基于FPGA的傅里叶变换成像光谱仪实时数据处理系统研究

Interferential imaging spectrometer is a new kind of technology to obtain multidimensional information. It can acquire the spatial and spectral information of detected aims and has very extensive use in civilian and military applications etc. Now the work of interferential imaging spectrometer is commonly firstly acqiring and storing the aim's real-time interferogram and then rebuild its spectrum from the interferogram by using Fourier transform in the future. This work pattern has indeed a lots of excellence, but it is too delayed to the real time application fields such as military use etc. Nowadays, compared with traditional DSP technology the FPGA (field-programmable gate array) devices have many specialities such as small cubage, large capacitance, high speed, short exploitation period and in system programmable ability. In this item a new sort of real-time data processing system of interferential imaging spectrometer should be studied out based on FPGA device. The system can integrate both nonuniformity correction and spectrum rebuilding arithmetics of interferential imaging spectrometer on a single FPGA chip and is suit for the use of visible light and infrared Fourier transform imaging spectrometer. It is running in pipeline mode and can export aim's spectrum in real time with some advantages such as small cubage, low power consumption, high speed and in system modification ability. The accomplishment of this item should establish a good technical foundation on real-time target detection, recognition and application based on spectrum.

干涉式成像光谱技术是一类新型的多维信息获取技术，它能够获得被探测目标的空间与光谱信息，在民用及军事等领域都具有十分广泛的应用。目前，干涉式成像光谱仪系统通常都是在前期实时获取目标的干涉图信息并将之存储，后期再对干涉图信息进行复原处理以获得目标的光谱信息。这种工作方式固然有其优点，但对军事侦查等实时应用场合显得过于迟缓。现代FPGA器件体积小、容量大、速度高，较传统DSP处理技术相比，具有开发周期短、可在线编程和修改等优点。本项目拟研究一种基于FPGA器件的傅立叶变换成像光谱仪实时数据处理系统，它将干涉成像光谱仪非均匀性校正与光谱复原算法集成在一个FPGA芯片内，适用于可见光与红外两种类型光谱仪系统，以流水线方式运行，能够实时输出目标的光谱信息，具有体积小、功耗低、运算速度快及在线修改等优点，可为我国研制具有自主知识产权的实时光谱处理专用芯片及基于光谱的目标实时识别与应用奠定良好的技术基础。

傅里叶变换成像光谱技术是利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过对干涉图进行傅里叶变换得到目标的光谱信息，在民用及军事等领域具有十分广泛而重要的应用。由于干涉式成像光谱仪帧频高、信息量大、算法复杂，其数据处理过程通常是在前期利用干涉仪实时获取目标的干涉图信息并存储，后期再利用电子计算机对存储的干涉图信息进行光谱复原处理而获得目标的光谱信息，这种工作方式不能有效适应军事侦查等实时应用场合的需求。现代FPGA器件体积小、容量大、速度高，较DSP器件或傅里叶变换专用芯片相比，具有开发周期短、可在线编程和修改等优点，非常适合于光谱仪实时光谱复原算法的设计需求。另外，对红外傅里叶变换成像光谱仪，由于干涉图的非均匀性及光谱复原算法对噪声的敏感性，需要对干涉图的非均匀性进行有效的校正处理。基于这种背景，项目的主要目标是研究一种基于大容量、超高速FPGA器件的适于可见光及红外的傅里叶变换成像光谱仪实时数据处理系统，能够对干涉图非均匀性进行有效校正，并实时输出目标的光谱信息。.主要研究内容：红外焦平面阵列器件非均匀性校正算法研究、傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性校正算法研究、红外图像处理技术研究、FPGA技术及应用研究、基于FPGA的傅里叶变换成像光谱仪实时数据处理算法及硬件设计研究、基于基金资助的传感器设计、信号处理算法等拓展性研究。.取得的重要结果包括：（1）对时间调制、空间调制及时间-空间联合调制三种类型的傅里叶变换红外成像光谱仪，分别研究出了相对应的在光谱仪系统组装完成之后进行在线定标及非均匀性校正的新方法，有效简化了光谱仪非均匀性校正过程，提高了校正精度。（2）研究出了一种基于FPGA器件的傅里叶变换成像光谱仪实时数据处理系统，以流水线方式运行，可对干涉图非均匀性进行实时校正，实时输出目标的光谱信息，能够有效适应光谱仪帧频高、信息量大的技术要求。.关键数据及其科学意义：研究出的傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性在线定标与校正新方法，能够实现星载傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性的在轨定标与校正，使光谱仪的成像质量得到极大提高，对提升我国空间成像光谱仪的效能具有重大意义；同时，研究的基于大容量、超高速FPGA器件的傅里叶变换成像光谱仪实时数据处理系统，为未来基于光谱的目标实时识别与应用奠定了良好的技术基础，对军事侦查等领域具有重要的现实意义。