红外光电子物理（共7篇）
红外光电子物理 篇1
引言
作为信息领域的一个新兴学科, 红外光电子学与微电子学结合形成了当今新一代的红外焦平面探测技术, 并随着交叉的深入正在产生智能型和片上系统的新一代红外焦平面技术。当前, 红外光电子学一方面向红外探测器技术方向发展, 另一方面向量子阱红外探测器#红外级联激光器、级联激光器和单光子远红外探测器等方向发展。因此, 红外光电子物理研究已成为红外光电子学科研究的热点话题。
1 红外光电子物理概念
红外光电子物理既是研究红外探测和辐射原理及其机制, 又是研究在红外波段能量范围内电磁辐射与物质之间的相互作用, 同时还可以探索新材料或者器件, 为红外光电子技术研究贡献科学理论基础, 并为其直接应用提供可能的一门热门学科。在对红外光电子物理的研究过程中, 最典型的就是与红外焦平面相关的物理问题, 比如子带物理、窄禁带半导体物理等。目前, 伴随着对红外光电子物理研究的增多和不断深入, 以量子阱红外探测器及其它量子器件为代表的新一类焦平面技术和以铁电物理为基础的新型红外探测应用材料与物理发展日渐成熟。
2 红外光电子物理类型
红外光电子物理研究中以窄禁带半导体物理、低维半导体物理和极化物理三种最为典型, 具体为:
1) 窄禁带半导体物理。在焦平面列阵红外探测器研制中, 碲镉汞薄膜材料至关重要。这是由于在碲镉汞薄膜材料中, 存有Hg混晶材料, 较Ga As、Si不同, 其在研究中存在着巨大的挑战性和难度。例如, 碲镉汞薄膜材料研制存在着组分控制、均匀性、表面缺陷密度、位错密度、掺杂技术等关键问题等]。
基于此, 为解决上述问题主要通过以下几方面进行分析:带带跃迁本征吸收光谱、体电子和表面电子的迁移率谱分析、禁带宽度的压力系数、碲镉汞禁带宽度的组分和温度关系表达式、轻空穴和重空穴迁移率谱分析、体电子和表面电子的迁移率谱分析、禁带宽度能量附近和以上范围吸收系数表达式、碲镉汞中汞空位能级和吸收强度及远红外声子参数和光学常数、禁带宽度的非线性温度关系以及电子有效质量等。
2) 低维半导体物理。当前, 对辐射探测物理和红外光电子物理的研究已经得到深入发展, 其前沿理论主要是对半导体超晶格量子阱等低维结构中的光电子性质进行研究, 而这其中最主要的是对调控电子能带与波函数的研究。在新型光谱实验方法中, 获得了常规光谱和其它实验方法不能获取的半导体超晶格和量子阱结构中光跃迁过程的新结果]。
例如, 量子台阶的电子波函数相干特征、单量子阱的能态后调控、磁极化子与束缚声子的相互作用和半导体量子点光谱、单量子线中的应力效应、低维激子及波函数、单量子结构的光电子特性以及单个p型a掺杂结构中受限空穴态等。
同时, 在研制新一代红外探测器及其焦平面列阵技术过程中, 也需部分亟待解决的问题, 例如:量子阱红外焦平面器件工艺、量子阱体系红外光电耦合、功能材料设计与生长及量子阱结构界面混合效应等。
3) 极化物理。极化物理已成为新时期材料科学技术和信息科学技术等发展的焦点问题。在铁电薄膜非致冷红外焦平面制备过程中, 计划问题至为关键, 但同时也存在着诸多挑战性和难点。研究表明, 非致冷铁电薄膜红外焦平面列阵探测器的研制过程中, 钛酸锶钡铁电薄膜的应用最为合适。
目前, 国内对极化物理的研究较为成熟, 并取得了一定成果。例如, 在美国的薄膜手册中收录了关于溶胶-凝胶法制备BST薄膜的P-E电滞回线和ε-T介电常数温度谱;“Ba Ti O3纳米晶”已作为美国科学出版社出版的Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology杂质中。
3 红外光电子物理研究的几个问题
新时期, 研究红外光电子物理过程中, 着重就红外辐射在物质中的激发、传输和接收等进行分析。同时, 在中红外波段激光器、红外焦平面、红外单光子探测器等应用时进行研究分析, 具体为:
首先, 应注意红外功能材料制备及其特性的研究, 这主要是由于红外辐射与其他运动形态转化的平台是特定结构的物质系统。在研究红外功能材料的控制、制备、设计、性能等特性及其表征, 已是研究红外光电子物理的一种基础性的根本。
第二, 对红外光电子物理的研究中, 主要核心包括很多方面, 比如光光转化、电光转化、光电转化、控制及规律研究等方面。因此, 为提高红外光电子物理研究的深度, 应通过建立相应的实验手段, 并将其运用到实践之中, 以获得需要的结果。
第三, 在研究红外光发射、红外传输、红外探测及非线性光学元件等应用过程中, 将红外光电器件的设计、制备、性能及应用列入其研究内容中。当前, 最重要的是大规模红外焦平面、中红外波段激光器、红外单光子探测器等]。
第四, 凝聚态红外光谱与信息获取处理也成为红外电子物理应用研究的一个重要内容。在对谱像判断分析过程中, 其主要依据物质系统红外光谱特征, 这也是红外光电子物理应用发展的重要方向之一。
4 国内红外电子物理研究展望
红外电子物理学科的发展离不开高端器件技术的牵引和新概念器件的不断涌现, 特别在是红外焦平面技术中材料与器件及相关技术的专家系统方面。研究红外功能材料制备及特性, 着重研究红外光电激发转换和光光转换的规律性。因此, 红外光电子物理和应用研究中几个关键问题, 以研究用于各类新型红外光电系统信息识别的凝聚态红外光谱为主。
红外光电转速测量仪 篇2
在生产中, 对转速的准确测定关系到产品的质量和功效。例如, 由织布机转盘的转速可以计算布匹的产量;水力发电机叶轮的转速是计算发电机电功率的必不可少的数据。本文介绍一种非接触式的红外光电转速测量仪, 安装方便, 对周围的环境要求也不高, 可以很容易完成转速的测量。测试范围从1r/min到999r/min, 具有较宽的动态测量范围, 测量精度也比较高。
1 电路制作原理
图1为该装置原理框图。测速仪由光电传感器和方框内的二次仪表组成。该装置利用光电传感器进行采样:红外光电传感器发出的光, 聚焦到被测的旋转轴上, 光由转轴反射后, 再聚焦到传感器光敏二极管的光敏面上。在旋转转轴上, 粘贴一高反射率的矩形铝箔, 当转轴旋转时, 每转一圈, 光敏二极管将会输出一个脉冲信号。二次仪表内对采样得到的脉冲信号进行整形处理, 再送入单片机进行处理计算, 实现转子转速的测量计算, 计算出的转子转速信号送到显示电路进行数字显示。
2 系统的电路组成及功能介绍
下面对主要电路、元件的工作原理作进一步介绍。
2.1 电源电路
图2为电源电路。220V市电经降压、整流和大容量电容器C滤波后, 再由三端集成稳压器CW7805稳压, 在输出端即可得到稳定的直流电压Uo (5V) 。电容Ci可改善纹波电压, Co可改善负载的瞬间响应。
2.2 红外光电传感器
红外光电传感器采用传统的光电自准直式结构, 采用高灵敏度的光敏二极管作为检测元件。
图2光学成像系统:
图3为光路结构图。高功率的单色发光二极管发出的波长为0194μm的红外光, 经孔径光栏入射到半透半反镜 (分光棱镜) , 再由聚光镜 (凸透镜) 将光点聚到转子的表面。根据光路可逆原理, 聚光镜和半透半反镜又将转子表面上的光点成像到光敏二极管的光敏面上。该结构为自准直式光电传感器结构, 入、反射光线沿光轴传播, 安装调整方便。半透半反镜镀为中心波长为0194μm的薄膜, 可阻止杂散光线进入光学系统。
聚焦在旋转轴上的光斑的大小直接影响测量灵敏度。当转速一定时, 如光斑太小, 光斑渡越矩形反射区间的时间过快, 输出脉冲上升沿较陡;光斑太大, 光斑渡越矩形反射区间的时间过慢, 输出脉冲信号的上升沿会有一定的坡度。对频率测量来说, 脉冲信号上升沿越陡, 频率测量分辨率越高。因此要对聚焦光斑的大小分析计算。聚光镜位置、聚焦光斑大小的计算, 依据
式中:l′为像距;l为物距;f为焦距;y′为像高;y为物高, 应充分考虑传感器的外形大小及安装调整的方便来计算确定。
2.3 信号处理系统
信号处理系统 (即二次仪表) 由脉冲整形电路、单片机信号处理系统和数字显示电路等组成。
