近红外光系统设计

近红外光系统设计（精选7篇）

近红外光系统设计 篇1

0 引 言

监控摄像 机成像依 靠的光学 成像传感 器主要是 感应外界光 线并转化 为电信号 ,在光线比 较暗甚至 没有光线情 况下一般 都是通过 拉大曝光 时间、放大 增益值来 看物体 , 但这时候 的图像噪 点很大 , 不能满足 安防监控 的要求。于 是给摄像 机所照环 境补光就 是最直接 的方法了 ,补光一般 是用红外 光 ,因为红外 光人眼不 易捕捉 ,但是摄像机 的光学成 像传感器 是能感应 红外光的 [1,2,3], 通过人为加 红外光相 当于增强 外界光线 ,这样甚至 能够达到外 界环境完 全无光的 情况下监 控。但是 目前在实 际应用中红 外球形摄 像机的补 光系统依 然存在着 以下两个问 题 :(1)补光灯一 般由多个 红外灯串 联而成 , 而且普通红 外球形摄 像机的红 外灯光强 是按最远 距离设计 的 ,一旦红外灯 开启 ,其工作电 流就会比 较大 ,功耗自然 就大 ,发热严重 , 长时间工 作会导致 红外灯寿 命下降 , 而红外灯的 寿命直接 决定了红 外球形摄 像机的寿 命 ;(2) 在监控近距 离物体时 会因为红 外灯亮度 过强、发光 角度过于集 中而产生 图像中心 过曝现象[4]。

本文在STM32F103微控制器 内部集成 的脉宽调 制器以及高 调光比LED恒流驱动 器PT4115相结合的 硬件平台上 设计了一 种亮度可 调的新型 红外球形 摄像机补光 系统 ,从而改善 红外球球 形摄像机 夜视监控 效果。

1 系统设计与硬件分析

如图1所示 , 本系统硬 件部分主 要由主控 芯片STM32F103、CCD摄像头、 电源驱动 芯片PT4115、红外灯板 以及控制 键盘等组 成。其中 电源、晶振 和STM32组成ARM单片机的 最小系统 , 控制键盘 通过RS485口实现对CCD摄像头的 控制 ,镜头安装 在红外灯 板中心。

1 . 1 PWM 发 生 模 块 设 计

PWM调光是一 种利用简 单的数字 脉冲 , 反复开关LED驱动器的 调光技术 。本系统 采用了意 法半导体 公司基于ARM Cortex—M3内核的STM32F103作为PWM发生器。STM32F103具有2个高级控 制定时器 、4个通用定时 器和2个基本定 时器 , 除了TIM6和TIM7之外 , 其他的定时 器都可以 用来产生PWM输出 [5], 本设计选 用通用定时 器TIM3, 由APB1总线提供 时钟 , 向上 ( 增 ) 计数 ,不同占空 比的取值 存储在每 个通道的 捕获比较 寄存器TIM3_CCR2中 , 编程时通 过改变该 寄存器的 值来改变PWM波的占空 比。在硬 件电路上 将STM32的PWM发生引脚PA7连接至PT4115芯片的DIM引脚。

1 . 2 红 外 灯 板 驱 动 模 块 设 计

红外灯驱 动芯片采 用了Pow Tech公司的PT4115, 该芯片是一 款连续电 感电流导 通模式的 降压恒流 源 ,采用6 ~ 30 V宽电压输 入 , 输出电流 可达1 . 2 A , 内置功率 开关 ,采用高端 电流采样 设置LED的平均电 流 , 可接受模拟 和PWM两种调光 方式 , 并且该芯 片还具有 过温、过压 、过流、LED开路保护 等多种功 能 ,非常适合 用于绿色照 明LED灯的驱动 电路[6]。

模块原理 图如图2所示 , 当在PT4115的DIM管脚输入可 变占空比 的PWM信号时就 可以实现 很宽范围 的调光 , 此时流过 串联红外LED灯的平均 电流由连 接在管脚VIN和CSN两端的电 阻Rs以及输入 的PWM信号占空比 决定。计 算公式如 下所示。

当脉冲电 平在2.5 V~5 V之间时 :

当脉冲电 平小于2.5 V时 ,则 :

为了保证LED输出电流 精度在5%左右 , 采样电阻的 精度必须 保证 , 本设计选 择了阻值 为0.2Ω、精度为1 % 的贴片电 阻。为了 减小输出 电流纹波 , 本设计在LED的两端并 联了一个 容量为220μF、耐压值 为35 V的铝电解 电容。为 了使恒流 的效果好 一些 ,在电流能 力满足要求 的前提下 , 电感则需 取得大一 些 , 本设计选 择的电感量 为67μH。

2 系 统软件实现

在夜晚或 光线暗淡 环境下 , 红外球形 摄像机为 获得更清晰 的监控效 果 ,随着被拍 摄物体距 离镜头越 远对红外灯 亮度的要 求就越高 。而由镜 头透射的 原理可知 摄像机为获 取图像的 最佳效果 ,当被拍摄 物体距离 越远则镜头 相应变焦 倍数就会 越大 ,即 :

式中 ,f表示镜头 的焦距 ,D为物距 ( 镜头与被 拍摄物体之 间的距离),h为CCD镜头成像 的高度 ,H为被摄物 体的高度。 那么根据 以上原理 可以设计 一个红外 灯亮度与镜 头倍率相 匹配的红 外球形摄 像机补光 系统。软 件实现流程 图见图3。

其中软件 实现部分 有两个关 键处 : 一是获取 监控镜头的 实时放大 倍数 , 为红外灯 亮度的改 变找到依 据 ;二是红外灯 亮度与镜 头倍率匹 配的曲线 选择。

2 . 1 获 取 CCD 镜 头 实 时 倍 数

CCD镜头通过RS232与电路主 板进行通 信 , 当主板串口 接收到对 镜头进行 放大或缩 小的控制 命令后 ,相应的标志 位进行置 位。通过 判断该标 志位就可 以实时查 询镜头的放 大倍数是 否已经改 变 ,而一旦镜 头放大倍 数改变 , 此时为了 使红外灯 亮度与之 匹配 , 就必须立 即获取当前 的镜头放 大倍数。

