红外线检测（精选12篇）
红外线检测 篇1
电厂锅炉燃烧期间对其温度的动态检测是关系锅炉运行安全性与稳定性的重要工作内容之一。通过对锅炉温度的动态检测，能够获取实时温度参数，并作为判断锅炉运行是否安全、稳定的重要依据。若检测温度出现异常，则提示操作人员需要及时采取措施，有效防止重大安全事故的产生。故而，在锅炉运行管理期间，做好对锅炉温度的检测工作是非常重要的。针对传统烟温探针等直接接触式温度测量技术在锅炉温度检测中存在的问题与不足，红外线温度测量技术的优势开始逐步凸显出来。本文即从红外线温度测量的角度入手，就其在锅炉温度检测领域的应用展开分析探讨。
1 锅炉温度检测中对红外线温度测量技术的应用现状
结合电厂运行特点与现状来看，在对锅炉炉膛出口区域温度进行测量的过程中，主要采取的是烟温探针的测量方式。烟温探针的应用能够对锅炉点火状态下的烟气温度取值进行动态监视，在预防再热器超温方面有重要意义。但随着运行经验的不断累积发现：常规的烟温探针在锅炉温度检测中存在结构上的缺陷与不足，即在受到高温因素的影响下，烟温探针容易发生变形问题，导致行走机构无法正常执行进/退动作，并致使烟温探针的应用流于形式，出口温度的监测质量无法得到保障，电厂锅炉的启动运行也因此受到了一定的威胁。
结合锅炉运行的规律与特点来看，由于锅炉炉膛在燃烧状态下所处环境条件比较特殊，任何需要直接与炉膛接触实现温度检测的热电偶装置均难以在高温以及粉尘的恶劣条件下工作，也就无法实现对炉膛出口位置烟气温度的全程监控，在运行实践中，常见炉膛出口位置结焦、管壁超温、以及水冷壁磨损等多种安全事故。
但对于本文所研究的红外线温度计而言，在利用该类型温度计对锅炉温度进行动态检测期间，可以在非直接接触的模式下进行测量，红外线温度计不需要直接与粉尘、以及高温等介质发生接触，且温度计自身结构简单，省去了传统的推进装置，对于温度检测全过程性的实现是非常有利的。结合已有经验来看，在电厂锅炉温度检测与红外线温度计相结合的背景下，锅炉运行所依赖的燃烧数据更加的全面，锅炉烟气超温等安全事故的发生率得到了明显的控制。
结合我国实际情况来看，锅炉烟气温度检测中对红外线温度计的应用始于20世纪80年代，随着其相关优势的凸显，红外线温度计已经逐步取代了传统的烟温探针，在电厂、热电厂等领域发挥了非常重要的作用。现阶段技术条件支持下，比较常用且性能先进的红外温度计有美国FCS公司所生产的Boiler-temp温度计以及美国JNT公司所提供的Infra-view温度计。其所配备的红外线炉膛温度计智能传感器相关参数可达到如下标准。测量精度：可达到±1.0%以内精度；测量范围：可支持对120.0～1650.0℃环境温度的测量；最大负载：可在700.0Ω负载条件下稳定运行；信号输出：可支持4.0～20.0m A标准信号的输出；反应时间：可在100.0 ms范围内做出响应；视场角：可达到30:1比例。
2 红外测温原理分析
在红外测温系统当中，光子探测器可以将来自被检测设备表面的热辐射能经过一定的技术处理，转化为电子式视频信号，经由信号处理后将视频信号输送至显示器终端进行重放，进而形成可视化图像。与此同时，录像机能够记录模拟信号并储存，在计算机终端完成数据处理。在红外测温装置的反应中，扫描器所接收到的辐射信号包括3个部分：大气辐射、反射辐射、目标辐射。实际工作中，辐射关系可以按照如下方式确定：
公式（1）中：将设备温度下被标定热值定义为“I0”，将测定设备热值水平定义为“I0”，将环境温度下被标定热值定义为“Iq”，将大气温度下被标定热值定义为“Iq”，将大气透射率取值定义为“τ”，将设备表面发射率定义为“ε”。
