Teledyne SP Devices非侵入式干涉成像技术SS- OCT的高性能数据采集

1、重点：

扫频源OCT

非侵入式干涉成像技术SS-OCT 的工作原理以及数字化仪的集成和时钟方面

K-space重映射

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欢迎您参加今天的网络研讨会，重点了解 Teledyne SP Devices提供的用于SS- OCT

的高性能数据采集硬件和固件解决方案。

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今天网络研讨会的重点是扫频源 OCT，但我们也为许多其他需要高性能数字化仪进行 OEM集成的应用提供服务，包括质谱、分布式光纤传感、激光雷达等。

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基于我们在这些应用领域的经验，我们非常熟悉OEM客户的需求。

我们的数字化仪由全球ISO认证的EMS合作伙伴在瑞典组装，通过这种合作关系，我们可以每周生产数千块电路板。我们还受益于与Teledyne的其他业务部门合作，共同进行元器件采购，从而确保了稳定的元件供应和合理的交付周期。

我们拥有广泛的产品组合，可以为您的整个产品系列提供不同型号的数字化仪， 从而实现成本优化的解决方案。

我们还为 OEM客户提供定制硬件、固件和软件的工程设计服务。

最后，我们的内部技术应用支持团队和本地现场应用工程师将帮助客户成功实现集成。

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以下是今天演讲的议程：

首先，我们将简要介绍SS-OCT的工作原理以及数字化仪的集成和时钟方面。

接下来，我们将介绍 ADQ3系列中合适的数字化仪型号。

之后，我们将继续介绍所谓的K-space重映射，这将是本次演示的重点。

我将解释基本的重映射原理，并简要讨论如何在 GPU或FPGA中实现。

之后，我们将深入了解FWOCT FPGA固件提供的k-clock重映射模式和性能，最后进行总结。

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首先，为那些可能不熟悉该应用的人简单介绍一下 SS-OCT：

SS-OCT是一种非侵入式干涉成像技术，利用波长可调的窄带扫频激光源。它通常用于医学应用，通过测量反射来研究组织层。

与类似技术相比，SS- OCT的一些主要优点是扫描时间快、测量效果好，在整个深度扫描范围内具有均匀的灵敏度。

不同供应商和系统的激光特性各不相同，但如左下图所示，中心波长为 1060纳

米，扫描范围为100纳米。如红色轨迹所示，激光是非线性的，这对数据采集有一定的影响，这是关于该应用的一个不寻常的细节。

这种非线性行为会导致数字化仪使 用非均匀时钟进行计时。或在数字域执行所谓的 k时钟重映射。

我们将在整个网络研讨会中详细讨论重映射问题。

激光扫描会重复进行，右下图描述了所谓的 A扫描速率，例如50至400 kHz。在该时间帧内，激光器可以以60%的占空比扫描数千个波长。

在 A扫描中剩余的空闲时间用于重新定位扫描镜和其他东西，为下一次扫描做准备。

在我们返回到直接计时与 k-space重映射方法之前，让我们简单地看一下另外两种扫描类型。

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A 扫描是轴向深度扫描，分辨率由扫频激光的中心波长和扫频范围决定。可实现的分辨率通常在几微米范围内。

然后进行多次A扫描，以创建称为B扫描，类似的体积图像，称为C 扫描。还有其他类型的扫描，但这些与今天的网络研讨会关系不大。

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回到前面提到的时钟——SS-OCT有两种主要方法，即直接计时或K-space 重映射。我们强烈建议采用第二种方法，下面我将简要说明原因。

通过直接计时，数字化仪内部的模数转换器（或称 ADC）使用源自k-clock的不同变化频率进行时钟控制。

这是一种非标准的ADC 工作模式，因为这些设备是为均匀采样而设计的。

ADC内的所谓采样保持电路可能会输出不良数据，而K-clock的质量在抖动和类似性能度量方面也可能不足。

此外，这种类型的时钟需要使用具有并行接口的旧一代 ADC。综上所述，有很多理由避免这种做法。

相比之下，K-space重映射利用的是固定频率的高质量时钟源。

这是ADC的标准工作模式。

这是一种基于最新一代转换器，并经得起未来考验的解决方案，因为会需要更高的采样率与先进的激光技术相匹配。

OCT信号和K-clock都作为模拟信号进行采样，并且随后通过重新映射过程在数字域中校正非线性。

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下面是一个高级框图显示了使用 K-clock重映射的SS- OCT系统中数字化仪的集成情况。