具体做法 : 以Sony FCB -EX480B机芯为例 , 根据Sony VISCA协议 , 通过串口向 机芯发送 查询代码8x 0904 47 FF , 其中x = 1 ~ 7 , 对应红外球 形摄像机 的地址 ,FF表示命令 包的结束 。为防止 发送的数 据丢失出 错 , 此处使用for循环语句 进行多次 重复发送 。然后接 收反馈代码 , 命令包为y0 50 0p 0q 0r 0s FF , 其中pqrs即为Zoom Position , 最后把此 值与机芯 数据手册 中焦距表 对应的放大 倍数进行 比较 ,从而获得 当前镜头 放大倍数 。

2 . 2 红 外 灯 亮 度 与 镜 头 倍 率 匹 配 曲 线 算 法 实 现

在实际应 用中 ,如果加在 红外灯两 端的平均 电流变化是 线性的 ,那么通过 人眼观察 会发现此 时红外灯 板亮度变化 非线性非 常严重 , 暗处变化 非常快 , 而亮处变 化很难察觉 。这正符 合韦伯-费西纳(Weber-Fechnet) 定律 ,该定律说 明人的一 切感觉 , 包括视觉 、听觉、 肤觉、味觉、嗅 觉、电击觉 等 ,都遵从感 觉不是与 对应物理 量的强度成 正比 ,而是与对 应物理量 的强度的 常用对数 成正比的[7],即 :

式中S是感觉强 度 ,R是刺激强 度 ,K为常数。 因此可根据 这一定律 ,相应地改 变红外灯 的亮度。 具体做法 :常数K值根据实 际调光分 级求出 , 在本设计 中由于所 选取的镜头型号 为SONY FCB-EX480B,它的光学 变倍为18倍 ,因此分成18级亮度,即S=18, PWM分辨率设为65 535(16位)即R=65 536,套用式 (4)可求出K值。然后 在已知常数K的前提下 , 对应每一 亮度即镜 头放大倍 数等级S,应用公式 计算出对 应的R值(即PWM值),如图4所示。

根据上述调光曲线图取得放大倍数相对应的PWM值后, 若出现镜头变倍信 号则更新相应 的捕获比 较寄存器TIM3_CCR2 , 至此整个PWM更新占空比过程结束。当计数器复位时,一个新的周期立即 开始,红外灯亮度也随 之立刻变化,从而实现了红外灯亮度与镜头倍率同步匹配。

3 实验结果与分析

为验证本 系统的实 际应用效 果 , 分别做了 两个实验 ,实验一是 对不同控 制方法下 的红外灯 板发热情 况进行数据 分析。本 实验采用 的红外灯 板由12个42 mil点阵式红外LED灯组成 , 在镜头2倍光学变 倍条件下 , 运行红外球 形摄像机2 h, 在此过程 中测量红 外灯板的 温升情况 ,外界温度 为21.6℃,具体数值 见表1。

由表1可见 ,总体而言 红外灯板 在前15 min温升比较快 ,之后温升 趋于平缓 。而对比 新旧控制 算法下的 红外灯板温 升情况 ,可以看出 本设计的 补光系统 红外灯板在 长时间运 行后温度 明显低于 旧的 ,差值大约 在19℃ ,而且温度 的下降也 表明相同 倍数下LED灯板能耗 的下降 ,因此该设 计不仅较 明显地改 善了红外 球机的发 热严重问题 ,也达到了 对红外球 机节能的 效果。

实验二是 测试近距 离低倍数 条件下采 集图像效 果实验。本 实验采用 的摄像头 型号为Sony FCB-EX480B ,具体参数 如下 : 图像传感 器为1/4 Inch Exview HADCCD , 18倍光学变 焦 , 光通量F = 1 . 4 ~ 3 . 0 , 像素为752 H×582 V ( dpi ) , 水平解析 度为480 TVL。实验条 件设置为 相同低照度 环境下 ,运行红外 球形摄像 机以相同 倍数采集同一物体, 摄像头其他参数默认设置一致。采集得到图5所示两幅 图像 ,其中左侧 图像为原 红外球形 摄像机在2倍光学变 焦下采集 得到图像 , 右侧是同 样倍数下 , 安装了新补 光系统的 红外球形 摄像机采 集到的图 像。对比 可明显看到 , 左侧图像 出现中心 过曝现象 , 导致箱子 表面文字图 案完全看 不清楚 ,而右侧图 像相对左 侧而言可 以明显看到 箱体表面 的图案 , 而且光线 亮度适中 , 整幅图中心 未出现光 晕现象。 由此可得 出运用了 新补光系 统的红外球 形摄像机 很好地避 免了图像 出现中心 过曝现象 。

4 结 论

本文设计 的红外球 形摄像机 补光系统 是基于红 外灯亮度与 镜头放大 倍数相匹 配而设计 的 ,在采集图 像时根据当 前放大倍 数 , 通过改变 相应的PWM占空比从 而改变流过 红外灯的 电流大小 ,与市面上 普通红外 球形摄像机 的补光系 统在任何 倍数下红 外灯输出 的都是最 大亮度相比, 本设计在相同倍数下降低了红外灯的亮度 ,有效地节约了能耗,特别是降低了红外灯 板的发热,并大大改善 了由于红 外灯亮度 在低倍数 下过亮而 造成的近 距离采集图 像中心过 曝现象。 最后通过 实验证明 该补光系统 效果理想 ,可应用于 多种安防 夜视监控 产品中。

摘要：为解决目前红外球形摄像机普遍存在的红外灯板发热严重、近距离采集图像容易出现中心过曝等问题,搭建了以STM32F103为主控芯片、以PT4115为红外灯调光芯片的硬件电路,设计了一种基于红外灯亮度与镜头倍率匹配算法的新型红外球形摄像机补光系统,实现了在红外灯板上对多个串联红外灯的PWM智能调光。通过实验证明,该设计可以有效节约功耗、降低发热,提高了红外灯板的稳定性,从而提高红外球形摄像机的夜视监控效果。