同时，在红外测温的过程中，为了弥补远距离传输下图像信号可能发生的衰减问题，在红外测温系统中可引入图像信号放大器，以达到提高信号远距离传输精度的目的。在红外测温系统的实际运行中，根据锅炉温度检测的实际需求，将多个红外热成像探测器置于锅炉的各炉孔处，分别对准炉内，由冷却和除尘系统对探测器进行保护。探测器以每秒25场的速度输出温度图像信号，经过一定距离的传输线，传输到监控室，并在监控室内实现对监测温度图像的集中处理。然后，经过选择出的一路信号送至放大器，其输出送到图像采集部件，将模拟信号变成数字图像信号输出到微型计算机。计算机对图像进行实时滤波、温度计算处理，然后将输入的信号吼温度分布图像的形式显示在监视器上。同时，汁算出本画面的最高、平均和最低温度。通过对实际温度与设定温度的对比，能够及时给出温度异常下的报警信号与相关处理。
3 锅炉温度检测中的红外测温系统结构设计
对于硬件部分而言，其主要功能是对锅炉运行现场所设置的每条测温路径进行精确测量，同时完成对实时温度数据的采集工作。本部分的主要构成模块包括：同轴电缆、PC主机、显示器、数据采集装置、以及红外测温装置这几个部分。
从锅炉运行环境的角度上来看，炉膛出口部位环境中粉尘含量大且温度较高，为了避免红外测温模块中，传感器镜头受到环境的不良影响，需要在本模块中增设冷却/吹灰装置，以实现对红外传感器的冷却吹扫，达到确保现场测量精度水平的目的。本系统中，气源压力按照0.3～0.7MPa标准控制。空气压缩器旁路在经过空气过滤器处理后，将冷却与吹灰装置的空气源送入冷却/吹灰装置中。与此同时，由于在锅炉温度检测中，需要同时实现对多条测温路径的温度扫描与检测工作。因此，需要在红外测温装置中体现其对多路径的扫描功能，增设由连杆、步进电机、钢支座、以及轴承所组成的扫描装置，为红外测温装置的多路径扫描提供动力支持，实现定角度的温度扫描。
对于软件部分而言，其主要功能是基于Lab VIEW技术以及Matlab技术进行混合编程，实现包括数据计算、扫描控制、以及温度场可视化在内的相关应用功能。为满足以上要求，整个软件系统中需要涉及到的操作模块包括参数设置模块、数据采集模块、控制面板模块。以及温度显示模块这几个部分。与之相对应的结构图如下图1所示。
4 结语
随着社会各行业领域对于电能需求量的不断提高，电厂机组规模也呈现出了集中的增长趋势。机组自动化控制水平的提高使得电厂检测在质量方面的要求不断增加。相较于传统的温度测量技术而言，基于红外测温原理的红外温度计凭借其在结构上的简单性，测量上的精确性，以及运行上的稳定性等优势，在实践工作中得到了规模化的应用。本文即从锅炉温度检测的角度入手，分析红外线温度测量技术的应用，望能够引起重视。
摘要：在以往的火电厂锅炉温度检测中,所使用的烟温探针仅能够在点火初期实现对炉膛温度的监测,但在锅炉持续燃烧,温度达到600℃以上时,烟温探针将被动退出,无法实现对炉膛温度的动态监测。而随着红外测温技术的进一步发展,近年来,所新建的电站中开始广泛使用红外线温度测量技术来进行炉膛温度的动态监测。本文结合这一实际情况,从锅炉温度检测的角度入手,对红外线温度测量技术的应用现状以及相关技术要点展开分析探讨,希望能够为锅炉温度的动态监测提供有利的技术支持与保障。
关键词：锅炉,温度,红外线温度测量
参考文献
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红外线检测 篇2
