高速數(shù)字化儀（Digitizer,，以下簡稱“數(shù)字化儀”）是一種專注于高速和高精度信號采集與捕獲的儀器設(shè)備,，其核心功能是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時(shí)具有專業(yè)的信號處理算法與高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?a href="/zlmcgsxhcj.shtml" class='con_kwd' title="數(shù)字化儀">數(shù)字化儀在信號采集與處理中具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：
高速采樣與高精度：數(shù)字化儀基于高速ADC技術(shù),，能夠?qū)崿F(xiàn)高采樣率（如10 GS/s）和高分辨率（如12bit）,，從而精確捕捉復(fù)雜的信號。
重采樣技術(shù)：數(shù)字化儀通過FPGA算法實(shí)現(xiàn)重采樣,，包括插值和降采樣,，以改變信號的采樣率或時(shí)間間隔。重采樣技術(shù)在數(shù)字信號處理中廣泛應(yīng)用于信號轉(zhuǎn)換,、濾波和優(yōu)化,。
實(shí)時(shí)處理與靈活性：數(shù)字化儀支持實(shí)時(shí)信號處理，通過FPGA算法在板載硬件上執(zhí)行重采樣和插值,，避免了復(fù)雜的后續(xù)軟件處理,，同時(shí)提高了系統(tǒng)的靈活性和效率。
K時(shí)鐘重映射：在SS-OCT等應(yīng)用中,，數(shù)字化儀通過K時(shí)鐘重映射技術(shù),，利用固定頻率的高質(zhì)量時(shí)鐘源，校正非線性,，確保信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,。所謂K時(shí)鐘，就是隨掃頻激光器輸出光波長與對應(yīng)K空間（K-space）變化的同步信號，用于觸發(fā)數(shù)字化儀對干涉信號進(jìn)行等光程差間隔采樣,，確保光譜數(shù)據(jù)在K空間上呈現(xiàn)線性分布,。而K空間則是源自磁共振成像（MRI）的術(shù)語，即存儲原始數(shù)據(jù)的傅里葉變換空間,。
圖1. 可查看原始數(shù)據(jù)和重采樣的軟件界面
圖2. 重采樣后對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）的軟件界面
SS-OCT技術(shù)因其高分辨率和高速成像能力,，現(xiàn)如今如要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（眼科，鼻科,，血液科等）和工業(yè)缺陷檢測等領(lǐng)域,，表1總結(jié)了SS-OCT信號的典型特征及其應(yīng)用參數(shù)。
表1. SS-OCT技術(shù)的信號參數(shù)特征
在SS-OCT系統(tǒng)中,，傳統(tǒng)的利用K時(shí)鐘作為數(shù)字化儀外部時(shí)鐘的方法存在以下缺點(diǎn)：
時(shí)鐘質(zhì)量要求高：高性能數(shù)字化儀中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）需要極低抖動的高質(zhì)量時(shí)鐘源,。K時(shí)鐘無法滿足這些要求，導(dǎo)致ADC性能下降,。
噪聲和尖峰問題：K時(shí)鐘可能出現(xiàn)噪聲或尖峰,，有時(shí)甚至在掃描的某些部分完全關(guān)閉。
占空比影響：ADC內(nèi)部采樣保持電路的設(shè)計(jì)通常就是需要使用具有恒定占空比的時(shí)鐘,，所以不同的占空比可能導(dǎo)致ADC輸出樣本不良,，甚至偶爾丟失數(shù)據(jù)。
接口限制：只有使用并行數(shù)據(jù)接口,，如低壓差分信號（LVDS）的老一代ADC才能實(shí)現(xiàn)直接時(shí)鐘,，但此類ADC僅支持有限的采樣率，限制了可實(shí)現(xiàn)的A掃描（Axis Scanning,，軸向掃描/一維掃描）速率,。
頻率非均勻性：K時(shí)鐘是不均勻的，頻率會發(fā)生變化,。此外,，?由于數(shù)字化儀的采樣時(shí)鐘與掃頻光源的K時(shí)鐘不能實(shí)現(xiàn)鎖相（PLL同步），導(dǎo)致K空間的零相位點(diǎn)（K=0）與數(shù)字化儀的采樣時(shí)刻存在隨機(jī)偏移,，可能引入光譜域插值誤差,。?