2.3.1 脉冲整形处理电路
受周围环境、光敏二极管与转轴的距离等因素影响, 输出电信号的幅度呈现起伏变化状。因而要将输出信号送入脉冲整形处理电路 (如图3所示) 处理, 以消除“抖动”。如采用固定电平的办法对脉冲信号进行整形处理, 可能会影响整形信号的输出。采用浮动阈值电平的方法可有效解决这一问题。
利用经R1、R2分压后的电压UR (2.5V) 作为参考电压, 与光敏二极管输出的脉冲信号Ui在LM311比较器中进行比较 (如图5所示) 。LM311的反相端接输入信号Ui, 同相端接参考电压UR, 其输入输出关系为:
当光敏二极管无光照, Ui>2.5V, 通过LM311比较器比较后Uo输出低电平UOL;同理, 当光敏二极管有光照时Ui<2.5V, Uo输出高电平UOH。LM311比较器2、3脚的电压变化使7脚输出不同的电平, 输出矩形脉冲信号 (如图6所示) , 该信号将送入单片机INT0口进行计数及求转速的运算处理。
2.3.2 单片机信号处理系统
整个系统电路由红外光电传感器、脉冲整形电路、单片机AT89S51最小系统和数字显示电路等组成 (如图7所示) 。该电路对脉冲信号的频率测量采用在固定时间内测量脉冲个数, 采用测量脉冲个数和测量脉冲周期相结合的方法, 因而对转速的测量具有较好的实时性, 能在较宽的频率范围内获得高准确度的测速值, 测量结果送显示电路。
显示电路由3片串行输入并行输出的移位寄存器74LS164和3个共阴数码管LSD5615-10组成, 如图8所示。P2.0端是输出移位同步时钟信号, 其波特率固定为晶振频率1/12。
3 转速测量电路整机电路图
由以上分析, 设计的转速测量电路整机电路如图9所示。
4 结束语
本文介绍的装置结构简单, 安装方便。检测转速时, 对转轴无太大要求, 只需在转轴上粘贴一高反射率的矩形铝箔, 使转轴表面的反射率明显低于矩形铝箔即可进行测量。测量转速方便快捷, 精度较高, 实时性好, 可以应用在大多数转轴速度测量的场合。
摘要：本文介绍一种用于转子速度测量的红外光电转速测量装置, 它主要由电源电路、光电传感器、脉冲整形电路、单片机、数字显示电路组成, 转速测量范围可从1r/min到999r/min。
关键词：红外光电传感器,转速测量,单片机
参考文献
[1]李庆祥, 徐端颐.实用光电技术[M].北京:中国计量出版社, 1996.
[2]刘少强.快速高精度频率测量新方法[J].仪表技术, 1998 (5) :35-36.
[3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京:高等教育出版社, 1985.
红外光电计数器的设计与制作 篇3
在当今社会飞速发展的今天,越来越多的流水线上的产品和各种公共场所需要进行实时的、有效的、精确的自动计数。传统的机械式或电子式计数器(主要是用数字电路集成组件组成)电路比较复杂,元器件数量较多,故障率较高,维修比较困难,而设置预定数值不太方便,功能不易更改且功能过于单一,适用范围较窄。而基于单片机构成的产品自动计数器有直观和计数精确的优点,目前已在各种行业中得到广泛应用。数字计数器有多种形式 [1],总体来说有接触式和非接触式两种,在科技发展的今天,非接触式红外计数器得到了广泛的应用,光电式传感器是其中之一。
2 系统整体设计
本系统采用的是以单片机AT89C51为核心的自动计数器。采用光电式传感器,每当物体通过一次,红外光就被物体反射,光电接收管接收一次,光电接收管的输出电压就发生一次变化,这个变化的电压信号通过放大和处理后,形成计数脉冲,通过光电隔离耦合并行输入至AT89C51单片机的P2.0口,通过软件控制和键盘设定计数值并用LCD1602显示屏加以显示,便可实现对物体的计数统计,这样就得到要统计的人或物的数量。
利用AT89C51单片机来制作一个光电计数器,在AT89C51单片机的P2.1、P2.2和P2.3管脚分别接一个轻触开关(按键),作为计数器数字位数的增加、减少和设置;在AT89C51单片机的P2.0管脚接一个光电式传感器,作为光电计数器的接受和发送部分;用单片机的P3.0 - P7.7和P1.5 - P1.7接LCD1602显示屏,作为0000- 9999计数显示。
3 系统硬件设计
整个光电计数器系统主要由电源部分、光电发射与接收电路、计数电路、报警电路这几个部分组成。当有物体经过时,光电式传感器中红外发光二极管发出的红外信号被物体反射至光电接收管,光电发射与接收电路把被计数的物体的变化转换成电平信号,通过电平信号的变化,计数器就计数一次。当达到设定的报警值时,报警电路发出报警,并且能在报警后延时3秒钟自动关闭报警并自动重新计数同时可以手动清除报警,能够实现无接触计数。该系统的整体结构框图见下图1所示。
3.1稳压直流电源电路
电源供电部分采用变压器降压、桥式整流、电容器滤波、三端稳压器7805稳压后供电,电源用220V的家庭用电经变压器降至9V交流电,然后经四个整流二极管(D1 ~ D4)组成的桥式整流成直流电压,经C1滤波后输入7805芯片稳压成5V直流电源供红外发射、接收电路、AT89C51等供电。
本设计是将稳压直流电源做成一个单独的模块,电源模块将为AT89C51单片机、传感器等提供5V直流电源 [2],电源模块如图2所示。
3.2发射接收电路电路
本设计使用的光电接受部分是红外光电式传感器,它是采用光电元件作为检测元件的传感器。首先,把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步讲光信号转换成电信号,光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成,其中光电传感器是型号为E18B03N1封装的红外反射传感器。
红外传感器没有检测到外部信号时处于高电平状态,当检测到外部物体时有由高电平状态变为低电平状态,通过与单片机P2.0口接收检测的高低电平变化。
3.3显示部分电路
本设计采用LCD1602来进行数据的显示,如图3所示。显示部分主要是显示在线实时检测到所测人或物的数目,LCD1602也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
3.4报警电路
本设计中报警器采用蜂鸣器,只需要采用三极管驱动即可,由于蜂鸣器工作状况与LED相似,必须有限流电阻存在。HOLD输出端为锁定信号,用于锁定计数器 [3],处于锁定状态时,按下复位电路的复位键后,解除报警,计数器重新开始计数。
3.5系统硬件
对应于光电计数器的系统结构图,相应得到系统硬件设计的电路原理图,电路原理图主要包括五个部分:AT89C51单片机的最小系统、稳压直流电源电路、发射接收电路、显示部分电路、报警电路,光电计数器原理图如图4。
根据光电计数器的设计电路,通过Altium Designer(13.0)软件 [4] 设计出PCB图,如图5所示,该PCB板为单面板,大小尺寸为90mmx80mm,其中普通电容和电阻均为0805封装的贴片元件,晶振为12MHz。
4 系统软件设计
根据光电计数器的设计要求,光电计数器首先要初始化,给光电计数器设定光电计数器需要计数的大小范围(00009999),然后在应用光电计数器中的光电传感器来检测高低电平的变化(高电平变化到低电平),通过单片机处理后开始计数,当计数大小达到开始设定的设定值,报警电路发出报警信号。软件流程图如图6所示。
5 结论
主动红外对射式光电防盗报警器 篇4
文中设计了一种主动对射式红外光电探测器的报警系统。在干扰相对严重的区域及重要的出入口,当有人从特定方向通过时才会报警的单片机防盗报警器。它采用两个对射式红外光电开关作为入侵探测器,当有物体阻挡了光电开关发射的红外光束时,光电开关产生一个开关信号。把开关信号送至单片机作信号处理后,单片机做出是否报警的决定。文中选用的光电开关是探测距离为3 m的LH-A型光电开关。
