基于DMD的水下数据采集系统研究

作者 / 李世博、蒋学东，中国空空导弹研究院



基于DMD的水下数据采集系统研究

作者 / 李世博、蒋学东，中国空空导弹研究院

水体及其中微粒对光能量的吸收和散射作用，使得信号采样很难满足奈奎斯特采样频率而成为水下光学成像的一大瓶颈，本文提出融合CS理论的水下压缩成像技术，并进行了基于DMD的水下数据采集系统的设计研究。首先介绍了单像素相机的工作机理，并选择光电倍增管（PMT）做为探测器，同时提出双倍增管结构，大大提高了水下压缩成像技术的重构精度。最后实现了水下数据采集系统的结构和电控方案设计，体现了该数据采集系统的可行性。

DMD 奈奎斯特；压缩感知（CS）；光电倍增管（PMT）；数据采集

水体对光能量的高吸收特性和水中微粒对成像光束的散射作用，导致有效成像信号的采样很难达到奈奎斯特采样频率，这是水下光学成像技术的一大瓶颈［1］。近几年新兴的压缩感知（Compressed Sensing，CS）理论［2］为打破水下光学成像领域的这一技术瓶颈提供了全新的解决思路。

1. 单像素相机工作原理

数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）由美国德州仪器公司（TI）开发，是一种极小的反射镜阵列组合，这些微镜全部悬浮着并可向两侧倾斜12°左右，从而可构成“开”和“关”这两种工作状态。为了获得不同的反射状态，微镜工作时需对成千上万个微镜器件进行适时控制。

图1 单像素压缩成像系统

如图1所示，单像素相机的工作原理如下。压缩采样过程中，对于一个给定的图像α，每一次不同的微镜状态由采样矩阵Φ中的该次采样的向量φi中的对应元素确定，将选定的成像光束反射至光电二极管方向，经凸透镜Lens 2汇聚后被光电二极管接收，形成一个采样值yi，完成一次采样。重复M次该过程（每次对应的φi不同）得到由M个采样值yi组成的采样向量Y。由于单像素相机的采样向量Y具有普适性，基于更好的稀疏变换重建算法将会有效提高成像质量。

2. 双倍增管结构

■2.1 光电探测器的选择

水下数据采集系统选用距离选通技术来滤除后向散射等杂散光对成像光束的干扰，传统距离选通技术的本质是通过控制硬件来实现对系统时序的控制，从而有效滤除后向散射等杂散光。由于传统距离选通技术的本质在于控制系统时序，所以它无法滤除与“成像光束”同时到达的杂散光。软距离选通技术为解决传统距离选通技术的固有缺陷提供了建设性的思路［3］。

软距离选通技术与传统距离选通技术的本质相同，但其不设置选通快门等硬件，而利用水下数据采集系统特定的高频率接收器件对能够到达光电探测器件的“成像光束”和“非成像光束”进行全程接收并对有用信号进行提取来实现有效的水下光学成像。提取特定时间点的点采样值组成压缩采样值向量yi，即可通过重构算法获得与特定时间点相应的空间距离处的目标图像。

单像素相机的数据采集系统使用光电二极管，本文在选择光电探测器时需考虑水下成像的特殊性。光电探测器的性能参数主要与响应和噪声这两方面有关［4］。与响应有关的性能参数包括响应度、量子效率、响应时间和频率响应；与噪声有关的性能参数［5］主要包括信噪比S/N，噪声等效功率NEP与探测率D等。针对上述参数，调研对比可知，光电倍增管（photomultiplier，PMT）的最低输入光通量最低，最大灵敏度最大，这两点特性表明在典型光子探测器中光电倍增管是最适合进行水下精密微光测量的。同时光电倍增管最佳的线性度保证了采集信号的精确度，最快的频率响应和最短的上升时间这一动态特性也更好地满足了高速、动态采样，因此本文将光电倍增管用于水下数据采集系统。

■2.2 双倍增管结构的提出

在单像素压缩采样过程中，采样矩阵是双极性的，故而正极性目标图像的采样值也应该是双极性的。然而实际成像系统中DMD的反射光束以及光电倍增管的输出值都是正极性的，这就形成了系统的固有缺陷。为了弥补这一缺陷，系统先须获取偏置电压Ums，然后通过计算对原始采样值加以矫正。

首先应将采样值中的偏置电压Ums去掉，电压Vm对应的采样值可表示为

y（m）=Vm-Ums （1）

然后编程使DMD上的所有微镜都偏向±12°方向，此时采集到的电压值为y（1），进行如下式的处理，即可将单极性的y（m）转换成双极性的采样值

y（m）=2y（m）-y（1） （2）

系统本身存在微镜校准误差以及暗电流、光信号电流、背景光电流以及负载电阻的热噪声和电磁干扰等问题，采用上述矫正方案，不仅增加了运算量，而且在偏置电压Ums和微镜全反射电压y（1）的采集过程中引入了新的系统误差，这些将会大幅降低图像重构质量。

