多波段紅外信號(hào)采集和處理系統(tǒng)

于 飛，華宇寧

(沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159)

紅外熱探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)攝取目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，形成可視信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的熱場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)。隨著紅外探測(cè)器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，紅外探測(cè)技術(shù)以其遠(yuǎn)距離、無(wú)損測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軍事、公安、醫(yī)療，工業(yè)監(jiān)控、交通管理、環(huán)境保護(hù)及地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。如何準(zhǔn)確地采集和處理紅外信號(hào)是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

通過(guò)紅外熱探測(cè)系統(tǒng)可以獲取大量的紅外熱輻射信息，如何對(duì)采集到的紅外熱輻射信息進(jìn)行濾波、平滑，提取峰值等處理是本文研究的主要內(nèi)容。本文研究基于Labview和VC++軟件的紅外熱信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，使用Labview和VC++兩種軟件進(jìn)行編程，使紅外信號(hào)的采集更加簡(jiǎn)便，信號(hào)處理更加靈活。該系統(tǒng)主要用于1～3μm、3～5μm、8～14μm的紅外熱輻射信號(hào)進(jìn)行采集，這是因?yàn)檩椛潆姶挪◤?qiáng)度在大氣中傳輸會(huì)隨傳播距離的增加而衰減，引起輻射強(qiáng)度衰減的原因是大氣對(duì)輻射電磁波有折射、吸收和散射的作用，而在這三個(gè)波段的電磁波具有較高的透過(guò)率，稱(chēng)為電磁波透過(guò)的大氣窗口。這三個(gè)大氣窗口均在紅外波段，因此這3個(gè)大氣窗口對(duì)從事紅外熱信號(hào)的研究、紅外技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

多波段紅外信號(hào)采集和處理系統(tǒng)按其功能模塊可以分為信號(hào)采集、信號(hào)處理、波形顯示三部分［1－2］。利用集成電路芯片和虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一種體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同步紅外信號(hào)采集和處理系統(tǒng)。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由EOS紅外探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

紅外信號(hào)首先由紅外探測(cè)器采集，紅外探測(cè)器將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)Labview和VC++程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、顯示、存儲(chǔ)等功能，最后將處理后的紅外信號(hào)通過(guò)顯示器呈現(xiàn)給用戶(hù)。

1.2 硬件選擇

系統(tǒng)采用三個(gè)紅外探測(cè)器由美國(guó)EOS公司生產(chǎn)，其型號(hào)分別為MCT5-010-H、MCT14-010-E、PBSE-010-H，分別能對(duì) 1～3μm、3～5μm、8～14μm波段的紅外信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其帶寬分別為5～10kHz、5 ～50kHz、5 ～10kHz。

系統(tǒng)采用研華公司生產(chǎn)的PCI-1716/1716L數(shù)據(jù)采集卡，它帶有一個(gè)250KS/s16位A/D轉(zhuǎn)換器，1K用于A/D采樣FIFO緩沖器，可以提供16路單端模擬量輸入和8路差分模擬量輸入，還帶有2個(gè)16位A/D輸出通道、16路數(shù)字量輸入/輸出通道和1個(gè)10MHz16位計(jì)數(shù)器通道。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要采集的紅外信號(hào)需先經(jīng)過(guò)斬波器，經(jīng)過(guò)斬波后的紅外信號(hào)的頻率為300Hz。根據(jù)采樣定理，采集卡的采樣頻率應(yīng)該大于信號(hào)最高頻率的二倍，本系統(tǒng)采集卡的頻率設(shè)為1000Hz，這樣采集卡就能準(zhǔn)確地將紅外信號(hào)采集到。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Labview是虛擬儀器中最具有代表性的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它具有資源共享、使用靈活、界面友好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用Labview實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、打印等功能。而VC++在數(shù)據(jù)處理時(shí)具有方法靈活多樣、交互性好等特點(diǎn)，因此采用VC++來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外信號(hào)上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、總能量等參數(shù)的計(jì)算。

多通道紅外信號(hào)采集系統(tǒng)主要由系統(tǒng)登錄、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)計(jì)算和文件管理四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紅外信號(hào)采集和處理模塊

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊主要由四部分組成，分別為觸發(fā)、采集，提取峰值和均值濾波。當(dāng)用戶(hù)正確登入系統(tǒng)后，采集面板會(huì)出現(xiàn)提示用戶(hù)點(diǎn)擊觸發(fā)按鈕的對(duì)話(huà)框，按下觸發(fā)按鈕后采集卡開(kāi)始采集信號(hào)，當(dāng)采集結(jié)束后，采集卡將采集到的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，用于對(duì)數(shù)據(jù)的后期處理。本系統(tǒng)對(duì)3路模擬信號(hào)的采集，利用采集卡的A0～A2口作為輸入端口。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到采集信號(hào)后開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由于檢測(cè)到的信號(hào)為不規(guī)則的正弦波信號(hào)，而目標(biāo)信號(hào)為平滑曲線(xiàn)信號(hào)，所以先要對(duì)信號(hào)提取峰值，本系統(tǒng)采用的求取峰值的方法是一階導(dǎo)數(shù)法，一階導(dǎo)數(shù)由正變?yōu)樨?fù)的過(guò)渡點(diǎn)為峰值點(diǎn)。均值濾波［3］又稱(chēng)為鄰域平均法，這種方法的基本思想是用均值來(lái)代替原來(lái)各點(diǎn)的采樣值，表達(dá)式為