信号处理电路选用的单片机是性能稳定、工艺成熟、应用广泛的AT89系列单片机[9,10,11,12]。文中也给出了系统的工作电路。所设计的单片机防盗报警器,其实际测试的结果是:只对特定方向通过的物体报警,能在强烈的阳光下正常工作,系统可靠稳定,漏报率和误报率低。
1 主动对射式红外探测系统
如图1所示,系统主要由两大模块组成,分别是红外检测电路和信号处理电路。当红外检测电路检测到入侵时,将信号发送到由单片机为核心的信号处理电路,判断是否报警。若判别报警,直接驱动声音报警电路报警。反之则驱动延时控制电路,延时完毕后系统复位。另外手动复位也可使系统恢复初始状态。
本设计采用的主动红外防盗报警器(对射式红外线报警器),安装在通往室内或防区的必经通道上或外界干扰严重的区域。它由红外发射机,红外接收机,报警控制电路三部分组成。其系统原理如图2所示。
主动红外探测器的工作原理是利用探测器的发射端发出红外射线,由接收端接收后经电路放大比较后驱动继电器,产生报警信号,从而形成一个报警回路。为了防止入侵者破坏,一般每个红外探测器都会加装有防拆开关,一旦发现探测器外壳被打开,就会向主机发送报警信号。
由于探测器一般都工作在室外,为了防止室外自然光或太阳光、汽车灯光的干扰,或防止恶意入侵者以红外光源进行干扰,一般情况下红外发射源都会加以调制,以不同的调制频率工作,同时在接收端加以解调,只接收该频率段的红外光源,从而防止干扰和恶意入侵。
为了增加红外发射管的寿命,一般红外发射管工作在开关状态,而开关频率可以由用户自己调节。开关频率按照探测器的工作位置特性,参照该工作位置入侵者可能的最大入侵速度而定,如假设安装在墙头,则考虑到入侵者爬行的速度最大为1 m/s,设定开关时间为40 Hz。一般红外探测器都会有四段开关频率(或称为遮断时间)以供用户选择。
装在主动红外接收机前面的滤光片把外界的杂散光滤掉,仅让一定波长范围的光通过,再通过采用水晶球镜和菲涅耳镜相结合的方法把光聚焦到光电探测器件上,这样光脉冲信号就转变为电脉冲信号。电脉冲信号再经放大器放大和同步选通整形,正常情况下,接收机收到的是一个稳定的光信号,当有人入侵该警戒线时,红外光束被遮挡,接收机收到的红外信号发生变化,提取这一变化,经放大和适当处理,通过控制器发出报警信号。
为了增加探测器抗衰减能力,在探测器上安装了自动增益调节回路(AGC),在室外条件比较恶劣的情况下增加接收端的放大系数,以适应如大雨、浓雾、大雪等较恶劣的天气。
2 主动对射式红外探测开关
光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关。系统采用的对射型红外光电开关,由发射器和接收器组成,结构上是两者相互分离的,在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化。其主要特点为:辨别不透明的反光物体,有效距离大,不易受干扰,可以可靠合适地使用在野外或者有灰尘的环境中。因此主动对射式红外探测器的抗干扰能力很强。
设计所采用的光电开关为LH-A型红外光电开关,该开关的各种参数如表1所示。
由此可见,该型光电开关外型十分小巧,具有检测距离大,响应时间短,可工作在光强较大的环境下,能有效地检测出通过的物体,所以常用作入侵探测器应用于防盗报警器中。
3 系统电路设计模块
设计采用AT89C51 FLASH单片机。AT89C51是一个低功耗高性能单片机,功能强大的微型计算机。与通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。文中所述的主动对射式红外警报器的单片机工作电路主要由复位电路、时钟电路、声音报警电路三部分组成,其具体连接方式如图3、图4所示。
其中,S2、R2、R3、C3组成的电路能够实现对单片机的手动复位的功能,当RST引脚电压降为低电平时,系统开始工作。XTAL1和XTAL2引脚通过外接反馈一个6MHz的石英晶体和两个30 p F电容产生时钟信号,单指令执行时间为2μs。同时通过芯片MAX232进行电平转换,与计算机进行通信,如图4所示。
报警器用无源压电式蜂鸣器作为声音报警,但是因为单片机输出的驱动电流只有几十微安,而蜂鸣器正常工作需要几毫安的电流,所以采用一个NPN三极管来驱动蜂鸣器。当P2输出高电平时,三极管导通,蜂鸣器发声;当P2为低电平时三极管截止,蜂鸣器不发声。
4 主动对射式红外警报器工作过程
系统由两个最大探测距离为3 m的对射式红外光电开关作为入侵探测器,当有物体遮挡了红外光束,光电开关就会产生一个开关信号。单片机负责处理两个接收端的信号和输出控制信号,实现防盗和识别物体运动方向的功能,其原理如图5所示。
光电开关接收端的信号线分别接单片机的外部中断输入口即INTO、INT1脚。当没有物体遮挡光路时,光电开关的接收端输出低电平,有物体遮挡光路时输出高电平,物体离开就会变为低电平。当人从室内出去时,他首先挡住红外线光束2,然后才挡住红外线光束1,即INT1先接收高电平,INTO后接收高电平,单片机判断后不报警;如果有人从室外方向进入室内,则他先挡住红外线光束1,然后才挡住红外线光束2,即INT1先接收高电平,INTO后接收高电平,单片机判断后报警。这样就相当于有一个脉冲信号输入,当单片机的中断响应方式为边沿触发时,单片机就响应相应的中断服务程序进行信号处理。图6为单片机程序的设计流程。
单片机初始化后,按一定时间间隔,依次探测INTO、INT1端口以确定是否报警。如无信号输入,则返回初始化,继续探测。如发现入侵,则启动蜂鸣器。经过一定延时后蜂鸣器自动关闭,也可手动复位系统,使蜂鸣器关闭。若探测到INTO有信号输出,无论报警与否即判断有人经过,这时单片机计数器自动加一,实现人流量计算。
5 系统调试
根据设计电路的特点,当P2口输出高电平时,蜂鸣器就会发出声音。而在软件的初始化部分会令P2置零,所以正常情况是一开机就会发出声。按下复位键同样如此。接通电源后,系统发出声,同理按复位开关后系统也发声,证明单片机已经正常工作了。
通过按不同顺序把输入接线柱接地就可以模拟从不同方向进入时光电开关的输入信号。根据软件的设置,单片机报警30 s后会自动停止。当系统响30 s后停响,证明其是正常报警。下面按几种情况进行测试,其结果如表2所示,表中0,1分别表示中断0,1。
通过用不同的速度回返两边,系统没有出现漏报或误报的情况,能按设计的要求工作。在接上电源后,12 h内每半小时测试一下报警器的工作状态,在这12 h内系统正常工作的,表明本系统能长时间正常工作,性能稳定。把系统置于强烈阳光的照射下,8 h内不定时测试系统,测试结果系统正常工作,期间没有出现误报警。
6 结语
文中所述的主动对射式红外探测报警器解决了现在主动红外警报器体积过大、隐蔽性差的缺点和不足,而研制了一种新型的采用两对红外光电开关作为探测器的单片机报警器,安装在干扰相对严重的区域及重要的出入口,实现单向通行的报警功能。经实物制造和测试的结果表明,该系统具有以下特点:可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、耗电小、灵敏度高以及体积小等优点。
因为其设计和工作的特点,该防盗报警器系统十分适合用作单户型的家用防盗探测器,可以用它构成对窗、阳台等建筑物的出入口形成封闭式的防范。经改进后,还可以作人流量记录计数器,记录进出人次。另外,因为该防盗报警器能实现监控单方向通行的功能,所以它还适合用于商场、旅游景点等场所的出入口控制。另外,在出入口放置探测器时,两组探测器可放置在不同高度,以防宠物等动物经过发生误报。
参考文献
[1]严世华,祝世杰.红外搜索跟踪系统作用距离分析与计算[J].光电技术应用,2011,26(2):39-41.
