基于PCI-9812的太赫兹成像数据采集系统设计

 太赫兹波(THz)指频率在0．1～10 THz(1 THz=1012Hz)范围内的电磁波，波长范围在30μm～3 mm，这一波段位于微波和红外辐射之间，因此太赫兹波兼有波与光的特性，在物体成像、时域谱分析、医学诊断、环境监测、空间遥感和军事安全等方面都展现出巨大的应用前景。太赫兹波的光子能量仅4．1 meV，没有X射线的电离特性，不会对材料和人体造成伤害，因此太赫兹成像技术比X射线有更大的应用优势。20世纪90年代以后，由于自由电子激光器和超快技术的发展，为THz脉冲的产生提供了稳定可靠的激发光源，世界各国都在各个领域展开了对太赫兹波技术的研究。近些年，我国的科研工作者也开展了对太赫兹波技术的大量研究工作，目前的太赫兹成像技术研究工作主要集中在对逐点扫描太赫兹成像的研究上。这种成像方法的基本原理是，利用已知波形的太赫兹波作为成像射线，透过成像样品或从样品反射的太赫兹电磁波的强度和相位(包含了样品复介电常数的空间分布)并将透射或反射的太赫兹电磁波强度或相位信息记录下来，经过数字处理分析，得到样品的太赫兹二维图像。尽管这种系统的成像时间较长，但是用这种成像方法获取的信息量大，可构建二维、三维图像，而且每一像素源对应一个太赫兹时域谱，通过对时域谱进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频率响应谱。
    目前，用光学产生太赫兹激光的方法主要有以下几种，太赫兹气体激光器；利用超短激光脉冲光电导或光整流产生太赫兹辐射；利用非线性差频过程(DFG)和参量过程产生太赫兹波。国内建立的扫描式太赫兹成像系统中。太赫兹辐射源采用的是小型商用连续CO2激光泵浦太赫兹激光器，它已获得推广应用，是一种远红外激光源，结构紧凑，输出较稳定，功率较高。
    扫描式太赫兹成像系统的原理是：太赫兹激光器产生连续的THz激光，光波首先通过斩波器，从而产生一系列的太赫兹脉冲。为了消除太赫兹光的发散，一般要采用一个聚乙烯透镜准直光路，将激光聚焦在待测样品上。样品被置于一个由计算机编程控制的、可沿x，y方向扫描的线性步进平台上，平台载着待测样品在光焦处二维移动。为了实现较好的成像效果，系统通过一个透射率高，损耗小的聚乙烯透镜将带有样品信息的THz光聚焦在探测器上，将光波的光强转换为电压值；转换后的电信号经过采样、A／D转化，然后传输给计算机构建太赫兹图像。
    这里的主要工作是利用凌华公司生产的PCI-9812数据采集卡，针对美国相干公司生产的P4-42探测器，设计出用于太赫兹成像系统的数据采集系统。

l PCI-9812数据采集卡介绍
    PCI-9812是台湾凌华科技公司推出的基于32位PCI总线的四通道高速数据采集卡，12位的模拟量输入分辨率，板内带有32 KB的FIFO缓冲器，最高采样频率可以达到20 MHz，这就保证了数据采集电路较高的精度和速度。它具有软件触发、前触发、后触发、中间触发和延时触发五种触发方式，可以通过软件编程选择。此外，它还具有内部脉冲、外部脉冲和外部正弦三种可供编程选择的A／D时钟源。在本文的采集系统中，采用了软触发的触发模式，采用了内部脉冲时钟源。
    采集卡能达到的最高采样率与采样的通道数、采集的数据量以及PCI总线带宽有关。当单次触发采集的所有通道数据总量不超过32 KB的FIFO缓存时，每通道都可以按最高的20 MHz A／D采样速度来采样。当数据总量超过32 KWord的FIFO缓存区时，要以DMA方式直接传送数据到计算机内存。在本文的采集系统中，使用了一个通道，选择的是通道0，可供FIFO达到32 KB，最大数据传输能力为40 MB／s。需要注意的是，在电路连接时不仅要考虑PCI-9812输入电压的范围，还应该考虑输入阻抗的问题，PCI-9812具有四个能同时高速采集双极性信号的A／D转换器，输入电压范围为-1～+1 V或-5～+5 V，可通过硬件的焊封进行选择，输入阻抗也可通过电路板上的硬件焊封来选择。可以选择的阻抗值有：当-1～+1 V输入时的15 MΩ和50 Ω(默认值)；当-5～+5 V输入时的1．25 kΩ和50 Ω(默认值)。P4-42探测器采用的是15 V电压源，输出电阻为50 Ω，其输出最大电压值约为12 V，所以在连接采集卡前要串联一个分压电阻。本文的采集卡输入范围为-5 V～+5 V，输入电阻为1．25 kΩ，串联的分压电阻为1．8 kΩ。此时，输入到采集卡的最大电压值为4．84 V。

