基于FPGA的極紫外光譜圖像處理系統(tǒng)

孫波 劉沖 張洪明 呂波,3 尹相輝 林子超,3 沈永才計華健,3 符佳 王福地 胡奎,5 范玉 毛立宇 曾超

1（南華大學 電氣工程學院 衡陽 421001）

2（中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院 等離子體物理研究所 合肥 230031）

3（中國科學技術(shù)大學研究生院 科學島分院 合肥 230031）

4（合肥師范學院 物理與材料工程學院 合肥 230601）

5（安徽大學 物質(zhì)科學與信息技術(shù)研究院 合肥 230601）

東方超環(huán)（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）全超導托卡馬克磁約束聚變實驗裝置是由中國科學院等離子體物理研究所設計并運行，用于研究近堆芯高參數(shù)和長脈沖穩(wěn)態(tài)先進等離子體運行問題的重要實驗平臺［1］。由于等離子體與裝置壁之間的相互作用，EAST等離子體中不可避免會產(chǎn)生雜質(zhì)成分。這些雜質(zhì)會降低等離子體約束性能，甚至造成等離子體破裂并對裝置安全造成威脅。因此，如何有效地測量雜質(zhì)含量對托卡馬克裝置運行和雜質(zhì)行為物理研究有著重要的意義［2-4］。目前，EAST裝置上已經(jīng)發(fā)展了可見光波段、真空紫外（Vacuum Ultraviolet，VUV）波段、極紫外（Extreme Ultraviolet，EUV）波段和X射線波段等多套光譜診斷系統(tǒng)來觀測等離子體中雜質(zhì)輻射［5］。2011年在EAST裝置上研制了首套EUV光譜診斷系統(tǒng)，用于高溫等離子體高電離態(tài)雜質(zhì)線輻射研究，工作波段1~50 nm［6-8］。EUV光譜診斷系統(tǒng)使用電荷耦合器件（Charge Coupling Device，CCD）探測器進行光譜圖像的采集，所采集光譜圖像的橫、縱坐標像素代表了不同的空間位置和波長位置，像素點的灰度則反映了光譜強度，可通過軟件將原始圖像數(shù)據(jù)顯示成三維譜線圖等多種形式用于實驗數(shù)據(jù)的分析。

EUV光譜診斷系統(tǒng)所采集的光譜圖像存在噪聲干擾，主要是由于CCD探測器在采集光譜的過程中會引入各種各樣的噪聲，從而影響測量結(jié)果的準確性［9］。其中暗電流的累積所引起的噪聲會導致光譜曲線出現(xiàn)基線漂移，在光譜圖上形成較大波動和毛刺，對成像質(zhì)量造成較大影響［10-11］。研究表明，制冷溫度達到-30~-50 ℃時，暗電流能得到有效抑制［12-14］。同時，EAST等離子體發(fā)出的硬X射線輻射直接照射在CCD探測器感光芯片上，會在光譜圖像上產(chǎn)生大量的單像素毛刺噪聲，為準確分析等離子體中的雜質(zhì)輻射帶來了嚴重干擾。通過優(yōu)化CCD探測器結(jié)構(gòu)設計，提高系統(tǒng)屏蔽硬X射線能力可以在一定程度上抑制噪聲的產(chǎn)生，但是對目前商業(yè)化的CCD探測器而言，很難進行有效的結(jié)構(gòu)改造。此外，由于EUV光譜診斷系統(tǒng)采用掠入射的光路結(jié)構(gòu)，硬X射線可以穿透光譜儀真空腔室直接照射在CCD探測器感光芯片上?？紤]到未來聚變堆需要長脈沖運行，在運行的過程對采集的數(shù)據(jù)進行實時的處理會更有利于判斷運行狀態(tài)與保護裝置安全，因此，將去噪算法直接與硬件系統(tǒng)結(jié)合對采集圖像進行實時優(yōu)化成為新的發(fā)展方向［15-17］。

現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足對于光譜圖像的實時優(yōu)化和去噪處理的計算需求。此外，F(xiàn)PGA可進行重復編程，可以根據(jù)后續(xù)的需求對去噪算法進行調(diào)整和優(yōu)化，以適應不同的光譜圖像和噪聲特征，而無須進行硬件系統(tǒng)的更換。更重要的是，F(xiàn)PGA可以與CCD探測芯片、數(shù)據(jù)采集模塊等進行連接和協(xié)同工作，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理，形成完整的硬件采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)整體的性能和效率。