[2]管敏杰,赵冬娥.一种简易红外温控系统的设计[J].光电技术应用,2011,26(6):4-7.
[3]宋燕星,高琴,姚振静,等.主动红外探测式视觉生命探测系统[J].红外技术,2012,34(9):521-524.
[4]孙蕊.红外探测在预警机上的作用分析[J].激光与红外,2012,42(3):292-295.
[5]俞嘉捷,伍耐明,曾智,等.基于红外脉冲相位热成像技术的玻璃钢深度测量[J].红外与激光工程,2012,41(7):1893-1898.
[6]郭秀秀,吕建平.一种红外单目标跟踪与防盗报警系统设计[J].现代电子技术,2010:157-160.
[7]樊进,杨宏,索晓楠.基于红外探测原理的多路无线安防系统设计[J].电子设计工程,2012,20(4):139-142.
[8]王松德,赵艳,姚丽萍,等.红外探测无线遥控数显防盗报警系统[J].光谱学与光谱分析,2009,29(3):858-861.
[9]韩鹏.基于单片机AT89S52的红外防盗报警系统的设计[J].才智,2011(3):49.
[10]汪若飞.防盗探测器的工作原理及安装要点[J].中国公共安全,2006(6):49-52.
[11]王松德,赵艳,姚丽萍,等.红外探测无线遥控数显防盗报警系统[J].光谱学与光谱分析,2009(3):858-861.
红外光电子物理 篇5
锡熔点低、无毒,耐腐蚀,能与许多金属形成合金,延展性良好,外表美观。锡镀层的应用范围不断扩大,提高其防护装饰性的传统工艺是铬酸盐钝化,但六价铬有毒,低铬或无铬钝化成为热点。( NH4)2WS4是一种低剂量、低毒和低污染的材料表面处理剂,是W -M( M = Cu,Ag,Ni,Zn,Sn等) 簇合物中的常用配体,在不同金属表面生成的簇合物膜的组成、结构和性质也不同[1~2]: 在铜表面可得到一系列不同颜色的W-S-Cu簇合物膜,杂环化合物与簇合物膜复合时,可得到既鲜艳又具有较好耐腐蚀性能的复合膜层; 在银表面形成的W -S -Ag簇合物膜层均为黑色,用该膜层修饰的Ag电极对某些生物小分子如抗坏血酸和一些生物染料的电化学氧化还原反应有具明显的催化作用,是一种潜在的生物传感器和探针。目前,将( NH4)2WS4用于金属镀层表面处 理的研究 报道较少。本 工作研究 了( NH4)2WS4在金属锡镀层表面的配位化学反应,随着反应时间的变化,得到了不同颜色且具有金属光泽的不溶性簇合物膜,属于功能性修饰层,不仅赋予金属表面以美观的外表,还能提高其表面光亮度和清洁度,增强其抗腐蚀性能。采用红外光谱( FT-IR) 、远红外光谱( F-IR) 、拉曼光谱( FT -Raman) 、光电子能谱( XPS) 和俄歇电子能谱( AES) 研究了( NH4)2WS4在金属锡镀层表面的波谱变化和成键特征,探讨了锡镀层钨 -硫簇合物膜的组成、结构、化学状态和形成机理。
1 试 验
1. 1 基材前处理
基材为低碳钢板Stb32,尺寸为0. 15 mm×70. 00mm×60. 00 mm。前处理[3]: 碱洗( 20 ~ 30 g /L Na OH,20 ~ 30 g / L Na2CO3,20 ~ 30 g /L Na3PO4·12H2O,2 min,60℃ ) →电化学碱洗( 10 ~ 20 g / L Na OH,30 ~40 g / L Na2CO3,30 ~ 40 g /L Na3PO4. 12H2O,5 A / dm2,1 min,80℃ ) →电解酸洗( 70 g / L H2SO4,3 A/dm2,30s,35℃ ) 。
1. 2 镀 锡
参照文献[3]进行电镀锡,镀液成分: 22 ~ 34 g /LSn2 +( Sn SO4) ,11 ~ 21 g /L苯酚磺酸( PSA) ,1 ~ 5 g /L1 -( 6聚氧乙烯) 氧基 - 6 -萘磺酸 ( ENSA) ,3 ~ 7 g / Lα -( 10聚氧乙烯) 氧基 - 6 -萘( EN) ; 工艺参数: 温度15 ~ 65℃ ,电流密度0. 5 ~ 6. 0 A / dm2,p H值1. 2,时间7 ~ 91 s。
1. 3 锡镀层钨 -硫彩色簇合物膜的合成
参照文献[4]合成( NH4)2WS4。将锡镀层用丙酮除油后于5% H2SO4溶液中活化5 s,用蒸馏水反复洗涤,浸入0. 004 mol/L ( NH4)2WS4溶液中,室温下反应5 ~ 120 min后取出,依次用蒸馏水和丙酮洗涤,冷风干燥,在锡镀层表面得到了钨 -硫彩色簇合物膜。将膜层在120℃空气中加热30 ~ 120 min,观察并记录膜层颜色的变化[5,6]。
1. 4 光谱测试分析
采用FT-66V真空红外光谱仪测定膜的FT -IR谱和F-IR谱,采用FT -RFS 100拉曼光谱仪测定膜的FT -Raman谱。用PHI -550 ESCA / SAM多功能电子能谱仪测试膜的XPS谱和AES谱,以Al Kα ( 1 486. 6e V) X射线为激发源,分析室压力为10-7Pa,溅射面积为5 mm×5 mm,结合能用C1s( 284. 6 e V) 标定,测定误差为0. 1 e V[7]。
2 结果与讨论
2. 1 锡镀层钨 -硫簇合物膜的颜色变化
表1为锡镀层钨 -硫簇合物膜表面颜色随反应和加热时间的变化。
从表1可知: 锡镀层钨-硫彩色簇合物膜具有金属光泽,而且有良好的装饰效果,说明( NH4)2WS4在锡镀层表面发生了界面配位化学反应,且反应时间不同获得的簇合物膜颜色也不同,膜层在120℃空气中分别加热30 ~ 120 min处理后其颜色逐渐发生变化,簇合物膜为多分子层组成的复杂体系,其颜色是各组分统计分布的结果。
2. 2 锡镀层钨 -硫簇合物膜的红外光谱和拉曼光谱
表2为钨 -硫簇合物膜、( NH4)2WS4及其簇离子WOS23,WO2S22,WO3S[5]的主要FT-IR,F-IR和FTRaman光谱特征吸收频率。
注: “*”为 FT-Raman 谱数据。
由表2可知: ( NH4)2WS4中钨 -硫键的伸缩振动频率为461 cm- 1,锡镀层钨-硫簇合物膜的特征吸收频率均在503 ~ 532,369 ~ 438,309 ~ 362 cm- 1,表明锡镀层钨-硫簇合物膜中S原子可分为2种: 一种是桥基硫,当( NH4)2WS4与锡镀层表面发生配位化学反应时,形成钨-硫-锡配位键,桥中的钨 -硫键比未配位的WS24减弱,其伸缩振动频率减小,伸缩振动频率在369 ~438,309 ~ 362 cm- 1,分别为钨 -硫桥键和锡 -硫桥键的特征振动; 另一种是端基硫,未参与表面配位化学反应,端基钨-硫键长缩短而键增强,其伸缩振动吸收频率为503 ~ 532 cm- 1; 锡镀层钨-硫簇合物膜在769 ~782 cm- 1处的吸收 频率与 [Sn ( WOS3)2]2 -,[Sn( WO2S2)2]2 -,[Sn( WO3S )2]2 -,WOS23,WO2S22中端基钨-氧键的振动吸收频率接近,可以认为是在反应过程中WS24中部分硫被氧取代形成WOnS24- n( n =1 ~ 3) 离子的结果,膜层中存在端基钨 -氧键。由拉曼光谱特征频率可知,锡镀层钨-硫簇合物膜在501 ~ 531,428 ~ 451,323 ~ 336 cm- 1处为端基钨 -硫键、桥基钨 -硫键和锡-硫桥键的特征吸收,其结果也说明( NH4)2WS4与锡镀层表面发生配位化学反应而形成了钨-硫-锡配位键,膜由钨-硫-锡簇合物和WS2组成[8~10]。