鄰域的大小為均值濾波的核心，即式(1)中m值大小的選取。在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的信號(hào)波段選擇了不同的鄰域值，最后實(shí)現(xiàn)了對(duì)這三個(gè)波段的平滑濾波。

2.2 參數(shù)計(jì)算

參數(shù)計(jì)算主要包括計(jì)算上升時(shí)間、總能量等。上升時(shí)間指的是，測(cè)量曲線(xiàn)達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)所需要的時(shí)間，這一規(guī)定值可由用戶(hù)自己設(shè)置，測(cè)試時(shí)間的計(jì)算采用拉格朗日二次插值方法。根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的規(guī)定值，將采集到的數(shù)據(jù)和規(guī)定值做比較，選擇和規(guī)定值最接近的三個(gè)采樣值，分別記為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)。對(duì)于任意 x 時(shí)刻，其信號(hào)值y雖然沒(méi)有直接采樣得到，但可以根據(jù)實(shí)際采樣值 y1、y2、y3由拉格朗日(lagrange)二次插值法近似計(jì)算得到。其標(biāo)準(zhǔn)的公式為

一般使用的二次插值算法是內(nèi)插法，即x在區(qū)間［x1，x3］的范圍內(nèi)。二次插值法的本質(zhì)效果是在時(shí)間－采樣值(x－y)平面上，作出經(jīng)過(guò)(x1，y1)、(x2，y3)、(x3，y3)這 3 點(diǎn)的拋物線(xiàn)，此拋物線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的x時(shí)刻的數(shù)值就是內(nèi)插計(jì)算值。

若令采樣時(shí)間周期為T(mén)s，也就是x2－x1=x3－x2=Ts，再令 x－x2=Ts。這樣式(2)可以寫(xiě)成

所謂能量指的是測(cè)量曲線(xiàn)和坐標(biāo)軸所圍成的面積，文中采用積分方法［4］求取能量。因?yàn)槊看螠y(cè)量曲線(xiàn)的函數(shù)是不同的，不能預(yù)先寫(xiě)出測(cè)量曲線(xiàn)的函數(shù)，因此分別求取各個(gè)采樣點(diǎn)與坐標(biāo)軸圍成的面積，然后將各個(gè)面積累加，就是整條測(cè)量曲線(xiàn)的能量。例如設(shè)采集到的數(shù)據(jù)值為(xi，yi)、(xi+1，yi+1)，將這兩點(diǎn)與坐標(biāo)軸圍成的圖形近似看做一個(gè)長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形的寬為xi+1－xi，長(zhǎng)方形的高取即y和y的中點(diǎn)，這樣可以近ii+1似計(jì)算出每個(gè)離散點(diǎn)和坐標(biāo)軸圍成的小長(zhǎng)方形的面積，最后將它們累加求和就能求出整個(gè)曲線(xiàn)和坐標(biāo)軸圍成的面積，即測(cè)量曲線(xiàn)的總能量，表達(dá)式為

2.3 文件管理

本系統(tǒng)文件管理［5］包括測(cè)量數(shù)據(jù)的保存、測(cè)量波形的保存、測(cè)量結(jié)果的打印、測(cè)量波形的打印。使用戶(hù)能夠很方便地對(duì)測(cè)量文件進(jìn)行管理，便于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。此外，系統(tǒng)還有調(diào)取歷史文件的功能，調(diào)取歷史文件是指將記錄過(guò)的測(cè)量曲線(xiàn)重新導(dǎo)入程序界面中，便于用戶(hù)對(duì)測(cè)量過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3 結(jié)果顯示

圖3為采集到的三個(gè)通道的原始數(shù)據(jù)，它是由波峰不同的正弦曲線(xiàn)所組成的，原始曲線(xiàn)不夠平滑，并且包含了負(fù)半軸的采樣數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖3 原始數(shù)據(jù)

圖4為紅外數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)，包括設(shè)置部分、顯示部分、信息提示和按鈕操作區(qū)，此程序分別對(duì)三個(gè)波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且同時(shí)顯示在一個(gè)界面上，用戶(hù)可以對(duì)三個(gè)波段的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。同時(shí)也可以看出，經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)處理過(guò)的曲線(xiàn)只包括紅外信號(hào)的峰值點(diǎn)和正值部分，經(jīng)過(guò)均值濾波后信號(hào)也變平滑了許多，結(jié)果顯示區(qū)將實(shí)驗(yàn)樣品的測(cè)試參數(shù)顯示在界面上，便于用戶(hù)對(duì)測(cè)試樣本的性能指標(biāo)直接進(jìn)行觀測(cè)。

圖4 操作界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以 Labview為主要開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合VC++混合編程實(shí)現(xiàn)了多通道紅外信號(hào)的采集、顯示、平滑、求峰、參數(shù)計(jì)算以及文件的讀寫(xiě)和保存等功能。由于在研發(fā)過(guò)程中將VC++靈活的參數(shù)計(jì)算功能嵌入到Labview軟件中，較好地解決了圖形化語(yǔ)言在軟件設(shè)計(jì)中的局限，獲得了很好的效果。其系統(tǒng)性能穩(wěn)定、界面友好和快速處理數(shù)據(jù)的能力即可以節(jié)省人力財(cái)力、提高效率，又可以使虛擬儀器和其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言結(jié)合使用。

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