关键词：红外球形摄像机,STM32,PT4115,补光系统,PWM

近红外光系统设计 篇2

迄今为止, 人们对光折变晶体中的光致折射率变化形成机制进行了大量深入的理论[1], [2]和实验研究[3,4,5,6,7], 研究的辐照光波长范围主要是集中在紫外光、可见光波段的蓝、绿和红光以及800μm附近的红外光3个波段, 对其光折变形成机制已做了许多探讨, 有了一定的研究成果。然而, 在光通信等应用领域中, 通常情况下所应用的光波范围是大于1μm的红外光。以往人们认为采用红外光辐照LiNbO3晶体不易发生光折变效应, 更难以实现全息存储, 因为红外光光子能量还不足以激发电子。目前, 在钛酸钡晶体中通过光子吸收超短波脉冲激光可以产生光折变效应[8];采用260GW/cm2高光强飞秒脉冲激光辐照掺铁铌酸锂晶体也可以产生光折变效应[9], 这些强光非线性的红外光折变实验现象已被人们观测到。2008年, 陈宝东采用毫瓦级的近红外光观到了光折变效应[10]。本章对近红外光为写入光的偏振方向和读出光的偏振方向对实验结果的影响进行了详细地实验研究, 分析了In:Fe:LiNbO3晶体在近红外弱光辐照下以近红外光作为写入光、可见光作为读出光时, 两者的偏振方向相互平行和相互垂直2种情况下的实验结果, 并与可见进行了比较, 发现了与可见光完全不同的实验结果。

2 实验装置及实验过程

如图1所示, 上半部分组成读出晶体折射率变化的实验装置。He-Ne激光器发出的红光经偏振片P, 可以调整读出光的偏振方向, 经过快门S, 通过平面反射镜M到达滤波、扩束和准直系统T, 分束棱镜BS将准直光束反射到晶体上, 再由成像透镜L2将晶体上待测部位的图像成像在CCD上, CCD将图像和数据传输到计算机并显示出来。下半部分为由光辐照写入晶体折射率变化的实验装置, YAG激光器发出的红外弱光作为辐照光, 辐照光强呈高斯分布, 如图2所示。辐照光经偏振片P可以调整偏振方向, 由会聚透镜L1经分束棱镜BS将辐照光束会聚在晶体前表面, 再由成像透镜L2将晶体被辐照部位的图像成像在CCD上, 通过计算机实时观察晶体的变化。

(a) —2D高斯分布图; (b) —3D高斯分布图 (a) —two-dimension gauss distribution; (b) —three-dimension gauss distribution

3 实验结果

3.1 正常偏振光 (o光) 的实验结果

调整偏振片P, 使得以正常偏振光 (o光) 辐照晶体。采用YAG倍频红外弱光脉冲激光器作为辐照光源, 波长为1.06μm, 高斯分布的细光束通过透镜会聚到晶体前表面时束腰宽度约为0.26mm, 中心光强值约200mW。红外弱光辐照在In:Fe:LiNbO3晶体的xy表面上, 沿z方向传播, 晶体中掺In浓度为2mol%, 掺Fe浓度为0.03wt%, 规格为x×y×z = 10.5mm×20mm×4.6mm, 晶体c轴水平即平行x轴。图3反映了以正常偏振光 (o光) 作为写入光束通过晶体后, 晶体的后表面光强分布图样随时间变化情况。

与图2 (a) 相比, 通过晶体的写入光束随着时间沿光轴方向分裂为2部分, 在t=120.0min时, 分裂图样不再发生变化, 即光折变效应发达到了饱和, 如图3 (g) 、 (h) 所示。然后分别用可见红光的正常偏振光 (o光) 和非常偏振光 (e光) 作为读出光束得到了如图4和如图5所示的结果。从图中可以看出:以正常偏振光 (o光) 写入一段时间以后, 再以正常偏振光 (o光) 读出, 得到了如图4 (b～d) 所示的结果, 即光辐照处中间变暗, 两端变亮;若以非常偏振光 (e光) 作为读出光束读出, 得到了如图5 (b～d) 的结果, 即虽然出现了光辐照处中间暗两端亮的现象, 但是读出图样却是如图所示的“8”字型。

(a) —放入晶体t=0.0min; (b) —放入晶体t=20.0min; (c) —放入晶体 t=40.0min; (d) —放入晶体t=60.0min; (e) —放入晶体t=80.0min; (f) —放入晶体t=100.0min; (g) —放入晶体t=120.0min; (h) —放入晶体t=140.0min (a) —input crystal t=0.0min; (b) —input crystal t=20.0min; (c) —input crystal t=40.0min; (d) —input crystal t=60.0min; (e) —input crystal t=80.0min; (f) —input crystal t=100.0min; (g) —input crystal t=120.0min; (h) —input crystal t=140.0min

(a) —未放入晶体时的读出图; (b～d) —以可见光的正常偏振光 (o光) 读出图

(a) —未放入晶体时的读出图; (b～d) —以可见光的非常偏振光 (e光) 读出图

3.2 非常偏振光 (e光) 的实验结果

调整偏振片的方向, 使得以非常偏振光 (e光) 辐照晶体, 其它实验参数不变。图6反映了以非常偏振光 (e光) 作为写入光束通过晶体后, 晶体的后表面光强分布图样随时间变化情况如下图所示。

同样, 以非常偏振光 (e光) 作为写入光束辐照晶体, 如图6所示, 在t=100.0min时, 分裂图样不再发生变化, 如图6 (f～h) 所示, 光折变效应达到了饱和。然后分别用可见红光的正常偏振光 (o光) 和非常偏振光 (e光) 作为读出光束得到了如图7 (b～d) 和如图8 (b～d) 所示的结果。从图中可以看出:以非常偏振光 (e光) 为写入光束, 非常偏振光 (e光) 读出, 此时得到的结果与以正常偏振光 (o光) 为写入光束、正常偏振光 (o光) 作为读出光束的结果是一样的, 如图7 (b～d) , 得到了类似于图4 (b～d) 的实验结果;再以正常偏振光 (o光) 作为读出光束, 此时的结果与以正常偏振光 (o光) 为写入光束、非常偏振光 (e光) 作为读出光束的结果是一样的, 如图8 (b～d) 所示, 类似于图5 (b～d) 的实验结果。

综上所述, 如果读出光与写入光的偏振方向是一样的, 就可以得到如图4 (b～d) 和图7的 (b～d) 所示的结果;如果读出光与写入光的偏振方向是垂直的, 得到了如图5 (b～d) 和图8的 (b～d) 的结果。