如图所示，OCT信号和 K-clock都连接到数字化仪上的输入通道。

除 K-clock之外，A和B扫描触发器通常也由扫频激光器提供给数字化仪，以实现同步数据采集。

如有需要，可使用所谓Mach-Zender 干涉仪或MZI从 OCT信号外部导出k-clock。

所采集的OCT信号包含由源自不同激光波长和组织层的相长干涉和相消干涉组成的叠加信号。

在某些系统中，数字化仪还可以用作扫描镜的实时控制的主设备，该扫描镜在连续扫描之间横向地重新聚焦激光。

如图所示，我们的数字化仪提供了大量通用输入/输出或GPIO引脚。

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与许多应用一样，通常使用数字信号处理技术来校正模拟缺陷，并从获取的信号中提取相关信息。

例如，在SS-OCT中，使用快速傅立叶变换（或 FFT）来提取深度信息，并且这里希望获得具有良好能力的宽光谱，并能很好地解析高边缘频率成分，以实现良好的轴向分辨率和测量深度。

不过，这些细节不在今天网络研讨会的讨论范围之内，我们将重点讨论 K-space

重映射。

在SS-OCT 中，数字化仪通常与图形处理单元（（GPU）一起使用，并采用所谓的点对点流模式技术，以便在这些设备之间高速传输数据。

通过点对点技术，数字化仪可以直接将数据传输到GPU的内存中。与需要通过主机PC的RAM复制数据的传统解决方案相比，这是一个巨大的优势。

利用点对点技术，主机电脑 CPU/RAM的工作量减少，可以用于其他任务。

我们目前支持每秒7 Gbyte的传输速率，但正如我们接下来将看到的，这一传输速率很快就会提高。

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以下是我们为扫频OCT提供的一些产品的概述。

ADQ3系列是一个性价比高的产品系列，非常适合OEM集成。

如前所述，这些产品均为 12位数字化仪，具有双模拟输入通道，可同时采集 k

-clock和OCT信号。

它们都使用相同的应用编程接口（API），因此很容易在不同型号之间切换，或为集成到产品系列中的许多不同数字化仪创建共享代码库。

采样率从ADQ33上的1 GSPS到即将发布的ADQ35 上的5 GSPS不等。类似地，相应的支持的k-clock和OCT信号频率范围从400M 到2GHz。

所有型号都支持使用可选 FWOCT固件包在FPGA内进行实时K-space重映射，我们将稍后详细介绍支持的重映射模式。

列出的最大 A-scan速率是基于这些K-space重映射模式之一的，这里我们还假设使用了 1024-bin FFT。

然而，所使用的 GPIO端口可以支持更高的频率，因此，这里的限制取决于处理过程而非硬件本身。

这些规格与当前可用的系统以及未来预期的A-scan速率都很好地一致。

我们已经简要讨论过点对点流模式传输，正如您所看到的，目前的型号仅支持每秒 7 Gbyte的持续传输，而即将推出的ADQ35将支持每秒14 Gbyte的传输。

这为主要想使用GPU处理的客户提供了极大的灵活性，但值得一提的是，我们的

FWOCT固件可以帮助预处理数据，以简化后续的GPU处理。

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在我们继续更多关于FWOCT 和GPU处理的细节之前，让我们先来看看K-space重映射原理。

如前所述，k-clock提供了有关发射激光波长或波数的信息，我们希望将数据采集可以同步到这一时钟上。

波长变化通常是通过 k-clock的过零点来跟踪的，这些过零点通常被称为 "k-clock

点"或"k-clock触发器"，在图中显示为红星的就是过零点。

在这个特定的例子中，我们只包含与上升沿 k-clock转换相对应的过零点，但FWOCT也还支持其他操作模式。

k-clock频率不同，因此k-clock点在时间上分布也不均匀。

它们通常与数字化仪采集的采样点也不重合，此处在图中显示为蓝点。

K-space重映射是一种数学运算，我们主要使用不同类型的滤波和插值来精确计算

k-clock的过零点。

我们还估算OCT信号曲率，并计算其在k-clock过零点处的振幅。这些振幅值与底部黄色星形所示的重映射的 OCT信号相对应。

现在我们来看看两种可供选择的k-space重映射实现方法。

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我们的数字化仪在系统级划分方面提供了极大的灵活性。用户可以决定是在软件中执行所有处理，还是利用板载 FPGA。

