基于嵌入式平臺的紅外光光譜成像系統(tǒng)設(shè)計*

牛傳明 段仁武

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽六安 237158)

紅外光光譜成像系統(tǒng)利用分光光柵作為分光器件，可以對多個器件進行復(fù)用，使其工作頻帶寬、頻譜分辨率高、結(jié)構(gòu)緊湊[1-3]的特點得以展現(xiàn)。但是，由于光柵的開口光闌設(shè)置在分格光柵上，因此，在各個光柵區(qū)內(nèi)，由于多個光柵區(qū)的不同頻段的衍射光會造成多個通道間的相互干擾，使其很難用消疊級濾波器消除，從而影響圖像的質(zhì)量[4]。如李飛等人設(shè)計的望遠鏡光學(xué)成像系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)利用3通道方式，且通道成像帶寬為固定數(shù)值，依據(jù)光柵范圍形成圖像，受其帶寬影響，成像頻譜范圍較小，若實現(xiàn)大范圍成像需經(jīng)過圖像拼接，計算繁瑣；單秋莎等人設(shè)計的中波紅外成像系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)通過冷屏疊加方式形成圖像，其冷光闌效率較差導(dǎo)致其成像效果較差。

嵌入式平臺是依據(jù)特殊需求將平臺嵌入到受控制器件內(nèi)部的平臺，通過PC端控制的形式輸入相關(guān)指令完成指令任務(wù)，因此文章設(shè)計基于嵌入式平臺的紅外光光譜成像系統(tǒng)，以提升紅外光成像水平。

1基于嵌入式平臺的紅外光光譜成像系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)紅外光光譜成像理論，以橫向掃描的方式對待成像目標掃描后，將光譜信號發(fā)送至ARM嵌入式平臺內(nèi)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理后得到待成像目標的二維圖像。

1.1.1ARM嵌入式處理器 ARM稱為微型處理器，也代表一項技術(shù)，文章使用ARM9微型處理器，如圖1所示。

圖1 ARM9微型處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2嵌入式平臺軟件層次結(jié)構(gòu) 嵌入式平臺軟件設(shè)計是文章系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，利用嵌入式平臺軟件充分發(fā)揮軟硬件之間整體效用。具體嵌入式平臺軟件層次結(jié)構(gòu)如表1所示。表1中，嵌入式平臺軟件可完整展現(xiàn)紅外光光譜成像系統(tǒng)特征，可利用增減某特定模塊達到系統(tǒng)實際應(yīng)用要求，嵌入式平臺軟件負責實現(xiàn)軟件、硬件資源分配、控制等功能。設(shè)備驅(qū)動層負責初始化硬件、為軟件提供訪問接口、進行讀寫操作等。應(yīng)用軟件層和中間層負責軟件安裝、卸載和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

表1 嵌入式平臺軟件層次結(jié)構(gòu)

1.2基于濾波反投影的紅外光光譜圖像重建方法

p表示紅外脈沖激光，p(r，t)表示紅外脈沖激光在t時刻r位置處，p0(r)表示初始光源，初始光源會激發(fā)脈沖激光位置，則脈沖激光位置滿足波動表達式如下：

(1)

其中：

p0(r)=Γ(r)A(r)

(2)

(3)

上述式中，光束、體積膨脹系數(shù)、比熱、光吸收分布、梯度分別為Vs、β、Cp、A、▽。

(4)

式(4)中，i為傅里葉系數(shù)，k為變量。

(5)

(6)

(7)

封閉面的邊界條件如下：

(8)

式(8)中，r1、r分別位于封閉面的內(nèi)部和外部。

(9)

當脈沖激光滿足下式時：

(10)

則脈沖激光反演表達式如下：

(11)

使用傅里葉法建立投影，其表達式如下：

(12)

(13)

利用式(12)計算S0表面時，則有：

(14)

(15)

其中，

(16)

(17)

濾波反投影的紅外光光譜圖像重建步驟如下：

(1) 計算光信號。

(2) 利用紅外光譜信號獲取頻域。

(3) 計算封閉面的立體角。

(4) 獲取紅外激光脈沖時域，實現(xiàn)紅外光光譜圖像重建。

2仿真測試

為驗證文章系統(tǒng)實際應(yīng)用效果，測試文章系統(tǒng)在光譜采集、處理效率、噪聲干擾等方面使用效果，為更加清晰體現(xiàn)該系統(tǒng)性能，同時使用文獻[5]系統(tǒng)、文獻[6]系統(tǒng)開展紅外光光譜成像測試。