(a) —未放入晶体时的读出图; (b～d) —以可见光的非常偏振光 (e光) 读出的结果

(a) —未放入晶体时的读出图; (b～d) —以可见光的正常偏振光 (o光) 读出的结果

4 可见红光的实验结果

接下来我们用He-Ne激光器发出的红色可见光代替红外光源作为辐照光源, 以另一个He-Ne激光器为读出光源, 仍用图1的实验装置。实验结果如图9和10所示。

(a) —放入晶体t=0.0min; (b) —放入晶体t=1.0min; (c) —以可见光的e光读出; (d) —以可见光的o光读出

(a) —放入晶体t=0.0min; (b) —放入晶体t=1.0min; (c) —以可见光的e光读出; (d) —以可见光的o光读出

若以非常偏振光 (e光) 辐照晶体, 如图9 (a) 和 (b) , 然后分别以非常偏振光 (e光) 和正常偏振光 (o光) 作为读出光, 得到的读出图样如图9 (c) 和 (d) ;若以正常偏振光 (o光) 辐照晶体, 如图10 (a) 和 (b) , 分别以e光和o光读出, 如图10 (c) 和 (d) 。由此可以表明:在可见光范围内, 无论写入光束和读出光束的偏振方向如何, 得到的结果是一样的, 如图9 (c) 、 (d) 和图10 (c) 、 (d) 所示。

5 结论

综上所述, 通过实验观察, 对于近红外光的光折变效应来说, 若近红外写入光与可见读出光的偏振方向平行时, 读出时的图样为中间暗两端亮, 如图4和图7;近红外写入光与可见读出光的偏振方向垂直时, 读出的图样类似于“8”字型, 如图5和图8。而对于可见光来说, 无论写入光的偏振方向和读出光的偏振方向是平行还是垂直, 读出的结果是一样的, 如图9和图10。可见, 近红外光与可见光的实验结果是完全不一样的。

参考文献

[1]王金来.光折变效应的物理过程及带输运模型[J].运城高等专科学校学报, 2000, 18 (3) :89.

[2]Volk T R, Rubinana N M.Anewoptical damage resis-tant i mpu-rity in lithium niobate crystals:indium[J].Ferroelectr Lett, 1992, 14:3739.

[3]陈宝东, 杨立森, 陈玉和, 等.Li NbO3:Fe晶体中光写入平面光子晶格折射率调制度的变化规律[J].信息记录材料, 2007, 8 (5) :1922.

[4]Matoba O, Itoh K, Ichioka Y.Array of photorefractive waveguides for massively parallel optical interconnections in lithiumniobate[J].Opt Lett, 1996, 21 (2) :122124.

[5]Askin A, Boyd G D, Dziedzic J M, et al.Opticallyin-duced refractive index inhomogeneities in Li NbO3and Li TaO3[J].Appl.Phys.Lett, 1966, 9 (1) :7274.

[6]Krauss T F, De La Rue R M, Brand S.Two-di mensional photonic bandgap structures at850nm wavelength[J].Nature, 1996, 383:699702.

[7]Schedin S, Pedrini G, Tiziani HJ, et al.Si multaneousthree-di mensional dynamic deformation measurements with pulsed digital holography[J].Appl.Opt, 1999, 38 (34) :70567062.

[8]Horowitz M, Fischer B, Barad Y, et al.Photorefractive effect in a BaTi O3crystal at the1.5μm wavelength re-gi me by two-photon absorption[J].Opt Lett, 1996, 21 (15) :11201122.

[9]O.Beyer, I.Breunig, F Kalkum, et al.Photorefractive effect in iron-doped lithium niobate crystals induced by femtosecond pulses of1.5μm wavelength[J].Applied physics letters, 2006, 88, 051120.

近红外光系统设计 篇3

手背静脉识别是近年来新兴的生物特征识别技术。手背静脉由于具有丰富的静脉分布,可用特征多,在人体静脉识别中显示出优势,具有非常广阔的应用前景。与其他人体生物特征一样,手背静脉具有普遍性、唯一性、稳定性、可采集性、可接受性、防欺诈性等特性[1],而且具有活体识别、内部特征、非接触式等优点,很难伪造或手术改变,与指纹识别技术相比,安全性更高。静脉图像的采集途径分为近红外和远红外两种技术[2]。近红外图像,是通过主动发射波长为700-900 nm的红外光波,由带有红外滤镜的CCD(Charged Couple Device)摄像头拍摄而得[3]。该波长可以较好地穿透骨骼和肌肉,静脉里的血液比周围组织吸收更多的红外光,血管流经处颜色较深,从而呈现出静脉结构。基于近红外技术的手背静脉识别,具有设备成本低的优势,更利于实际应用的推广,成为研究的热点[4,5,6]。文章研究了近红外技术手背静脉图像采集系统及制作。采用光学摄像镜头、SONY的ICX089AKCCD图像传感器、NEC的PD16510CCD图像传感器驱动芯片、Philips的数码摄像信号处理器芯片SAA8116(包括微控制器和USB接口)、TDA8787A/D接口构成图像采集硬件系统。利用Directshow开发图像采集软件。硬件系统与计算机之间采用USB作为通信接口。实验结果表明,系统能采集到清晰的手背静脉图像,尤其在850 nm近红外光波条件下,取得更加满意的实验结果。系统的研制对手背静脉身份识别仪器的研制具有一定的参考价值。

2 图像采集系统设计

系统由近红外成像、通信接口、图像处理三大部分组成。通过发射一定波长的红外光照射手背,使手背静脉血液吸收红外光,使其跟周围组织对比度更加鲜明。在镜头前加装红外滤镜。红外滤镜的作用是阻挡可见光而让红外光顺利通过镜头,CCD传感器捕捉红外光。信号采集和处理模块进行数据采集,再通过USB通信接口将图像数据传输给计算机,由图像采集软件完成手背静脉图像的显示、预览、存储等。系统采集硬件和图像采集软件之间通过计算机采用USB通信接口完成数据传输及指令控制。这就是红外线手背静脉图像采集系统的设计原理。系统总体框架如图1。

2.1 近红外成像

主要由摄像镜头、CCD传感器、驱动电路、信号处理电路、电子接口电路、光学机械接口等组成。

摄像镜头:具有4层玻璃镜片,层数越多,失真校正越好。装有红外滤镜,能允许红外光通过,从而能更好地采集红外图像。

CCD传感器:系统的核心器件,在驱动脉冲的作用下,实现光电荷的转换、存储、转移及输出等功能[7]。系统采用SONY的ICX089AK CCD图像传感器芯片。芯片由硅材料制成,对近红外光波比较敏感,在黑暗环境中也能采集到清晰的、低噪声的图片。