在这两种情况下，k-clock和OCT信号都是通过模拟输入通道采集的，如图所示， 使用FWOCT是在GPU或FPGA内部执行重映射的。

使用基于板载FPGA 的重映射和其他信号处理的主要好处是简化了GPU的后续处理过程。在一些应用中，为了显著节省成本，GPU甚至可以完全排除在外。

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在了解固件解决方案之前，我们先来看一个简单的GPU重映射示例。

在这种情况下，我们可以利用标准固件FWDAQ的内置功能来降低数据传输速率，并根据链路容量进行调整。

首先，通过使用所谓的"采样跳跃 "功能，可以用不同的采样率进对k-clock和OCT

信号进行数字化。

此外，获取的k-clock信号可以压缩为8位格式，而不是原始的 16位格式，从而进一步减少数据量。

以我们的 ADQ32数字化仪为例，OCT信号以采样率为2.5 GSPS，每次采样16位

（或一个采样点相当于两个字节）。该产品总速率为5 Gbyte/s。

由于采样跳跃和8位压缩，k-clock的相应速率仅为1.25 Gbyte/s。

如果我们还考虑到激光器在 A-scan的部分期间处于空闲状态，并假设占空比为

80%，则总数据传输速率为5 Gbyte/s。

这低于目前支持的 7 Gbyte/s的链路容量，因此符合实际情况。

值得一提的是，我们同时支持AMD 和NVIDIA GPU以及Windows和Linux。

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这张图展示了我们开发的GPU重新映射示例。

OCT信号的曲率是通过线性插值估算出来的。

根据实际情况，这种内插法在现实生活中可能不够充分，因为估计值可能与实际信号偏差过大。

然而，这个例子可以很容易地修改为使用例如样条插值法。

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从 GPU转换到FPGA实现--以下是用于重映射的FWOCT固件概述。

支持的最大 k-clock和OCT信号频率相当于数字化仪采样率的40%，以满足奈奎斯特定理（Nyquist theorem）的要求，即采样速度至少是最大信号带宽的两倍。

FWOCT包含可编程数字滤波器，用于阻断直流和降低噪音，否则会对重映射质量产生负面影响。

例如，k-clock上不需要的直流电平会垂直向上或向下调整信号，从而使过零点偏离正确位置。

同样，带限滤波器也有助于减少噪音，否则会对过零计算的准确性产生负面影响。

定时检测和重映射模块包含不同类型的信号处理，例如插值，用于准确确定 k-clock的过零点，并估算OCT的曲率和振幅。

FWOCT支持多种数据输出模式，用于调试和集成不同类型的原始信号和重映射信号组合。

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以下是 FWOCT的第一种工作模式的概述，它与我们前面介绍的k-space重映射原理相同。

数字化仪采集k-clock和OCT信号，采样点在图中显示为蓝点。

计算上升沿过零点，并利用时序信息计算幻灯片底部显示的重映射 OCT信号。

该模式支持的最大 OCT信号带宽显示在右下表格中。

请注意，最大k-clock频率是数字化仪采样率的40%。

例如，5 GSPS的 40%对应的ADQ35支持的最大k-clock频率为2 GHz。

在此频率下，我们每周期创建一个重映射点，因此，为了再次满足奈奎斯特定理，我们需要将OCT信号带宽限制在该频率的一半，即对应于ADQ35的1 GHz。

同样的道理也适用于其他产品和支持的OCT带宽。

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第二种工作模式类似于第一种，但会跟踪 k-clock上升沿和下降沿的过零点。由于我们产生的重映射值是前一种模式的两倍，因此在保持k-clock频率的前提下，支持的OCT带宽增加了一倍。

在这种模式下，ADQ35可支持高达2 GHz的OCT信号带宽，ADQ32支持1 GHz，ADQ33支持400 MHz。

在某些情况下，使用该模式可将k-clock频率降低50%，在这种情况下，支持OCT

带宽与上一张幻灯片相同。

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我们目前正在开发一种更灵活的重映射模式。

这种模式适用于数据采集与K-clock特定相位同步的系统。它采用用户定义的相位步进，而不是过零点。

与上一张幻灯片中的模式2 类似，该模式也允许在每个k-clock周期内进行更多的重映射，这意味着可以降低k-clock 频率。

与前两种模式不同的是，这里的重映射点并不一定与k-clock的过零点重合，这取决于用户指定的相位。

相位步进可以指定为一个有理数，即 "A除以B"，因此每个周期的点数可能会因周期而异。

这种运行模式仍在开发中，预计将于 2024年第一季度发布。

下图是该模式的一个示例，用户指定的阶段步长为"π除以5"。

左下方的单位圆圈显示了相位步进，说明这一特定相位在每个周期会产生 10个相位值。

相应的重映射点在右图中以红星表示。

请注意，该图只显示了一个周期，为简单起见，省略了数字化仪/ADC采样点。

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这也是同样的例子，在下图中将十个点显示为红星，将相应的重映射OCT信号显示为黄星。