2. 3 锡镀层钨 -硫簇合物膜的光电子能谱
2. 3. 1 膜层的组成
不同颜色膜层所得的XPS和AES谱相似。图1为锡镀层钨-硫-红棕色膜层溅射30 min前后的XPS和AES谱。
由图1a可知,溅射前在0 ~ 1 000 e V内检测到了Sn( MNN) ,Sn3s,Sn3p,Sn3d,Sn4s,Sn4p,C1s,W4p,W4d,W4f,O1s,O2s,O( A) ,S2P信号峰,溅射30 min后C峰消失,其余峰仍存在,说明元素C只存于膜层表面,系污染造成,锡镀层钨 -硫 -红棕色膜层由Sn,W,O和S元素组成。由图1b可知,在锡镀层钨-硫-红棕色膜层溅射30min后也检测到了Sn,W,O和S信号( 溅射60 min的与之类似) ,说明红棕色膜层由Sn,W,O和S元素组成,是( NH4)2WS4与锡镀层表面发生化学反应的结果,与FT-IR,F-IR和FT-Raman的结果一致[11~12]。
2. 3. 2 膜层组成元素的价态
图2为锡镀层钨-硫-红棕色膜层中W4f和S2p的高分辨XPS谱。表3为不同锡镀层钨 -硫彩色簇合物膜层中组成元素的结合能。
图2a表明: 在溅射前W4f5 /2和W4f7 /2结合能分别为37. 5,36. 0 e V和33. 8 e V,与WO3和Na2WO4中W4f5 /2和W4f7 /2的结合能接近,表明膜表面W呈 + 6价。但锡镀层钨 -硫红 -棕色膜层中W4f5 /2和W4f7 /2的结合能比( NH4)2WS4( WS24) 中W4f5 /2( 35. 6 e V) 和W4f7 /2( 33. 5e V) 的有所升高,这是由于锡镀层钨 -硫配位键的形成使钨的电子云密度下降所致; 溅射30,60 min后,W4f5 /2结合能为37. 5,36. 0 e V峰仍然保持,但峰强度减弱,其中溅射30 min后出现一个32. 2 e V新峰,溅射60 min后出现一个32. 3 e V新峰,与WS2,WO2中W4f结合能( 33. 4,34. 1 e V) 接近,说明在锡镀层钨 -硫 -红棕色膜层内部W以 + 6、+ 4价存在,+ 4价的钨是 由于( NH4)2WS4被基体锡或Ar+溅射还原的结果。其他锡镀层钨-硫彩色膜层与此相似,W在膜层表面呈 + 6价,在膜层内部均以 + 6,+ 4价存在( 见表3)[13 ~ 15]。图2b表明: 溅射前S2p的结合能为168. 2,166. 3,161. 9 e V,分别与Na2SO4中S2p的168. 5 e V和Na2SO3中S2p的166. 5 e V接近,说明锡镀层钨 -硫 -红棕色膜层表面S呈 + 6,+ 4,+ 2价; 锡镀层钨 -硫 -红棕色膜层中S2p的结合能为161. 8 e V,分别与( NH4)2WO2S2,( WO2S22)中S2p的结合能162. 1 e V,( NH4)2WS4中S2p的结合能162. 5 e V接近,可能是WS4结构中部分S被O取代后形成WOnS24- n( n = 1 ~3) 中的S2 -信号。锡镀层钨-硫红棕色膜分别溅射30,60 min后,S2p的结合能分别为162. 4,162. 7 e V,分别对应WS4结构中的S2 -信号,说明在膜层内部S呈 - 2价,端基硫和桥基硫结合能无明显差别,由于形成了W -S -Sn配位键,S的电子云密度降低,结合能比未配位的( NH4)2WS4离子中的S有所升高。在分别溅射30,60 min后,S2p的结合能为168. 2,166. 3 e V的峰均消失[16]。
表3表明,锡镀层钨 -硫 -红棕色膜层在溅射前及溅射30,60 min时Sn3d5 /2的结合能 分别为485. 6,485. 7,486. 2 e V,分别对应于Sn O和Sn S中Sn ( + 2 )的结合能,表明在膜层中Sn均以 + 2价存在,膜层中Sn( + 2) 的存在是因为在成膜过程中锡镀层表面发生氧化所致; 锡镀层钨-硫-红棕色膜层在溅射前O1s的结合能为530. 9 e V,溅射30,60 min后O1s的结合能为530. 4 e V,与Sn O中O1s的结合能530. 7e V接近,表明在膜层中O均以 - 2价存在[17]。
2. 3. 3 膜厚及元素含量
图3为锡镀层钨 -硫 -红棕色簇合物膜层的元素组成的AES深度分布曲线。从图3可知: 在不断溅射膜层的同时,用AES结合深度剖析技术定量测定元素的相对原子分数,溅射时间在5 ~ 35 min时,膜层的组成基本恒定,继续溅射时Sn浓度上升,而W,S,O浓度下降,说明已溅射到锡镀层基体。从组成恒定区求得膜层的元素组成( 原子分数) 大致为29. 5% Sn,21. 2% W,32. 5% S,16. 8% O。利用Ta2O5作为标准,溅射速率约为5 nm/min,由此可计算出锡镀层钨 -硫 -红棕色簇合物膜层的厚度约为150 nm。
表4为锡镀层钨-硫彩色簇合物膜层的厚度、组成和元素的价 态。由表4可以看出,膜为锡镀 层与( NH4)2WS4发生配位化学反应生成的表面多分子层外层已被氧化,内层存在WS2单元,加热处理后膜层颜色发生变化[18,19]。
3 结 论
( 1) ( NH4)2WS4与锡镀层表面发生配位化学反应,获得了具有良好装饰效果的锡镀层钨 -硫彩色簇合物膜。膜层中各元素在膜内部分别以锡镀层钨 -硫簇合物,WS2和Sn O等形式存在,W在膜层表面呈 + 6价,在膜内层以 + 6,+ 4价存在,而S,Sn,O在膜层表面分别以S6 +,S4 +,S2 -,Sn2 +,O2 -形式存在,而在膜层内部分别以S2 -,Sn2 +,O2 -形式存在。
红外光电子物理 篇6
交互式红外电子白板是基于PC机的一种具有人机交互功能的输入设备，它包括红外感应白板及相应的应用软件。将电子白板连接到PC，并利用投影机将PC上的内容投影到电子白板上，使白板变成一个大的计算机交互触摸屏;用户可以在白板上书写、绘画和修改，同时也可以在白板上直接点击，对计算机系统进行操作，构成了一个完整的交互演示系统。该系统是一种先进的教学和会议、演示等场合人机交互设备，通过与视频会议系统相连，还可以实现远程会议和远程教学。