2.1光譜采集測試

使用三種系統(tǒng)采集同一待成像目標光譜，繪制其光譜圖，并與該待成像目標實際光譜圖進行對比，結(jié)果如圖3所示。分析圖2可知，光譜的強度隨著波長的增加呈現(xiàn)峰狀，文章系統(tǒng)采集的光譜強度值與實際光譜最為接近，在波長為4800～7800mm左右時，文章系統(tǒng)采集的光譜與實際光譜幾乎重合，而文獻[5]系統(tǒng)和文獻[6]系統(tǒng)所采集的光譜均與實際光譜差別較大，三種系統(tǒng)采集的光譜與實際光譜最大強度差值分別為30、300、90，由此可知，文章系統(tǒng)在光譜采集方面具有較高優(yōu)越性。

圖2 三種系統(tǒng)采集光譜測試結(jié)果

2.2處理效率測試

統(tǒng)計三種系統(tǒng)在不同圖像分辨率情況下的處理時間與速度提升比情況，結(jié)果如表2所示。分析表2可知，隨著圖像的分辨率增加，三種系統(tǒng)的處理時間也隨之增加，當圖像分辨率為320×240時，三種系統(tǒng)中文獻[5]系統(tǒng)處理時間最低，隨著圖像分辨率增加，其處理時間增加迅速；當分辨率增加至960×720時，文章系統(tǒng)處理時間最低，較文獻[5]系統(tǒng)和文獻[6]系統(tǒng)分別低0.126s和0.199s，而文章系統(tǒng)的速度提升比高于兩種對比系統(tǒng)，由此可知，文章系統(tǒng)具有較高處理效率。

表2 三種系統(tǒng)處理時間對比/s

2.3系統(tǒng)傳輸性能測試

分別使用三種系統(tǒng)測試紅外光穿過礦泉水瓶、小白鼠身體時的回波幅值情況，結(jié)果如圖3所示。分析圖4可知，當紅外光波穿過礦泉水瓶時的回波幅值明顯低于穿過小白鼠身體時的回波幅值，而文章系統(tǒng)測試的回波幅值波動幅度明顯高于文獻[5]系統(tǒng)和文獻[6]系統(tǒng)，且回波幅值波動區(qū)間為-0.2～0.32v之間，而文獻[5]系統(tǒng)和文獻[6]系統(tǒng)的幅值波動區(qū)間分別為-0.1～0.2v和-0.1～0.3v之間，由此表明，文章系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能較強。

(a)文章系統(tǒng)

(b)文獻[5]系統(tǒng)

(c)文獻[6]系統(tǒng)

2.5紅外光光譜成像測試

分別使用三種系統(tǒng)進行蘋果的紅外光光譜成像，成像現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 蘋果的紅外光光譜成像現(xiàn)場

三種系統(tǒng)的紅外光光譜成像質(zhì)量測試結(jié)果如圖5所示。

(a)文章系統(tǒng)

(b)文獻[5]系統(tǒng)

(C)文獻[6]系統(tǒng)

分析圖5可知，三種系統(tǒng)所繪制的蘋果圖像中，文章系統(tǒng)所繪制的圖像清晰度最高，且?guī)缀鯚o噪聲干擾點，而文獻[5]系統(tǒng)繪制的圖像存在較多的噪點干擾，文獻[6]系統(tǒng)所繪制圖像的噪點雖然較少，但是存在一個致命的缺陷，就是繪制精度較低，難以繪制出蘋果的破損與缺陷部分。因此，說明文章系統(tǒng)具有較強的紅外光光譜成像質(zhì)量。

3結(jié)論

文章利用嵌入式平臺設(shè)計了基于嵌入式平臺的紅外光光譜成像系統(tǒng)，從光譜采集、處理效率、紅外光光譜成像等方面展開測試，實驗結(jié)果表明：文章系統(tǒng)在波長為4800mm～7800mm時，所測的光譜與實際光譜幾乎重合，光譜采集能力較高；回波波動區(qū)間在-0.2～0.32v之間，波動幅度較大，傳輸性能強；繪制的紅外光光譜圖像清晰度高，且無噪聲干擾，成像能力優(yōu)秀。