2 软件系统的设计
    PCI-9812采集卡支持VC／C++，VB，BorlandC++，Borland Delphi，Labview等软件开发平台，主要使用VC++6．0。主要包括扫描控制模块、数据采集模块和数据处理模块，软件系统设计的流程图如图1所示。对于逐点扫描的太赫兹成像系统，其成像过程就是一个循环扫描过程。平台载着待测样品移动到待测位置后，计算机控制THz源发射激光，探测器接收光信号并转换成电压值，数据采集卡采集电压值，并传输给计算机，由计算机将数据进行处理，生成该位置点(x，y)的像素值并存储，然后再控制平台移动向下一个待测位置进行扫描。[!--empirenews.page--]
    扫描控制模块用于实现对光路部分的控制，它主要包括了激光频率的选择，斩波频率的设置，二维移动平台的设置等功能。为了保证各个像素点之间信息无错乱，信息传输的过程中就要确保二维平台的移动与数据采集记录的同步。计算机通过串口来控制平台伺服系统，设置步幅和方向。为了节省扫描时间，移动平台则采取“S”型移动，系统运行时，由参数z的符号决定平台的移动方向，将Z的初始数值设置为1，通过Y+Z就可以得出此时采集点的准确像素点坐标，这就保证了计算机存储数据的各个像素点(x，y)与扫描样品中各个投射位置是对应的，不会出现像素点混乱的现象。

    数据采集模块主要是编程驱动采集卡工作。首先利用Register_Card()函数对采集卡注册，系统的BIOS将会返回一个PCI-9812的注册号，然后可以用AI_9812_Config()函数来完成采集卡的初始化，设置采集的触发模式、触发源、触发后的采样点数等。设置这些参数后，可以使用激光器产生太赫兹激光，在对每一个透射点扫描后，调用AI_ContReadChannel()函数(采用多通道时应该调用函数AI_ContScanChannels())启动对探测器输出电压值的A／D采样，然后调用AI_AsyncCheck()函数查询采集卡是否采样完毕。在采样过程中，采集卡自动以DMA方式把采集到的数据写入所申请的DMA内存，计算机通过读取DMA内存来获取扫描数据。在数据处理时，还要调用数据转换函数AI_ContScale()将采集数据量转换到相应的电压值。在扫描过程结束后，采集结束时，要用AI_AsyncClear()函数停止采集卡，用Release_Card()函数释放采集卡。
数据处理模块主要用于对各个点获取的扫描数据进行计算机比较分析，构建采样物品的太赫兹图像。太赫兹波对每个点扫描时，可以获取的信息量是很大的，可以通过分析光强、相位、时间延时等来构建采样物品的图像，分析每个参数都要采用各自的算法。这里主要针对P4-42热释电探测器，将太赫兹光的强度转换为电压信号，因此本文通过分析电压信号的峰峰值，来获取样品上每个点对太赫兹光波的吸收强度，作为太赫兹图像中各个像素的像素值。在成像系统对各个位置点扫描后，得到格式为x*y*t的太赫兹成像数据，通过对各个像素点的数据进行归一化处理。可以得到待测样品的太赫兹灰度图像。

3 结语
    介绍的太赫兹成像数据采集系统，是针对P4-42热释电探测器的。它利用凌华公司的PCI-9812数据采集卡进行数据采集，并传输给计算机重建图像，可以实现对太赫兹成像的扫描控制、数据采集和图像重建等功能。对于太赫兹成像的实际应用具有一定的意义。