目前，采用电磁感应技术和红外技术的电子白板占据市场主导地位。电磁式电子白板定位精度高、反应速度快，书写过程中有压感。其不足在于需要特制专用笔，而且板面容易磨损，使用寿命短，维护成本高。红外电子白板自1992年出现至今，一直是国内外研究的热点[1]，并得到了一定规模的应用。它无需特制专用笔，可用手指、教鞭等触摸操作和书写，表面无覆盖材料，不易磨损，使用寿命长且成本较低。在红外电子白板的热点研究中，如何提高定位的精确度一直是研究的主要方向，经过多年的研究发展，现已有多种定位算法得到广泛应用，随着电子白板的功能扩展，现在多点书写功能也逐渐成为热门[2]，而这些功能的扩展都必须以红外电子白板精确而稳定的定位为基础[3]。本文拟采用的“重心”定位细化算法，将大大提高红外电子白板的定位精度，对今后进一步扩大红外电子白板的应用领域，起到了一定的推进作用。
1 相关原理
红外电子白板由触摸点坐标最终变换到计算机屏幕上坐标，需经三个步骤:第一步得到触摸点的物理坐标;第二步将得到的物理坐标细化，提高分辨率;第三步将细化后的物理坐标转换成计算机屏幕上的坐标[4]。其中讨论第三步的文章已发表了很多，但关于第二步即如何将物理坐标细化的文章却很少，本文将着重讨论这个问题。我们先来看看红外电子白板工作原理:在白板框架的横、纵边缘排列有红外发射管，在相对面的边或列装有红外接收管，快速、依次、循环扫描四周所有的红外发射接收管对(同一时刻，只有共轴的一对红外发射管和红外接收管工作)，则在白板表面形成一个由红外线组成的动态扫描栅格，如图1所示。利用红外光束被遮挡技术，当触摸点进入此栅格时，就会阻挡经过此处的红外线，因此对应的接收管收到的红外信号的强度就会发生变化，同时光电转换电路会接收并将处理这些信号的变化，经微控制器内置A/D数模转换器转换后，由微控制器将被遮挡的红外管位置和光信号强度值经USB接口传递给PC机，经过PC机细化软件计算，最后把触摸点的坐标位置显示在计算机(电子白板)上。
根据红外电子白板的工作原理，以检测红外线是否被遮挡来获取触摸点的位置坐标[5]。由于红外管尺寸的限制，在有限屏幕空间上可安装的红外发射接收管数量有限，致使系统的分辨率受到限制，不能满足光滑书写的要求。为了改进上述缺点，提高书写光滑性，依据其上的工作原理，在硬件方面不只简单地判断红外线是否被遮挡，还进一步地考虑了红外线被遮挡的程度(将A/D转换值引入计算)，通过软件算法进一步提高触摸点定位的精度
2 定位方法研究
红外电子白板的定位细化是通过检测红外接收信号的强度变化来实现的。目前，定位细化的方法有差值二次曲线定位方法、差值量化偏移定位方法等。
2.1 差值二次曲线定位方法
差值二次曲线定位方法[6]也是建立在上述原理之上。首先，系统对每对红外管信号进行采样，将红外管未被遮挡时的信号强度值作为参考值储存;其次，对每个红外管的接收信号进行规格化处理，使其信号幅度一致。当有触摸点进入检测区域时，一部分红外管信号被遮挡，使其信号强度发生变化，将红外管信号强度值与参考值比较，得到被遮挡的红外管，系统将红外管序号及其信号强度值存储起来。
获取触摸点的位置需要建立一个数学模型，一般是二次曲线模型(如椭圆、双曲线等)，求出模型曲线的顶点则是触摸点的坐标位置。求取顶点值至少需要三个被遮挡的红外管的数据，再将三个红外管的序号和采样信号强度值带入二次曲线方程并求解，计算所得顶点坐标即触摸点的中心位置。
该定位算法确定的定位比较精确，但由于存在求解二次方程，程序计算复杂度较高，运算量较大，一般会影响系统的响应实时性。
2.2 差值量化偏移定位方法
差值量化偏移定位算法[7]与差值二次曲线定位算法的基本思想是一致的，二者区别是在获得触摸点位置坐标上采取的方法不同。在循环检测中，差值量化偏移定位算法是将得到的采样值与参考值的差值进行量化，然后通过加减的算术运算，求出触摸点的坐标位置。因该算法定位运算时仅涉及到两个红外管差值量化后的数据，故对触摸点的定位精度不够理想。
3 新型定位算法———“重心”定位细化算法
考虑到红外管的性能以及实际需求，并针对上述算法中存在的定位精度低、程序计算复杂等不足，本文提出了“重心”定位细化算法，可有效地解决上述问题。
3.1 规化信号强度值
红外电子白板以采用8位A/D模数转换器为例，可分辨256个电压数值。理想情况下，当物体未进入红外矩阵区域时，红外接收管的信号值是255;当物体完全遮挡红外信号时，红外接收管的信号值是0;当物体遮挡一半红外信号时，红外接收管的信号值是128。但实际情况下，由于红外发射管和接收器的性能均存在较大差异，理想的电压变化难以实现。为了补偿各个发射管和接收管的性能差异，在硬件上我们采用一个16级可变增益的放大器，由微控制器在程序初始化时根据各个发射管和接收管的性能差异选取合适的放大倍数，得到每对发射接收管的最佳增益，对应每对红外管采用不同的最佳增益，可显著改善各路信号差异太大的情况，但即使如此各路信号的差异情况仍不能满足定位精度计算要求。
由于上述各接收管的性能差异及受环境红外背景的影响，首先必须尽量消除它们带来的误差。因此，对红外接收信号进行合理的规格化处理。本文采用了“相对强度值”来衡量红外接收信号的变化量，即量化后每个红外管的接收信号，其信号强度值的幅度是一致的，这样各个接收管的红外接收信号值之间才有可比性，如图2所示。
初始化时从第1对红外发射接收管开始，先将红外发射管关闭，测得红外接收管的信号强度值作为“背景值”并存储;然后让红外发射管工作，在红外管未被遮挡时，测得的信号强度值减去背景值并存储，即将红外管未被遮挡时扣除“背景值”后的信号强度值作为参考值，紧接着依次处理第2对、第3对红外发射接收管，……，第n对红外发射接收管，直到所有的红外接收发射管对全部处理完毕。
初始化结束后，进入正常工作状态。系统依次循环扫描红外发射接管对，当有触摸点进入监测区域时，一部分红外管信号被阻挡，信号强度减弱，将减弱的信号强度值减去各自“背景值”(初始化时存储的)，即是当前检测的信号强度值;将当前检测的信号强度值与该红外管之前的参考值相除并归一到16个等级“强度”中测量值，即相对信号强度值(0—15)。16个等级(0—15)的强度划分是方便简化计算，避免多字节除法运算的编程，且16个等级(0—15)的强度划分已可满足定位精度的要求。系统忽略相对强度值高于某一数值的红外管(判断为是没被遮挡)，存储有效的(判断为被遮挡的)红外管序号及其相对信号强度值并代入“重心”公式计算。
3.2 利用“重心”公式计算细化坐标位置
在数轴上对于偶数个点(2n个点)的“重心”公式为:
对于奇数个点(2n+1)的“重心”公式为:
为了使用“重心”式(1)、式(2)计算，先要把最大值15减去相对信号强度值(0—15)，即转换为“相对暗度值”(15—0)，值越大表示越“暗”。式(1)、式(2)中的K1,K2，…，K2n是各个点(即被阻挡的红外管)的“暗度值”，n是管子的实际位置序号，X是“重心”到几何“中心”的距离。
如图3所示，横坐标1—11是细化前被遮挡的红外管的实际位置序号，纵坐标是其相对“暗度值”，“暗度值”小于2的点被忽略，共有6个有效点，这里2n=6,n=3,K1=2,K2=6,k3=11,k4=15,k5=9,k6=5。代入偶数个点“重心”式(1)，有:
从图3中可以得出，细化后的坐标=7-X=6.792，再乘以16取整得到109，同时原始坐标序号也扩大16倍，这就等同于我们在两个红外管之间，虚拟地增加了16个红外管。同理，我们可以算出触摸点在另一边的坐标值Y，两个坐标值就可以确定触摸点在红外电子白板中的位置。
4 性能分析与应用
目前市场上红外管的直径有5 mm和3 mm两种规格，试验时分别选择直径为5 mm和3 mm的红外管。本文中红外信号数据经规化处理为16个等级，其原因是在实际试验中发现，如果采用32个等级或者更高，定位精度相比16个等级提高幅度不明显，而且程序软件更加复杂，USB传输数据量更大，实际效果并不好，所以16个等级是理想的选择。对细化后的坐标乘以16再取整，这样在两个红外管之间，我们就虚拟地增加16个红外管。最终定位精度可大概由式(4)确定:
式中，D为实际设计中相邻红外管的中心距离;如:直径5 mm的红外管，D=5 mm,N=16;直径3 mm的红外管，D=3 mm,N=16。代入式(4)后，则有:
在硬件环境下，再结合本文的定位细化算法设计后，可有效提高其定位精度，同比改进前后定位精度，如表1所示。
单位:mm
从表1可知，改进后的红外电子白板定位精度最高达到0.1875 mm，不但满足红外电子白板实际应用需求，而且提高系统分辨率的同时也提高了响应实时性，也将进一步提高红外电子白板市场竞争力。
经过定位细化算法，我们可以将触摸点在红外电子白板上的物理坐标细化，细化后的物理坐标再通过坐标映射程序，即可转换成计算机屏幕上的坐标。
5 结语
定位精度算法是红外电子白板应用的关键技术之一，经过多年对定位精度算法的不断研究，现已有多种定位精度算法应用在红外电子白板中。本文提出的是一种新型的“重心”定位细化算法，红外信号数据经过合理的规化处理，且代入公式对触摸点进行定位，其结果表明:无论是定位精度，还是系统响应时间以及空间分辨率，均达到了市场上销售的同类红外电子白板水准，程序简单，实现容易。目前，该定位算法已被应用于红外电子白板设计项目中。
参考文献
[1]贺伟.一种交互红外电子白板:中国,02149761.3[P].2003 0618.
[2]马健.红外电子白板多重接触的处理办法:中国,200710032009.0[P].2008 05 28.
[3]曲国林.基于红外定位的电子白板软硬件系统实现[D].成都:电子科技大学,2010.
[4]黄小辉,张兴超,刘献忠.交互式电子白板的坐标转换算法[J].计算机工程,2010,36(20):259 261.
[5]沈耀忠,赵乐军,王朝英.X,Y定标方法在触摸屏的应用[J].电子科技,1996(4):50 53.
[6]刘建军,刘新斌.提高红外触摸屏性能的结构和方法:中国,00121462.4[P].2002 02 13.
红外光电子物理 篇7
在航母的整个作战链条中,舰载机的降落是最重要的环节之一,也是事故率最高的环节。舰载机在距舰船尾端1 400 m进入着舰导引窗口,维持一定攻角且追踪对准跑道中心线的状态下,沿与水平面成-4°夹角的理想下滑线降落至跑道理想降落点。舰载机必须在甲板指定区域内挂上阻拦索减速,才能在母舰甲板的短距跑道上停降[1,2,3,4,5]。传统菲涅耳灯箱着舰导引方式存在的主要不足是在处于较高等级海情时,舰体的纵摇和沉浮很容易引起跑道1.25 m以上的垂直高度变化,对应着舰点的前后移动超过18 m,这会导致挂阻拦索失败造成复飞甚至酿成事故[6,7]。
在这样背景下,我们考虑用光学导引的方式完成着舰。为了适应更为严峻的气候和物理条件,红外成像技术有更好的成像效果。我们研究了着舰红外合作目标组合,在航母甲板跑道平面上预先设置已知的红外合作目标,进入着舰导引窗口后舰载机的红外系统锁定五个合作目标,得到五个合作目标中心像素坐标,并结合惯导信息及已知的五个合作目标的位置关系由光电导引算法实时解算出飞机相对跑道的运行轨迹、飞机的姿态、跑道的运动规律、着舰点位置等,实现舰载机的光电导引自动着舰。
2 地面车载半实物仿真实验方案
我们用五个红外合作目标来模拟航母跑道,其中四个代表跑道的四个端点,一个位于中心,合作目标所成平面与地面成4°夹角,此时红外成像系统与合作目标平面的角度等同于着舰时飞机与跑道的下滑角。将合作目标置于导轨滑块上,控制导轨运动从而带动合作目标上下运动,模拟甲板跑道因海浪作用在垂直方向上的运动。将红外光电系统置于试验车上探测、识别、锁定合作目标,模拟舰载机从进入1 400 m的下滑窗口,到340 m结束的导引过程。车载半实物仿真实验示意图如图1所示。方案采取对航母甲板跑道和着舰导引距离按5:1的比例缩放。红外系统得到五个合作目标图像信息后,光电导引算法根据系统模型,按以下步骤估计飞机相对跑道的位姿及舰船的运动规律、着舰点等参数:
1)利用惯导系统所提供的俯仰角、横滚角信息对图像进行补偿,可以求出航向角φ。
2)将1)所得航向角φ合作目标中心在摄像机坐标系的二维坐标可求得γs、θs、xcγ、ycγ、(zcγ-hs)。其中γs为航母横摇角,θs为航母纵摇角,(xcγ,ycγ,zcγ)T为摄像机坐标系在跑道坐标系的坐标,hs为航母沉浮量。
3)利用机载惯导信息对飞机高度变化进行补偿,对所求得的γs、θs以及补偿后的相对高度变化进行参数估计,估计出舰船的运动规律。
4)由实时计算所得的飞机相对于舰船的位置和步骤3)所得舰船运动规律,预测飞机着舰点位置。
3 视觉系统的确定及合作目标的设计
3.1 视觉系统的确定
光的大气透过率和大气窗口如图2所示,可以看出,红外辐射透过率高达90%的电磁波段在8～14µm之间,这表明此波段的视觉系统探测距离最远。相关研究也大多采用8～14µm红外视觉系统,因此本文选择了DL S870型8～14µm的红外热像仪作为机载视觉系统。图3为安装在试验车上的红外系统。
3.2 合作目标的研究
1)合作目标功率与热像仪的匹配
舰载机着舰时,与甲板的高度一般为300 m左右,海面上影响红外辐射的主要气体为水蒸汽和二氧化碳。在对红外分子光谱的研究中,已经测得多种分子吸收(发散)光谱谱线和谱带的强度及波数,根据气体分子吸收谱线的波数和强度,可以从理论上计算大气传输中气体分子对红外辐射的吸收[8]。在8～14µm的中远红外波段时,根据文献[8]提供的大气的吸收和散射衰减的模型及海平面上水平路程水蒸汽和二氧化碳在8～14µm波段的光谱透过率,可以近似地计算出功率为172 W的合作目标在L=280 m处接收到的功率足以满足热像仪的器件探测要求。
2)目标-背景的辐射对比度
除了需要考虑大气状况、目标的功率等对红外图像采集的影响,由于背景也存在不同程度的红外辐射。因此,在工程应用时,我们必须还要研究目标和背景之间的相互影响,才能得到与实际符合或相近的结果。
当外界环境条件较差时,越接近于朗伯反射体的目标其光谱辐射出射度越好。为了提高合作目标-背景的辐射对比度,通过加热合作目标,提高目标-背景的辐射对比度,使目标更容易被探测到。辐射源在特定波长上的光谱辐射效率为
式中:MbλT为黑体光谱辐射出射度;c1=2πhc2=3.7418×10-16W.m2,为第一辐射常数;c2=hc/k=1.4388×10-2mK为第二辐射常数;其中,k=.13807×10-23J/K为玻尔兹曼常数;c=.29979×108m/s为光在真空中的传播速度。