基于上述考慮，本文設計了一套基于FPGA的EUV光譜圖像處理系統(tǒng)，用于實時、便捷地去除采集圖像中的干擾噪聲。基于改進的限幅濾波算法為核心進行EUV光譜處理系統(tǒng)設計，可以有效地檢測和去除噪聲點，最大程度保留圖像的原始信息。此外，該系統(tǒng)使用FPGA實現(xiàn)算法，能夠集成到CCD探測器中，提高探測器輸出圖像數(shù)據(jù)的可讀性。

1 系統(tǒng)整體設計

本文設計的EUV光譜圖像處理系統(tǒng)主要包含Testbench模塊、HDMI（High Definition Multimedia Interface）傳輸模塊、離均差去噪模塊和數(shù)據(jù)判別限幅濾波模塊。Testbench模塊可以用于生成測試激勵（波形），并且用于檢查待測模塊是否滿足設計要求。由于EAST實驗裝置在復雜環(huán)境下進行，無法現(xiàn)場進行仿真調(diào)試，所以使用Testbench模塊將BMP（Bitmap）格式的光譜圖片轉(zhuǎn)換成視頻流發(fā)送出去來模擬實時采集場景，并在處理完成后將視頻流重新制作成BMP光譜圖片來觀察算法處理效果。HDMI傳輸模塊基于輸入接口芯片SIL9011和輸出接口芯片ADV7511來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回環(huán)。由于HDMI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位寬為24 bit，故輸入環(huán)節(jié)將8 bit位寬的圖像數(shù)據(jù)進行低位擴充，擴充后的數(shù)據(jù)通過HDMI后再恢復至8 bit位寬進行處理，輸出環(huán)節(jié)反之。離均差去噪模塊接收原始光譜圖像并進行第一次濾波，主要去除一些幅值較大的干擾噪聲。數(shù)據(jù)判別限幅濾波模塊接收經(jīng)過離均差去噪模塊預處理后的圖像數(shù)據(jù)，能去除一些中小幅值的干擾噪聲，且不影響幅值較大的有效信號。光譜圖像經(jīng)過該系統(tǒng)后，能去除3個位寬以下的光譜噪聲并保持有效光譜數(shù)據(jù)的真實性。EUV光譜圖像處理系統(tǒng)以并行流水線的處理方式進行工作，具有速度快、體積小、兼容性強等特點。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖Fig.1 Block diagram of the system design

BMP圖像是Windows操作系統(tǒng)中的標準圖像文件格式，采用位映射存儲格式，不采取任何壓縮。實驗所用到的BMP格式光譜圖像單幅大小4 195 382個字節(jié)，包含4個部分：文件頭，共14字節(jié)，保存文件的格式、大小等信息；位圖信息，共40字節(jié)，保存圖像數(shù)據(jù)的尺寸、位平面數(shù)、壓縮方式、顏色索引等信息；調(diào)色板，共1 024字節(jié)，是索引與其對應顏色的映射表；位圖數(shù)據(jù)，共4 194 304字節(jié)，包括所有的光譜信息。

根據(jù)BMP的格式信息編寫Testbench文件，利用原BMP文件的前1 078字節(jié)生成一個不包含位圖數(shù)據(jù)的空白BMP文件，再將經(jīng)過處理的位圖數(shù)據(jù)按順序填充進去，制作成新的BMP文件。BMP生成流程如圖2所示。

圖2 BMP文件生成流程圖Fig.2 Flowchart for BMP file generation

2 濾波算法

2.1 數(shù)字濾波算法的選擇

針對干擾信號常用的濾波算法有中值濾波算法、滑動平均濾波算法以及限幅濾波算法［18］。中位值濾波算法能夠有效克服偶然因素引起的脈沖干擾，對緩慢變化的被測量數(shù)據(jù)有較好的濾波效果，但不適用于快速變化的實驗數(shù)據(jù)［19］?；瑒悠骄鶠V波算法適用于高頻振蕩系統(tǒng)，對周期性干擾有良好的去噪效果，但靈敏度低，對偶然脈沖干擾的抑制作用較差［20］。以上兩種使用較廣的濾波算法雖然去噪效果較好，但是對所有數(shù)據(jù)均進行處理，破壞了采集數(shù)據(jù)的真實性。

限幅濾波算法是一種消除偶然脈沖干擾的方法。與中位值濾波算法不同的是，它僅針對出現(xiàn)干擾的數(shù)據(jù)段進行處理，能很好地保護數(shù)據(jù)的整體真實性。限幅濾波算法通過樣本集來確定兩次采樣的最大允許誤差。如果前后采樣值的偏差超過了限幅閾值D，認定發(fā)生了隨機干擾，并用采樣值Xn-1替代非法采樣值Xn。若兩者之間的偏差未超過限幅閾值，則認為本次采樣值有效。使用Xn來代表第n個樣本數(shù)據(jù)，D代表預先設置的限幅閾值，可將公式描述為：

