采樣、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的PCI-9812數據采集卡，針對美國相干公司生產的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、前觸發、后觸發、中間觸發和延時觸發五種觸發方式，可以通過軟件編程選擇。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時鐘源。在本文的采集系統中，采用了軟觸發的觸發模式，采用了內部脈沖時鐘源。

    采集卡能達到的最高采樣率與采樣的通道數、采集的數據量以及PCI總線帶寬有關。當單次觸發采集的所有通道數據總量不超過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。當數據總量超過32 KWord的FIFO緩存區時，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題，PCI-9812具有四個能同時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、軟件系統的設計

    PCI-9812采集卡支持VC／C++，VB，BorlandC++，Borland Delphi，Labview等軟件開發平臺，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。對于逐點掃描的太赫茲成像系統，其成像過程就是一個循環掃描過程。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，二維移動平臺的設置等功能。為了保證各個像素點之間信息無錯亂，信息傳輸的過程中就要確保二維平臺的移動與數據采集記錄的同步。計算機通過串口來控制平臺伺服系統，設置步幅和方向。為了節省掃描時間，移動平臺則采取“S”型移動，系統運行時，由參數z的符號決定平臺的移動方向，將Z的初始數值設置為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據的各個像素點(x，y)與掃描樣品中各個投射位置是對應的，不會出現像素點混亂的現象。

    數據采集模塊主要是編程驅動采集卡工作。首先利用Register_Card()函數對采集卡注冊，系統的BIOS將會返回一個PCI-9812的注冊號，然后可以用AI_9812_Config()函數來完成采集卡的初始化，設置采集的觸發模式、觸發源、觸發后的采樣點數等。設置這些參數后，可以使用激光器產生太赫茲激光，在對每一個透射點掃描后，調用AI_ContReadChannel()函數(采用多通道時應該調用函數AI_ContScanChannels())啟動對探測器輸出電壓值的A／D采樣，然后調用AI_AsyncCheck()函數查詢采集卡是否采樣完畢。在采樣過程中，采集卡自動以DMA方式把采集到的數據寫入所申請的DMA內存，計算機通過讀取DMA內存來獲取掃描數據。在數據處理時，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。在掃描過程結束后，采集結束時，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點獲取的掃描數據進行計算機比較分析，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、時間延時等來構建采樣物品的圖像，分析每個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。在成像系統對各個位置點掃描后，得到格式為x*y*t的太赫茲成像數據，通過對各個像素點的數據進行歸一化處理。可以得到待測樣品的太赫茲灰度圖像。

    3、結語

    介紹的太赫茲成像數據采集系統，是針對P4-42熱釋電探測器的。它利用凌華公司的PCI-9812數據采集卡進行數據采集，并傳輸給計算機重建圖像，可以實現對太赫茲成像的掃描控制、數據采集和圖像重建等功能。對于太赫茲成像的實際應用具有一定的意義。