相比之下，K時(shí)鐘重映射或重采樣方法（如圖3的右側(cè)所示）通過以下方式解決了上述問題,。
圖3. 左邊是直接K時(shí)鐘法,，右邊是推薦的K空間重映射法
實(shí)時(shí)插值：重采樣過程通常包含插值運(yùn)算，用于在K時(shí)鐘過零點(diǎn)處（K時(shí)鐘信號從正電壓跨越到負(fù)電壓,，或反之由負(fù)電壓跨越到正電壓的瞬時(shí)時(shí)刻）實(shí)時(shí)估計(jì)OCT輸入信號的幅值,。該插值與幅值估計(jì)由數(shù)字化儀的板載FPGA實(shí)時(shí)完成。
提高分辨率：通過插值,，可以增加重采樣點(diǎn)數(shù),，從而顯著提高分辨率,。
避免數(shù)據(jù)丟失：FPGA算法確保采樣保持電路的恒定占空比，避免因占空比變化導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失,。
支持高速采樣：該方法支持現(xiàn)代高速ADC,，突破了傳統(tǒng)接口的采樣率限制，實(shí)現(xiàn)了更高的A掃描速率,。
頻率一致性：通過FPGA實(shí)時(shí)算法,，嚴(yán)格對齊K時(shí)鐘過零點(diǎn)與數(shù)字化儀的采樣時(shí)刻，消除掃頻激光器的頻率非均勻性影響,。
由此可見,，K時(shí)鐘重映射或重采樣方法在SS-OCT系統(tǒng)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)方法的多種問題,，成為理想的解決方案,。
數(shù)字化儀重采樣方案的實(shí)現(xiàn)
重采樣原理為K-時(shí)鐘信號被ADC采樣，然后進(jìn)行數(shù)字信號處理,，以找到輸入信號穿越過零點(diǎn)的時(shí)間,，如下圖4所示。
圖6所示的數(shù)字化儀是具備重采樣固件的SP Device ADQ32,，它具有2通道、每通道2.5GS/s采樣率,、2.5GHz模擬帶寬的指標(biāo)特性,。將K時(shí)鐘和SS-OCT信號都連接到數(shù)字化儀上的模擬輸入通道1和通道2上，除了它們二者之外,，A掃描和B掃描（二維橫斷面掃描）觸發(fā)器通常也由掃頻激光器提供給數(shù)字化儀,，以實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集。
圖6. 具有重采樣算法的ADQ32數(shù)字化儀外觀示意圖
表2. 基于K時(shí)鐘重采樣技術(shù)的選型方案規(guī)格表
其中,，F(xiàn)WOCT固件包含可編程數(shù)字濾波器,，用于阻斷直流和降低噪聲，否則會對重映射質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響,，而且FWOCT還可以幫助預(yù)處理數(shù)據(jù),，以簡化后續(xù)的GPU處理。
通過上述表格對比可知,，在SS-OCT應(yīng)用中,，數(shù)字化儀重采樣技術(shù)方案可完美符合各項(xiàng)指標(biāo)和極具挑戰(zhàn)性的特殊需求。值得一提的是,，上述表格里數(shù)字化儀在系統(tǒng)級劃分方面提供了極大的靈活性,。用戶可以決定是在軟件中執(zhí)行所有處理，還是利用板載FPGA來處理,。由上文介紹FWOCT的作用可知,，使用板載FPGA 的重映射可以簡化GPU的后續(xù)處理過程,，甚至可以為了節(jié)省成本而將GPU排除在外。
在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場,，為了驗(yàn)證現(xiàn)場產(chǎn)生的K時(shí)鐘信號波形,，事先用另外一套高端臺式示波器來觀察信號的包絡(luò)狀況和周期數(shù)，如圖7所示,。
圖7. 采用某高端數(shù)字示波器觀測到的K時(shí)鐘信號
然后將測試環(huán)境改用基于ADQ32數(shù)字化儀的方案進(jìn)行相同信號產(chǎn)生條件下的信號采集,，K時(shí)鐘的時(shí)域信號波形如圖8所示。
圖8. 采用基于ADQ32數(shù)字化儀采集的原始K時(shí)鐘信號
為了驗(yàn)證重采樣技術(shù),，將K時(shí)鐘信號接到通道1,，OCT信號接到通道2，觸發(fā)信號接到TRIG通道上,，通過A掃描得到一系列數(shù)據(jù),，經(jīng)過FFT算法將多次觸發(fā)采集的重采樣時(shí)域數(shù)據(jù)計(jì)算得出頻域結(jié)果，如圖9所示,。
圖9. A掃描重采樣之后的時(shí)域和頻域波形
某國內(nèi)醫(yī)療設(shè)備公司自主研發(fā)的OCT醫(yī)療設(shè)備,，需要借助ADQ32的重采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對血液流動的精確監(jiān)測和分析,。圖10/11/12為實(shí)際的測試效果圖,，采集深度可達(dá)13mm。
圖10. 某國產(chǎn)OCT設(shè)備中實(shí)際測試重采樣的時(shí)域效果圖
圖11. 某國產(chǎn)OCT設(shè)備中實(shí)際測試重采樣的頻域效果圖
圖12. 某國產(chǎn)OCT設(shè)備的測試影像效果圖