限幅閾值的取值需要兼顧干擾噪聲的去除和有效光譜的保持，如限幅閾值設置過大，會漏掉偏差低于閾值的低頻噪聲，如果限幅閾值設置過小，一些高頻有效信號會被視為噪聲去除［21］。所以設置固定的閾值不具有合理性和普適性，容易導致處理后的光譜信號失真且降噪效果不理想。

2.2 限幅濾波算法的改進

為了進一步提高算法的有效性，本文將標準差和離均差引入限幅濾波算法。標準差描述數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)，還可以作為度量標準，描述某個具體數(shù)值與均值的標準距離。標準差隨著數(shù)據(jù)波幅而改變。相較于固定限幅閾值，使用樣本集的標準差作為閾值減弱了原本算法中的限幅效果，增強了算法對形態(tài)上較為尖銳的波峰的檢測效果。離均差是數(shù)據(jù)與均值之差，反映了原始數(shù)值偏離均值的程度，相較于樣本偏差更加平滑穩(wěn)定，在數(shù)值波動較大的情況下能保留更多的原始信息。在EUV光譜圖像數(shù)據(jù)中，最窄的有效數(shù)據(jù)寬度為3個像素點，當采樣窗口寬度設置為5或7時，會提高3信號位寬數(shù)據(jù)的誤判率，影響最終的處理結(jié)果，經(jīng)測試后將采樣窗口寬度設置為3最為合理。經(jīng)過上述改進后的離均差去噪算法如下：

式中：S為樣本集標準差；X為樣本值。

離均差算法能夠去除幅值較大的干擾噪聲，但是對于中小幅值噪聲的效果并不理想。針對這一情況，根據(jù)EUV的光譜特性加入數(shù)據(jù)判別環(huán)節(jié)：當濾波算法檢測出異常值時，比較當前數(shù)據(jù)是否大于兩倍樣本集最小值，如成立則判定該數(shù)據(jù)為高幅值有效信號，反之則判定該信號為干擾噪聲。加入數(shù)據(jù)判別的限幅濾波算法依舊使用樣本集標準差代替限幅閾值。數(shù)據(jù)判別限幅濾波算法由于加入了數(shù)值條件上的限制，已無法對幅值過大的樣本集進行處理，但對中小幅值、位寬低于3的干擾噪聲依舊有很強的過濾效果，所以該算法能夠去除大量的中小幅值噪聲且高位有效數(shù)據(jù)得以更好地保留。

3 仿真實驗

本文仿真實驗選取兩次EAST裝置實驗（放電炮號：#114816和#114832）中的EUV光譜數(shù)據(jù)進行處理對比。使用Andor Solis軟件將SIF格式光譜輸出為BMP格式光譜圖像，單幀圖像尺寸為2 048×2 048 pixels，單個像素點灰度深度為256。如圖3（a）所示，其中橫軸為光譜診斷系統(tǒng)觀測的波長，縱軸為等離子體輻射在垂直方向的強度分布，而圖像顏色在圖3（b）中表示輻射譜線的強度。在利用CCD探測器進行圖像采集過程中，對垂直方向的2 048個通道進行了信號并道（Binning）處理，垂直方向通道Binning為20個采集通道，以增強信號信噪比，并降低圖像讀出時間。圖3（b）展示了20個通道的譜線強度。

圖3 探測器采集軟件用兩種模式顯示的放電炮號#114816第19幀原始數(shù)據(jù)(a) 二維Image光譜圖，(b) 三維光譜分布圖（彩圖見網(wǎng)絡版）Fig.3 Raw data of frame 19 of discharge sequence number #114816 displayed in detector acquisition software in two modes(a) Two-dimensional image spectrogram, (b) Three-dimensional spectral distribution (color online)