驱动电路:由晶振、时序信号发生器、垂直驱动器等构成,为CCD提供所需的脉冲驱动信号,并为信号处理电路提供钳位、复合同步、复合消隐、采样保持等脉冲信号。系统采用NEC的PD16510CCD图像传感器驱动芯片。PD16510是垂直驱动器,包括一个CCD垂直寄存器驱动器(4通道)与一个VOD快门驱动器(1通道),专用于CCD图像传感器,采用层次转换电路,具有三层输出功能。

信号处理电路:主要完成CCD输出信号的AGC、视频信号的合成、A/D转换等功能。CCD的输出信号输入至信号处理电路,信号处理后转换为所需要的信号输出。系统采用Philips的数码摄像头信号处理器芯片(包括微控制器和USB接口)SAA8116。

接口电路:将来自外部的控制信号转换为相应的相机控制信号,并反馈至时序发生电路、信号处理电路,从而对相机的工作状态进行有效控制。接口电路还可输出时序发生器所产生的各种驱动时序信号,可被图像采集软件用于对图像采集的控制。采用Philips的TDA8787A/D接口芯片。

机械光学接口:完成与光学镜头的机械连接,从而实现光学系统与CCD的耦合(如图2)。

2.2 图像采集软件

DirectShow是微软公司在ActiveMovie和Video for Windows的基础上推出的新一代基于COM(component object model,COM)的流媒体处理的开发包,采用Filter Graph来管理整个数据流的处理过程,可从采集卡上捕捉数据并用于后期处理[8]。DirectShow的基本构建模块称为滤波器(Filter)组件,DirectShow可将数据流的处理过程分解成若干步骤,每一步由一个Filter来完成。Filters之间通过Pin进行连接构成滤波器图(Filter Graph),通过Filter Graph Manager控制一系列的数据处理过程[9]。

图像采集采用DirectShow的ICaptureGraphBuilder2标准接口,利用其中的R e n d e r S t r e a m自动建立、连接滤波器链表。RenderStream在预览、捕获视频时引脚的类型分为PIN_CATEGO RY_PREVIEW和PIN_CATEGORY_CAPTURE,媒体类型均为MEDIATYPE_Video。完成两个目标任务:一是实时预览采集的视频数据,二是在预览图像时,实时将捕获数据并保存到文件中。

3 实验结果

将近红外成像硬件部分通过USB口与PC机连接,在PC上运行图像采集软件,可以对手背静脉图像进行采集。图像像素大小:640480。下面比较在正常光照下以及不同波长近红外光照射下所采集到的图像。

在普通光源下,系统采集到的图像可依稀呈现静脉网络如图3(a),但计算机很难进行特征提取和识别。用近红外光波照射手背,由于红外光波能够较好地穿透骨骼和肌肉,静脉对红外光的折射率与周围组织不同,因此能够更好地凸现出静脉网络结构。在近红外光波照射下,系统采集到的手背静脉图像如图3(b)。从图中可以看出,近红外光波下采集的静脉网络效果明显优于普通光源下的效果。

由于人体组织对红外光波具有反射性,可以通过调整近红外LED的发射功率增强图像的对比度。当红外光的波长增加时,静脉外的其他组织反射性也随着增强,采集到的手背图像静脉网络跟其他组织的对比度也降低,这样反而难以得到清晰的静脉网络图像。如图4所示,当入射光波为850 nm时得到的图像静脉网络比光波为940 nm时采集到的结果更为清晰。因此,采用850 nm波长的红外光源采集到的静脉网络对比度更高。

4 结语

手背静脉识别是新颖的身份识别技术,采用活体内部特征,比指纹识别安全性更高,是一项值得推广的技术。研制低成本、高质量的静脉图像采集系统是该技术得以广泛应用的关键所在。文章采用ICX089AK CCD图像传感器、PD16510 CCD图像传感器驱动芯片、数码摄像信号处理器芯片SAA8116(包括微控制器和USB接口)、TDA8787A/D接口开发设计图像采集硬件。在不同波长红外光照射下进行实验,结果表明,系统能采集到清晰的手背静脉图像,尤其在850 nm近红外光波条件下,取得更加满意的实验结果。系统具有成本低,效果好的优势,对手背静脉身份识别仪器的研制具有一定的参考价值。

摘要：手背静脉识别是新颖的身份认证技术,与指纹识别相比,具有活体识别、内部特征、非接触式等优点。基于近红外技术的手背图像采集设备具有制作成本低的优势,是实际应用中首选的技术。文章研究了基于近红外技术的手背静脉图像采集系统及制作,实验结果表明,在850nm的近红外光波下,可以采集到高对比度的手背静脉图像。对手背静脉身份识别系统制作具有参考价值。

关键词：生物识别技术,手背静脉识别,图像采集,近红外技术,CCD传感器

参考文献

[1]A.K.Jain,R.Bolle,S.Pankanti.Biometrics:Personal Identi-fication in Networked Society[J].Boston:Kluwer AcademicPublishers,1999.

[2]Wang Lingyu,Leedham G.Near-and Far-Infrared Imaging forVein Pattern Biometrics[J].Proceedings of IEEE InternationalConference on Video and Signal Based Surveillance(AVSS'06).2006.

[3]林喜荣,庄波,苏晓生等.人体手背静脉血管图像的特征提取及匹配[J].清华大学学报(自然科学版),2003,43(2):164-167.

[4]Wang Huabin,Tao Liang.Novel algorithm for enhancement ofhand vein images based on adaptive filtering and retinex method[J].International Conference on Information Science and Tech-nology(ICIST'12),2012:857-860.

[5]Kumar A.,Hanmandlu M.,Madasu V.K.,Lovell B.C.Biometric Authentication Based on Infrared Thermal Hand Vein Patterns[J].Digital Image Computing:Techniques and Applications(DICTA),2009:331-338.

[6]Liukui Chen,Hong Zheng,Li Li,etc.Near-Infrared Dorsal Hand Vein Image Segmentation by Local Thresholding Using Grayscale Morphology.The1st International Conference onBioinformatics and Biomedical Engineering(ICBBE'07),2007:868-871.