当辐射源的光谱辐射率接近1时,辐射源接近于朗伯漫反射,对(1)式中T求极大值得:λeTe=3 369.73µm K。这表明,对于给定波长λe有一对应光谱辐射效率最大的温度Te。则在8～14µm波段范围内,则对应光谱最大辐射效率的温度范围为摄氏温度为152℃～237℃。这与我们选择的180℃相符。
3.3 合作目标大小与红外探测距离的分析
试验车的初始位置距模拟跑道尾端280 m,从此点向模拟跑道(35 m×6 m)行进。红外摄像机为384×288像元。在8°视场角下,当摄像机视场角一定时,合作目标成像像点大小随摄像机与合作目标间距离的减小而增大,故仅需计算最远距离时合作目标大小。若使合作目标在最远实验距离下成像不小于2 pixels×2 pixels大小的图像,则可以计算:
我们选取合作目标的大小为0.3 m×0.3 m。
热像仪能探测到目标所必需的两个条件:一是目标对系统的张角不小于系统的最小可分辨角;二是目标与背景经过大气的衰减作用后的温差不小于系统能探测到的最小温差[9]。在这种情况下,目标为扩展源目标,不能仅仅考虑目标的能量,还要考虑目标的大小、形状。目前对扩展源目标的视距估算,主要以MRTD为评价标准,综合考虑目标、大气的实际状况以及观察等级的要求,观察等级的划分是依据Johnson准则。
MRTD的基本计算公式为
式中:MTF(f)为系统的调制传递函数;te为人眼的时间常数,一般取0.2 s;fp为帧频;fn为等效噪声带宽;τd为驻留时间,SNRDT为阈值显示信噪比;METD为噪声等效温差。
我们根据合作目标的几何尺寸和形状及分辨等级对METD进行修正,修正后的METD′为
式中:n0为约翰逊半周期数;γ为目标的高宽比。
原始温差∆T0经大气衰减后到达系统时的温差∆T为
令∆T=MRTD′,求出此时对应的极限空间频率fT,然后按下式计算作用距离:
根据所用红外摄像机参数,按上述公式估算,对于0.3 m×0.3 m的目标,热像仪的探测距离不小于500 m,大于实验所用280 m,因此所选目标大小能够满足实验要求。
4 实验及结论
在相同距离下,对不同温度的合作目标进行探测。实验发现,随温度升高合作目标更容易从背景中区别出来,在180℃和200℃时,红外合作目标成像效果都比较好,但两者差异不大。考虑到合作目标功率等因素,我们选择最佳辐射温度为180℃。实验结果如图4所示。
将红外合作目标组合的图像数据用于光电导引算法,图5显示飞机在导引过程中实时估计所得的相对航向角误差、相对位置误差。由图可看出,随飞机相对舰船的距离越小估计误差越小,至导引结束时横向(沿Xr轴方向)、纵向(沿Yr轴方向)和垂向(沿Zr轴方向)估计误差分别小于1 m、3 m、1 m,相对航向角误差小于10′。图6显示重复20次仿真实验的导引结束时(基于估计的舰船运动规律)对着舰点的位置预测误差,横向(沿Xr轴方向)、纵向(沿Yr轴方向)和垂向(沿Zr轴方向)估计误差分别小于0.5 m、1 m、1.2 m,其中横向、纵向位置预测结果由于相对航向角的补偿作用,误差减小,垂向位置预测则由于引入舰船运动规律估计误差而略有增大。
摘要：为了实现舰载机全天候自主着舰,本文研究了舰载机光电导引着舰用红外合作目标组合。首先提出了切实可行的工作过程及地面车载验证方案,然后研制了合作目标。根据大气窗口、红外辐射在大气中的传输特性和待选波段对应的最佳辐射温度对合作目标温度控制的影响,确定了8～14μm波段为合作目标对应的辐射波段。根据摄像机的探测距离的估算以及实际要求确定了合作目标的大小。将所设计的合作目标组合用于光电导引算法,计算结果表明,对着舰点的位置预测误差分别小于0.5m、1m、1.2m,具有很高的精度。
关键词：着舰导引,合作目标,红外,舰载机,光电导引
参考文献
[1]CRASSIDIS J L,MOOK D J,MCGRATH J M.Automatic Carrier Landing System Utilizing Aircraft Sensors[J].Journal of guidance,control,and dynamics,1993,16(5):914-921.
[2]Golovcsenko Igor V.Computer Simulation of Fresnel Lens Optical Landing System.AD-A038456[R].[S.l.]:Defense Technical Information Center,1976:11-20.
[3]Durand Tulvio S,Teper Gary L.An Analysis of Terminal Flight Path Control in Carrier Landing.AD0606040[R].[S.l.]:Defense Technical Information Center,1964:72-77.
[4]Robert L F.Practical Integration of Direct Lift Control into an Automatic Carrier Landing System.AIAA-92-7103[R].[S.l.]:AIAA,1992:60-69.
[5]Bharadwaj T,Rao A,Mease K D.Tracking Law for a New Entry Guidance Concept.AIAA-97-3581[R].[S.l.]:AIAA,1997:37-41.
[6]Umes J M,Hess R K.Development of the F/A-18A Automatic Carrier Landing System[J].Journal of Guidance,Control and Dynamics,1985,8(3):289-295.
[7]Prickett A L,Parkes C J.Flight testing of the F/A-18E/F automatic carrier landing system[C]//IEEE Proceedings Aerospace Conference.Big Sky,MT,USA:IEEE Press,2001,5:2593-2612.
[8]张智丰,李向新,彭群生.基于大气传输模型的动态目标红外成像仿真[J].系统仿真学报,2000,12(5):524-527.ZHANG Zhi-feng,LI Xiang-xin,PENG Qun-sheng.The Infrared Signature of a Moving Targets Based on Atmospheric Propagation Modeling[J].Journal of System Simulation,2000,12(5):524-527.