系統(tǒng)使用EUV圖像采集系統(tǒng)進行原始數(shù)據(jù)的采集，AX7Z100 ZYNQ平臺進行仿真驗證，基于VIVADO 2017.4進行設計。系統(tǒng)實驗平臺如圖4所示，EUV圖像采集系統(tǒng)主要由Andor CCD探測器、McPHERSON光譜儀、光路結(jié)構(gòu)及連接設備組成，F(xiàn)PGA仿真驗證平臺由5 V電源供電器、HDMI輸入線、HDMI輸出線及AX7Z100開發(fā)板所帶板間資源等組成。圖像通過兩根HDMI線組成一個數(shù)據(jù)回環(huán)來實現(xiàn)圖像的輸入輸出，首先PC端通過仿真激勵模塊將原始圖片轉(zhuǎn)換為視頻流，經(jīng)過數(shù)據(jù)的位寬轉(zhuǎn)換后通過HDMI輸入至開發(fā)板，輸入圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA降噪處理后，再通過HDMI輸出至PC端進行位寬轉(zhuǎn)換并生成圖片。EUV圖像處理系統(tǒng)的仿真時序波形圖如圖5所示。其中clk為時鐘信號；rst為復位信號；以BMP開頭的信號表明了光譜圖片的位圖信息；wr_data和dout是圖像數(shù)據(jù)的輸入輸出信號；din_vld是輸入數(shù)據(jù)有效信號，高電平有效；dout_vld是輸出數(shù)據(jù)有效信號，高電平有效，有效起始位相比din_vld延遲了9個時鐘周期。

圖4 系統(tǒng)實驗平臺照片 (a) EUV圖像采集系統(tǒng)，(b) FPGA仿真驗證平臺Fig.4 Photos of system experimental platform (a) EUV image acquisition system, (b) FPGA simulation platform

圖5 仿真時序波形圖Fig.5 Simulation sequence diagram

通過仿真時序波形圖可知，一個時鐘周期可以處理一個像素數(shù)據(jù)，在時鐘頻率設置為100 MHz的情況下，處理一幅大小2 048×2 048 pixels的光譜圖像約用時42 ms。CCD探測器的采集幀率為每秒5幀，通過FPGA實現(xiàn)的EUV光譜圖像處理算法可以達到實時處理的效果。

4 分析與討論

對圖6中EUV光譜圖像處理效果對比圖進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)，放電炮號#114816第19幀原始圖像所含噪聲較少，經(jīng)過該系統(tǒng)處理后所含噪聲點基本去除。放電炮號#1148132第9幀原始圖像所受噪聲干擾嚴重，在單通道上已無法觀測，但經(jīng)過本文系統(tǒng)處理后噪聲點大幅減少，數(shù)據(jù)可用性明顯提高。根據(jù)圖像處理結(jié)果，該系統(tǒng)基本達到我們預期的去噪效果。

圖6 EUV光譜圖像處理效果對比圖（放電炮號#114816、#114832）(a) #114816圖像處理前，(b) #114816圖像處理后，(c) #114832圖像處理前，(d) #114832圖像處理后Fig.6 Comparison chart of EUV spectral image processing effect (discharge sequence #114816, #114832)Before #114816 (a) and after #114816 (b) image processing, Before #114832 (c) and after #114832 (d) image processing

光譜圖像數(shù)據(jù)的相鄰行數(shù)代表了相鄰的空間位置，相鄰行的對應列數(shù)據(jù)不會發(fā)生較大的突變。根據(jù)這一現(xiàn)象可以對比圖7放電炮號#114816第19幀3、4、5通道譜線圖來鑒別有效信號位置、真實信號強度以及干擾噪聲，其中圖注“channel_3”、“channel_4”和“channel_5”分別代表了放電炮號#114816光譜圖像處理前的3、4和5通道數(shù)據(jù)。圖中標注序號a、b、e處均有幅值較小的干擾噪聲；標注序號c、d處則是有效波峰中混入了干擾噪聲，影響了原本的真實信號值。該幅圖像受噪聲影響較少，在其余位置并未出現(xiàn)大幅值的干擾噪聲。

圖7 放電炮號#114816第19幀3、4、5通道譜線圖 (a) 第3通道，(b) 第4通道，(c) 第5通道Fig.7 Spectra diagram of channel 3, 4 and 5 in frame #19 of discharge sequence number #114816(a) Channel 3, (b) Channel 4, (c) Channel 5

圖8展示了EAST放電炮號#114816放電過程中采集的第19幀4通道的處理前后光譜，圖注original和denoising分別代表了原始光譜數(shù)據(jù)和處理后光譜數(shù)據(jù)。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)：標注序號a、b、j處的干擾噪聲完全去除；標注序號c、d處受到噪聲影響的波峰有所恢復，且輸出值接近于預估真實值；標注序號e、f、g、h、i處波峰強度在去噪后有所下降，是因為這幾處原始光譜寬度較窄，在波峰處的形態(tài)特征接近于干擾噪聲，導致系統(tǒng)誤判。

圖8 放電炮號#114816第19幀4通道譜線處理前后對比圖Fig.8 Comparison of spectra of channel 4 before and after processing in frame 19 of discharge sequence number #114816