[7]王忠立,贾云得.基于CCD与CMOS的图像传感技术[J].光学技术.2003(3):1-2.

[8]陆其明.DirectShow开发指南[M].北京:清华大学出版社,2003:12-34.

近红外光系统设计 篇4

关键词：近红外光乳腺诊断仪,普查,诊断分析,乳腺疾病

乳腺疾病是妇女的常见病, 特别是乳腺癌的发病率逐年升高, 已成为全球性影响女性健康的重大问题。因此开展对乳腺疾病的普查, 对乳腺疾病的早期发现、早期诊断、早期治疗已经成为防治乳腺疾病工作的重要任务。我西山疾病预防控制中心于2009年4月-9月应用近红外光乳腺诊断仪对西山集团所属24个单位13708名在职女职工进行了乳腺健康检查, 现将普查情况报告如下:

1 资料与方法

1.1 一般资料

我西山疾病预防控制中心应用近红外光乳腺诊断仪共普查在职女职工13708人。

1.2 仪器

采用徐州市彭康电子设备有限公司生产的pk-3103型红外光乳腺诊断仪。

1.3 检查方法

在暗室进行, 病人取坐位, 面对摄像头, 暴露双乳, 胸部微前倾, 使乳房自胸壁自由下垂, 移动摄像机对准被检乳腺, 探头放于乳腺下方, 调节亮度, 对乳腺逐个象限依次进行和扫描式透照图像显示于屏幕上。凡查出血管异常改变或异常灰阴影图像者, 均嘱其门诊复查。

1.4 诊断

采用病史、手检和临床的肿块、溢液、疼痛等病症与近红外光扫描形结合综合分析, 对有可疑的病人建议到外院行乳腺B超及钼靶X线检查。

2 结果

2.1 乳腺疾病检出情况

检出乳腺增生症3129例, 检出率22.83%, 乳腺纤维瘤43人, 检出率31.37%, 乳腺肿块3人, 检出率0.02%, 乳腺癌2人, 检出率0.15%, 乳腺结节69人, 检出率0.50%。

2.2 乳腺疾病年龄分布情况

乳腺常见病发生率存在明显的年龄差异, 乳腺增生症多发生于31-40岁及41-50岁年龄组, 发病原因与卵巢功能的失调有关。

3 讨论

(1) 乳腺小叶增生发病占首位, 多发生在30~50岁妇女, 发病原因与卵巢功能的失调有关。临床上常同时或相继在两侧乳房内发生多个大小不等、圆形、较硬的结节。结节与周围组织分界不甚清楚, 与皮肤和胸肌筋膜并无粘连, 因此可推动。根据囊内所含内容物不同而表现的影像:1) 单个囊肿的影像图:表现为孤立的中心高透亮区, 形态规则, 边缘光滑, 无血管改变。2) 多发性囊肿:呈灰影, 深浅不一, 密度不均匀, 似棉絮状血管反应的灰影较模糊。

(2) 乳腺疾病工人发病率比例高于干部, 二者相比有极显著差异性 (P<0.01) , 这可能因工人劳动强度大, 接触噪音, 长期在噪音环境下工作, 引起内分泌功能失调, 导致乳腺病发病率增高, 故要重视普查, 要积极控制乳腺的良性病变, 早预防, 若怀疑癌前病变, 尽早手术治疗。

(3) 乳腺纤维腺瘤乳腺纤维腺瘤最常见于20~30岁青年妇女, 一般多为单发性, 间或有多个在一侧或两侧乳房内出现。乳腺纤维腺瘤的发生与雌激素的刺激 (卵巢功能旺盛) 有密切关系。临床上纤维腺瘤常位于乳房的外上象限。呈卵圆形, 多为樱桃大, 亦有巨大者, 表面光滑, 质硬, 边界清楚, 与周围组织无粘连, 易推动。所以检查时将瘤体表面组织尽量推开, 可依稀显示浅灰色均匀阴影, 瘤体边界光滑清晰, 血管围绕灰影行走, 推动肿块无血管同步移位现象。

(4) 对普查中怀疑为乳癌的2例病人, 结果均为乳腺癌, 均于手术, 符合率100%。对3129例乳腺小叶增生、乳腺纤维瘤抽样 (43例) 病检, 结果与近红外扫描检查结果相符, 符合率100%。

(5) 近红外乳腺诊断仪的应用, 大大提高了乳腺疾病的诊断准确率, 它检查无损伤、无痛苦, 易被病员接受;它图像清晰, 检查快速, 操作简便易被基层医务人员掌握, 是检查筛选乳腺疾病的重要方法。

(6) 红外线乳腺诊断仪使用携带方便, 图像直观, 诊断快, 已成为当前西山矿区开展乳腺疾病普查的主要手段, 它的优点在于:1) 能够查出2cm以内的肿块。由于红外线乳腺诊断仪能够很清晰地显示出肿块阴影的边缘、密度、血管与阴影的关系等, 对鉴别肿块的良、恶性有很高的准确率, 所以可为诊断早期乳腺癌提供可靠的依据。2) 因为红外线对人体无损害、无痛、无副作用, 可反复多次检查并可进行图像记录, 各年龄段的妇女都适用。3) 这种检查手段简便易学, 便于医生操作。当然这种检查方法也有其缺陷, 因为目前国内尚无统一的诊断标准, 加之操作水平不一, 所以在查体的过程中应密切结合临床表现, 不断总结经验, 力争杜绝漏诊, 为广大的育龄妇女服务。

近红外光系统设计 篇5

1 资料与方法

1.1 一般资料

全部为生育年龄妇女, 年龄分布20~54岁;职业:在职职工890人, 全职家属540人, 自由职业596人。

1.2 检查方法

检查者在暗室进行, 患者取坐位, 稍前倾。裸露双乳, 以探头探照乳腺各个方向, 在屏幕上显示血管情况, 有无阴影, 阴影的大小, 灰度及阴影与血管的关系。

1.3 几种图像的特征

红外光扫描是利用透过乳房的强度不同的红外光而显示透光、暗亮及各种不同的灰度影。从而显示乳房肿物阴影。红外光对血红蛋白的敏感度较强, 由于癌血管丛生, 癌性充血以及癌组织周围血红蛋白的增加, 照射时大部分红外光被吸收产生吸光影。若红外光全部被吸收, 则产生黑色吸光团, 透过红外摄像机转换到监视屏上可以显示不同的灰阶度和血管阴影, 通过血管和不同灰阶的交叉作为评定病变性质的依据。