针对上述问题，本文提出双倍增管系统，如图2所示，该系统以垂直于DMD平面的方向为法线，对称布置两个同型号的光电倍增管来采集DMD的反射光线。

图2 双倍增管系统的结构图

图2中微镜可保持与DMD平面成+12°、0°和-12°这三种状态，依次对应采样值中的+1、0和-1这三个数值。+12°方向和-12°方向的反射光束经过汇聚透镜后分别被两个同型号的光电倍增管接收、A/D转换并进行相减运算，这样便能直接获得采样值y（m），用公式表示如下

y（m）=y1（m）-y2（m） （3）

其中，y1（m）为﹢12°方向的采样值，y2（m）为-12°方向的采样值，显然此处的采样值y（m）是双极性的，不必再经运算即可直接进行运用。两个采样通道完全对称，因此通过式（3）相减运算，便精确消除了偏置电压Ums。双倍增管系统减少了采样次数、降低了计算复杂度，且巧妙避开了采样和补偿误差，保证了采样值的鲁棒性，从而有效地提高了采样精度。

3. 水下数据采集系统的设计

■3.1 结构设计

系统结构由测量系统组件、光电倍增管、前放电路模块、数据采集卡、遮光罩、壳体、信号与电源接口组成。其中测量系统组件包含DMD芯片组、成像镜头、能量接收镜头、成像监测CCD和电源，该组件通过成像镜头把像成在DMD靶面上，经微镜阵列选择性反射后，像面的部分光能量被反射进入能量接收镜头，然后被光电倍增管接收。同时，在成像光路中设置监测CCD，其靶面位置与DMD靶面位置为共轭关系，利用CCD来监测DMD靶面的离焦情况；调焦使监测CCD靶面成像清晰后，即可判断DMD靶面的成像是否清晰。

■3.2 电控系统设计

电控系统的设计目的包括：（1）DMD中微镜阵列的翻转控制；（2）光信号的接收和光电转换；（3）信号数据的同步采集和传输；（4）要在实现前三个目的的前提下尽可能地提高系统抗干扰能力并减小系统噪声。

电控系统的总体框图如图3所示。电控系统主要由试验箱、计算机和电源箱组成。试验箱是系统的主体部分，内含光学镜头、DMD、光电倍增管、数据采集卡等部件。电源箱为试验箱中的部件提供电源，如光电倍增管所需的高压直流电源、DMD和数据采集卡所需的低压直流电源等。计算机用于控制DMD微镜按要求翻转、接收数据采集卡传来的数据以及对数据作后续处理。

图3 电控系统总体框图

从DMD反射的光分别经汇聚镜头汇聚后由光电倍增管1和光电倍增管2接收。两路光电倍增管的输出信号分别接入数据采集卡的两个模拟输入通道。计算机通过

USB接口控制DMD工作，微镜每翻转一次，DMD输出一个同步脉冲，这个脉冲作为数据采集卡的外同步信号触发采集卡采集数据。采集到的数据通过以太网传输至计算机。

系统工作流程大致如下：开机后，DMD系统的内存加载N个采样矩阵，加载完成进入待机状态，当接收到计算机触发信号，DMD微镜根据N个采样矩阵依次翻转，每次翻转完成发出一个翻转完成脉冲信号，作为同步信号触发数据采集卡对光电探测器的输出进行数据采集，N次采集完成后将数据传输至计算机做后续处理，然后计算机触发DMD系统进入下一周期采集。

4. 总结

本文首先研究了单像素相机的工作机理，并选择光电倍增管做为探测器，同时针对单像素采样系统的采样值单极性、运算过程复杂以及不能避免采样和补偿误差等缺陷提出了双倍增管结构，有效提高了图像重构精度。最后在此基础上进行了系统方案设计，体现了系统的可行性。

＊ ［1］ Fournier G R， D.Bonnier， Forand L， LUCIE ROV mounted las er imaging system ［C］. Proc. SPIE， 1992， 1750： 443-452.

＊ ［2］ Fournier G R， Forand J L， Mathieu P， Range-Gated Active Underwater Imaging： Evolution， performance and Perspectiv es ［C］. Proc. Ocean Sciences Meeting's Presentation， Confere nce report， 2008： 1-29.

＊ ［3］ 吕沛，周仁魁，何俊华，刘海英. 水下单像素成像系统研究［J］.光电子·激光， 2011，22（9）：1425-1430.

＊ ［4］ http：//wenku.baidu.com/link？url=7tRZAyeZckluhrjkmbp5yE6ubfLf9eZ_b0-b_L23A4188w4WS5LOBCzOSSG1jnG9 v1QmGCNyFVUfQqHtaRyoiVoeKWGZZO0fce3pxPx2jm. 光电探测器的物理基础.

＊ ［5］ 解光勇. 光电探测器噪声特性分析［J］.信息技术， 2008： 8-10.