如圖9所示，在EAST #114832次放電過程中采集的第9幀4、5、6通道譜線圖。圖中標注序號a、c、e處在三張譜線圖中均有出現(xiàn)且數(shù)值相似，可以確定為有效波峰；標注序號b、d處在前后位置有出現(xiàn)，但數(shù)值不同，可以確定為被噪聲干擾的有效波峰；其余若干波峰經(jīng)過前后位置的對比，可以確定是由噪聲干擾引起的譜線波動。

圖9 放電炮號#114832第9幀4、5、6通道譜線圖 (a) 第4通道，(b) 第5通道，(c) 第6通道Fig.9 Spectra diagram of channel 4, 5 and 6 in frame 9 of discharge sequence number#114832(a) Channel 4, (b) Channel 5, (c) Channel 6

圖10為放電炮號#114832第9幀5通道譜線處理前后對比圖。經(jīng)過觀察可以發(fā)現(xiàn)，序號a、c處在處理后有效數(shù)據(jù)得到完美保留；序號b、d處光譜強度降低，且降低后數(shù)值接近預估真實值；序號e處有效波峰受到影響，強度遭到削弱；序號f處數(shù)據(jù)鑒別為噪聲，BMP圖像處理系統(tǒng)檢測出異常，仍有部分噪聲未完全去除；其余未標注的噪聲部分基本達到預期處理效果。

圖10 放電炮號#114832第9幀5通道譜線處理前后對比圖Fig.10 Comparison of spectra of channel 5 before and after processing in frame 9 of discharge sequence number #114832

為了進一步檢驗該系統(tǒng)的去噪能力，在無噪聲影響的EUV光譜圖像中添加隨機噪聲來測試系統(tǒng)去噪效果。根據(jù)噪聲特性，通過Matlab在光譜圖像的每個通道加入25個噪聲，一幅圖像20個通道共計500個噪聲。圖11展示了兩次分別進行加噪處理后的原始光譜、加噪光譜及處理后光譜對比圖，其中圖注signal w/ noise_1、denoising_1、 signal w/ noise_2、denoising_2、original分別表示第一幅加噪光譜、第一幅處理后光譜、第二幅加噪光譜、第二幅處理后光譜、原始光譜。經(jīng)觀察在序號a處有未處理完全噪聲，查閱該位置數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在該處位置生成了3位寬噪聲，導致處理系統(tǒng)未能將其識別。系統(tǒng)共對兩幅圖像中1 000處添加噪聲進行處理，經(jīng)統(tǒng)計，去噪率達到98.2%，且譜線未出現(xiàn)失真情況。

5 結(jié)語

針對EAST托卡馬克裝置上EUV光譜診斷系統(tǒng)所采集的光譜圖像存在硬X射線噪聲干擾的問題，本文討論了將改進后的限幅濾波算法用于EUV光譜去噪的可行性，并以改進后算法為基礎(chǔ)設計了EUV光譜圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過改進型限幅濾波算法對輸入的光譜數(shù)據(jù)進行分階段操作，第一階段檢測大幅值噪聲可能存在的位置并進行處理；第二階段只檢測中小幅值噪聲而不檢測大幅值的數(shù)據(jù)波動。實驗結(jié)果表明，該EUV光譜圖像處理系統(tǒng)能有效解決EAST托卡馬克裝置上EUV光譜診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中硬X射線產(chǎn)生的干擾問題，提高了實驗數(shù)據(jù)的可觀測性。同時該系統(tǒng)基于FPGA進行設計，對輸入圖像實施并行流水線的方式進行處理，充分發(fā)揮了FPGA速度快的優(yōu)勢，處理一幅2 048×2 048 pixels大小的圖片僅需42 ms，保證了處理系統(tǒng)的實時性。此外，基于FPGA開發(fā)的系統(tǒng)兼顧體積小、穩(wěn)定性高、兼容性強且易于移植的優(yōu)勢，下一步將在磁約束聚變等離子體雜質(zhì)光譜去噪領(lǐng)域開展更廣泛的應用。

作者貢獻聲明孫波負責設計并實現(xiàn)該系統(tǒng)，分析實驗數(shù)據(jù)，完成初稿的撰寫；劉沖、呂波、尹相輝、符佳、王福地提出文章寫作思路，并對文章進行總體審查及修改；張洪明、林子超提出系統(tǒng)設計思路，提供EUV相關(guān)的技術(shù)指導；沈永才、計華建負責協(xié)助開展實驗，提供必要的設備支持；胡奎、范玉、毛立宇、曾超協(xié)助完成系統(tǒng)設計，給出相關(guān)算法的改進意見。