1.3.1 正常乳腺图

乳房呈均匀一致的浅灰色或透高色。血管分布于乳房内, 边界清楚, 走向连续。两侧对称。属于A级血管, 0灰阶度。

1.3.2 乳腺增生症

图像随内分泌环境变化而改变, 根据临床表现不同, 乳腺增生有以下特点: (1) 乳痛症:可扪及双乳散在小结节, 质软, 有压痛, 通常图像表现双侧乳腺透亮, 血管走向双侧相似, 可见云雾症或鱼网症。 (2) 乳腺囊性增生:根据囊内所含内容物不同而表现不同的影像。含清亮液体单个囊肿表现为孤立的中心高透亮区, 形态规则, 边缘锐利光滑, 无血管改变。多发性小囊肿, 肿块区灰影深浅不一, 密度不均匀, 似棉絮状, 血管反应灰影大小与肿块相似。 (3) 腺病:因腺病是乳管和腺泡的增生, 临床上可触及类似乳癌的肿块但扫描下肿块区无明确灰影, 既不显影又无血管改变, 或者可见浅灰色的、淡淡的、质均匀灰影, 不规则, 小于扪诊包块或与之相似, 血管改变不明显。

1.3.3 乳腺纤维瘤

肿瘤与附近组织透光情况相似, 将瘤体表面组织尽量推开或将其顶到皮下, 可依稀看到浅灰度均匀阴影, 瘤体边界光滑清晰, 部分病例可见血管环绕灰影行走, 推动肿块无血管同步移位现象, 若临床能扪及明显包块, 并有滑脱感, 而红外光透照看不到明显灰影者, 支持乳腺纤维瘤的诊断, 但较小的肿瘤应注意与早期乳癌相鉴别。

1.3.4 乳腺炎和乳腺脓肿

乳腺感染可见弥漫性的亮度降低, 发生脓肿时可见深灰或深黑色团块灰影, 对这种图像必须连续动态观察。图像可有明显动态变化。

1.3.5 乳腺导管内乳头状瘤

可见乳晕区的中灰或深灰色阴影, 吸光度较强, 可与乳头灰度相似, 为0.5~1cm。边界光滑清晰, 无血管环绕、中断现象。压迫阴影可见乳头有棕红色液体溢出。

1.3.6 乳腺导管扩张症

乳晕区的肿块灰影边界不清, 从乳晕朝向基底部散布, 灰影在非炎症急性期时其灰度差略高于乳癌, 接近于腺体组织, 血管反应小, 无明显血管中断。

1.3.7 乳癌

表现为血管数目增多, 粗大, 屈曲或小血管丛生, 有局限的灰阶影, 呈中度到深度灰阶。包块阴影较触诊大, 有时可见到血管穿过或绕过肿块或突然中断现象。

2 结果

乳腺增生1520人占70.03%, 其中乳痛症1020人占总人数的50.44%;纤维瘤4人, 占0.20%, 完全正常506人, 占29.97%。异常者经进一步检查确诊和两个月随访诊断符合率98%。

3 讨论

红外组件阻值采集系统设计 篇6

空间应用的光导型碲镉汞红外探测组件具有高可靠性要求, 产品交付前需要进行寿命试验, 以获取其工作寿命指标[1~5]。目前, 国内普遍通过在其寿命试验过程中定期手动进行电阻测试[6], 以判断组件的失效时间, 从而获取其产品的工作寿命指标。基于手动的阻值测试过程大大增加了电阻测试的不准确性和不方便性, 寿命试验过程中积累的数据量也极为有限, 难以满足精准评价产品工作寿命指标的要求。

针对目前光导型碲镉汞红外探测组件寿命试验中阻值测试存在的诸多不足, 本文采用虚拟仪器技术, 利用Fluke公司的程控数据采集器, 结合Lab VIEW开发平台研制了一种自动化阻值采集与分析系统。系统的具体技术指标如下:1) 测量精度≤0.4Ω;2) 测量范围:0Ω~500Ω;3) 自动测试, 自动数据存储;4) 当器件的阻值变化超过±20%范围时, 即时报警。

1 阻值测量系统设计

1.1 硬件设计

系统由PC机、数据采集器、模拟多路复用开关组成。系统框图如图1所示。系统运行的步骤如下:

1) 系统上电, 运行计算机阻值测试Lab VIEW程序, 置位数据采集器的数字量输入输出DIO的D2位, 置位单片机的模拟多路复用开关控制信号, 选通通道1;

2) 计算机通过R S 2 3 2接口从数据采集器上读取数字量输入输出信号DIO, 若读取到开关就位信号即D2=1, 计算机则向数据采集器发送数据采集命令, 并等待数据采集器的回馈信息;

3) 计算机接受到数据采集器返回有效数据, 将返回的有效数据进行存储, 同时向数据采集器发送数据采集完毕信号, 并通知模拟多路复用开关准备下一回路的光敏元测试。

4) 重复步骤2) ~3) , 对所有待测的元器件进行测试。

1.2 软件设计

上位机软件采用Lab VIEW软件设计, 实现光敏元阻值数据采集、数据检测、数据存取及数据分析等等, 图2为上位机的Lab VIEW监控界面。上位机软件主要包括两部分:

1) 数据采集

计算机通过串口通信的方式, 向Fluke 2620A数据采集模块发送数据采集指令, 以获得各路光敏元的阻值, 并把采集到的阻值数据用Lab VIEW软件界面实时保存到数据表中, 以备后续的数据处理、计算及打印。

2) 数据存取和数据处理

数据存储部分主要是将采集到的光敏元阻值数据以txt文件和Excel文件存储, txt文件是用来建立记录集, 执行数据文件的操作, 满足历史报表数据的查询和打印。而Excel文件是用来进行数据比较的, Excel文件有两个, 其分别保存着最近两次测量的光敏元阻值信息, 系统通过对比两个Excel文件中各路光敏元的阻值来判断光敏元阻值是否出现异常现象。考虑到测量系统的误差, 当同一个光敏元两次测到的阻值变化超出±30%时, 通知单片机重新测量一遍, 若阻值变化还是超出范围, 则通知单片机停止试验, 标出出现问题的光敏元。