支持的OCT带宽与模式二相同，但此处可能需要降低最大k-clock速率，这取决于每个周期生成的重映射点的数量。

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我不打算详细介绍这种模式，只是想简单提一下，有些系统将单通道数字化仪与预定义的重映射时间实例结合使用。

在这种模式下，数字化仪根据存储在数字化仪内部表格中的k-clock重映射实例执行重映射。

如果您想进一步了解这种模式或任何其他重映射模式，请随时与我们联系。

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在前几张幻灯片中，我们回顾了不同类型的k-clock重映射模式。

重映射过程涉及数字信号处理，如插值，以便估算OCT振幅，与任何数学运算一样，我们不可避免地会引入误差。

我们进行了四次不同的模拟，向您展示这些误差的大小和影响。

在前两个模拟中，我们研究了两种不同先决条件下k-clock过零的时间/相位误差：

在第一项评估中，我们加入了实际的k-clock噪声，以研究噪声如何影响k-clock过零计算的时序精度。

为了进行比较，我们还在不包含k-clock 噪声的情况下进行了评估，以了解算法在理想条件下的表现。

这有助于我们将时序误差从算法本身分离出来，从而确定它是否对算法的整体误差有重大影响。

此外，我们还进行了传统性能模拟，包括无杂散动态范围（SFDR）和信噪比（SNDR）。

这些评估是针对我们讨论过的两种工作模式进行的，即上升/下降沿过零模式以及用户定义的每周期十个值的插值模式。

我们将很快了解详情，但首先让我们来看看时序/相位误差。

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在这里，您可以看到有k-clock过零和无k-clock过零的时间误差的时序误差。

左下图显示了以皮秒为单位的k-clock过零计时误差（Y轴）和k时钟频率（X轴）。

频率较低时，k-clock斜率在过零点附近较为平缓，因此噪声的影响更大，导致误差幅度也更大。随后，随着k-clock频率的增加，误差逐渐减小。

总体而言，最大误差约为 2皮秒，相当于ADQ32数字化仪400皮秒采样周期的0.5%。

右下图显示了算法本身的贡献，不难看出，与k-clock噪声相比，误差幅度微不足道。

因此，算法精度并不限制了可实现的性能。

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下面是用于计算SFDR和SNDR的设置概览。

如左图所示，k-clock频率从50 MHz扫频到1 GHz，扫频速率从50 MHz/µs到

400 MHz/µs。

如右图所示，对于每种扫描速率，OCT信号频率也相对于k时钟频率进行改变，使其分别对应于k时钟频率的10%、50%和90%。

然后，我们计算了每种情况下的 SFDR和SNDR，以研究这些参数如何影响最终性能。

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下面是SFDR和SNDR的模拟结果。

我不会过多讨论这些细节，但从高层次来看，较高频率下 SFDR性能下降的原因是相位误差增大。

原始数据中用于插值重映射点的样本较少，因此单个样本的噪声对整体结果的影响较大。

这些模拟的目的是验证算法不会降低系统级性能。

因此，我们将模拟结果与 12位宽带GSPS ADC的典型性能进行了比较。

在实际应用中，12位数字化仪通常支持约65 dBc SFDR，而您可以看到仿真结果优于此值。

因此，结论是该算法不会对可达到的性能水平产生负面影响。

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最后，我们来总结一下：

我们一直在关注用于SS- OCT的高性价比ADQ3数字化仪系列。

它是一个灵活的产品系列，支持各种性能需求，而且 API的重复使用简化了将多种不同型号的数字化仪集成到您的产品系列中的过程。

我们相信，数字k-space重映射是面向未来的SS-OCT 解决方案的最佳选择。

我们的数字化仪结合使用 FPGA 和 GPU，在系统级分区方面提供了极大的灵活性。

我们的FWOCT固件支持多种：

基于k-clock过零点、用户定义相位或基于表的方法的k时钟重映射模式。

它还通过在板载 FPGA内执行k-space重映射来帮助GPU卸载。

这种灵活性使其成为几乎所有 SS-OCT系统的理想选择。

审核编辑 黄宇