2 阻值测试精度分析

光敏元所在电路可等效为如图3所示的电路图, 从图3可看出, 数据采集器测到的阻值为R总, 为开关芯片的导通电阻R1与光敏元的电阻R0之和。因此导通电阻R1的波动对测试的精度将会带来直接的影响。本测试系统选用的数据采集器为Fluke 2620A, 该采集器的测量精度如表1所示。选用的档位为3KΩ, 测试精度为0.1Ω, 开路电压为1.5V, 流经测试电路的最大电流为110μA。保险起见, 本文要求在恒定室温的情况下, 模拟电子开关导通时产生的导通电阻R1的变化须小于0.3Ω, 瞬时电流小于1m A。而模拟开关阵列开关芯片ADG1634在恒定室温下的导通电阻的波动小于0.3Ω[7], 足以满足测试的要求。

3 实验结果

为验证系统的实际性能, 将该系统连接至包含54路器件的组件, 进行自动老化和自动阻值测试实验, 在对待测的电阻阻值进行连续监测后, 测得的电阻阻值随时间的变化图如图4所示。从图中可以看出, 该测试系统的电阻测量值波动非常小, 小于0.15Ω。此外, 该系统的测试速度非常快, 54路器件的阻值测试时间仅为2分钟, 足以满足实际的应用需求, 达到了预期的设计目标。

4 结束语

本文设计了一种可用于红外探测器组件寿命试验过程的阻值采集和分析系统, 该系统基于Lab VIEW软件平台, 采用数据采集器、模拟多路复用开关电路等组成, 能够完成光导型碲镉汞探测器阻值自动测试、数据存储和数据分析等功能。通过对54路器件的实际测试表明, 该系统测试效率高、测试阻值波动小于0.15Ω, 足以满足实际的应用需求, 达到了预期的设计目标。

摘要：针对红外组件寿命试验过程中阻值测试困难的问题, 设计一种可用于红外探测器组件寿命试验过程的探测器阻值自动采集和分析系统。该系统基于Lab VIEW平台, 采用Fluke 2620A作为阻值数据采集器, 结合自行设计的Lab VIEW数据采集分析软件, 实现数据采集、实时显示、数据分析、数据存储等功能。最后进行了阻值测试实验, 实验结果表明:测试系统的测试速度快, 数据分析直观高效, 测量值波动小于0.15Ω, 满足红外组件阻值测量精度≤0.4Ω的要求。

关键词：LabVIEW,红外组件,多路阻值采集

参考文献

[1]X.Breniere, P.Tribolet.Uniting IR detectors for tactical and space applications:a continuous cycle for reliability[J].Proc.SPIE2009, 7298:1-12.

[2]龚海梅, 张亚妮, 朱三根, 王小坤, 等.红外焦平面可靠性封装技术[J].红外与毫米波学报.2009, 28 (2) :85-89.

[3]龚海梅, 刘大福.航天红外探测器的发展现状与进展[J].红外与激光工程.2008, 37 (1) :18-24.

[4]周赞熙.红外探测器组件可靠性指标分配初探[J].红外技术, 1997, 19 (4) :13-16.

[5]龚海梅, 邵秀梅, 李向阳, 李言谨, 张永刚, 张燕, 刘大福, 王小坤, 李雪, 方家熊.航天先进红外探测器组件技术及应用[J].红外与激光工程, 2012, 41 (12) :3129-3140.

[6]碲镉汞红外探测器组件老化试验操作指导书[Z].上海技术物理研究所内部资料, 2010.

基于红外的自动导航系统设计 篇7

1 硬件设计

本系统的硬件方框图如图1所示, 主要是由红外线接收模块和电机驱动模块两大部分组成。主要完成对红外编码信号的接收、轨迹检测和伺服电机运行的发生等功能。红外接收头安装在小车的上方, 负责红外信号的采集。输出端将信息传输给C51单片机。单片机查询并分析被红外接收头采集到的由红外遥控器发出的红外信号, 通过对信号进行解码, 分析出方向信息, 发出指令驱动小车点击的转动情况, 从而完成对小车运动情况的控制。小车将会向红外线发出端运动, 完成导航过程。

1.1 红外接收模块设计

本系统采用波长约为950nm的红外发射器作为导航源。选用了TSOP1738作为红外接收器, 载波频率为38KHz, 解调信号的输出端直接与单片机相连。有红外编码信号发射时, 输出为检波整形后的方波信号, 并直接提供给单片机。红外线接收器有内置的光滤波器, 除了需要检测的950 nm波长的红外线外, 几乎不允许其它光通过。红外检测器还有一个电子滤波器, 它只允许大约38 kHz的电信号通过。

1.2 电机驱动模块设计

小车的运动状态是通过改变伺服电机的转动情况实现旋转改变的。控制伺服电机转动速度的信号是一系列的脉冲信号。其中电机转速为零的控制信号是高电平持续1.5ms低电平持续20ms, 然后不断重复的控制脉冲。将该脉冲序列发给经过零点标定后的伺服电机, 伺服电机不会旋转, 也就是说, 此时小车是静止的状态。控制电机运动的是两个伺服电机转速的是高电平持续的时间, 当高电平持续时间为1.3ms时, 电机顺时针全速旋转, 当高电平持续时间1.7ms时, 电机逆时针速旋转。将电机与C51连接时P1_0引脚的控制输出用来控制左的伺服电机, 而P1_1则用来控制右边的伺服电机。

2 软件设计

根据系统硬件设计, 要完成课题要求的关键部分在于红外信号的接收和电机运动的控制。所以系统软件设计的思路也主要分为两大模块:红外解码模块和小车控制模块。红外解码部分主要完成检测红外接收头发出的红外编码信号的接收, 单片机分析后, 识别出具体是哪个红外接收头接收到了红外信号。控制小车运动的部分主要是单片机依据提取到的方向信息, 发出相应的指令, 控制小车电机的转动。由于电机与车轮是通过齿轮连接在一起的, 改变伺服电机的转动就可以完成小车直行或转弯等运动情况的改变。

将程序下载到单片机后, 完成系统初始化。红外接收头将检测到红外遥控器发出的编码后的红外信息传递给单片机。单片机对接收到的数据进行解码, 提取相应的方向信息, 产生PWM脉冲波形, 实现对伺服电机的控制, 从而实现对小车的导航。软件设计框图如图2所示。

3 结语