摘要：无损检测，是指在不会对材料或元件的有效性或可靠性造成损害的前提下，对其内部的异性结构(缺陷或损伤)进行探测、定位、识别及测量的一种实用性技术。红外热成像技术是在红外探测器、微电子和计算机技术的基础上发展起来的，属于综合性高新技术，该技术正朝着快速扫描、非致冷、焦平面阵列式接收、计算机图像处理的方向发展，利用便携式笔记本电脑控制的系统正日趋完善。
关键词：无损检测；热成像技术；应用；发展趋势
红外热成像无损检测技术(又称红外热波无损检测技术)，是一门跨学科的技术，它的研究和应用，对提高航空航天器，多种军、民用工业设备的安全可靠性具有重要意义。
1.红外热成像检测技术的原理
红外热成像无损检测技术的基本原理是利用被检物的不连续性缺陷对热传导性能的影响，使得物体表面温度不一致，即物体表面的局部区域产生温度梯度，导致物体表面红外辐射能力发生差异。借助红外热像仪探测被检物的辐射分布，通过形成的热像图序列就可推断出内部缺陷情况。
从理论上分析可知，材料或构件因内部缺陷将导致局部力学性能的强度改变，由于材料内部结构的不连续性，这种缺陷将引起材料或构件的热传导不连续，致使材料或构件的温度梯度不同，因而显现出的红外热图像也有所不同。通过研究被检测材料的内部缺陷及结构力学性能，找出其热传导特性与红外热图像之间的关系和机理，根据显示图像的温度梯度就可以确定缺陷的位置和范围，由温度梯度随时间变化的速率可以确定缺陷的深度。
采用红外热成像技术进行检测的特点是不受材料的几何结构及材质的限制，可以实现非接触、大面积的检测。
2.红外热成像检测技术的分类
根据探测方式不同，红外热成像检测技术可划分为透射式和反射式，其中反射式更便于使用；根据引起温差的方式不同，可划分为主动式和被动式。
主动式红外热成像检测技术可以对物体表面进行快速、准确的检测，并具有直观、非接触、单次检测面积大等特点。根据主动式激励源不同，主要划分脉冲红外热成像检测技术、锁相红外热成像检测技术和超声红外热成像检测技术等。
2.1脉冲红外热成像检测技术
脉冲红外热成像技术是一种集光、机、电为一体的非接触式无损检测方法，也是目前研究最多和最成熟的方法之一。工作原理如图1所示:以高能脉冲闪光灯作为激励热源，热流在被测构件内部传导过程中，若构件内部存在缺陷或损伤，则使得物体内部热分布将存在不连续性结构，从而导致其缺陷或损伤处的表面温度与无缺陷或损伤处有明显不同。
图1冲红外热成像检测技术的工作原理
脉冲红外热成像检测方式虽然简单实用，但是也存在着一些缺点：适于检测平板类构件，对于复杂结构构件检测存在困难；对热源的均匀性要求非常高；检测构件厚度有限，当检测厚度较高的构件时，难以显示缺陷结果。
2.2锁相红外热成像检测技术
锁相红外热成像检测技术的工作原理，如图2所示。由函数发生器控制激励热源发出按照正弦规律变化的光源强度，光源的热辐射对被测构件进行加热，采用红外热像仪采集构件表面的温度信息。锁相的目的在于从干扰信号中提取特定频率的有用信号，分析其存在的差异，从而实现对缺陷特征的判定与识别。
图2相红外热成像检测技术的工作原理
锁相红外热成像技术与常规的脉冲红外热成像技术相比，主要有以下优点：不受加热不均的影响；相位图与构件表面发射率无关；加热的温度较低，不会导致材料表面发生损伤；根据锁相频率和相位延迟，即可求出缺陷深度。此外，相位检测与幅值检测相比，在热像仪精度确定的情况下，能显著提高缺陷的探测能力和测量精度。
2.3超声红外热成像检测技术
超声红外热成像检测技术将超声激励技术与红外热成像技术相结合，其原理，如图3所示。利用低频超声脉冲波作用在构件表面上，利用其特定的振动激励源促使物体内部产生机械振动，使得缺陷部分因热弹和滞后效应导致声能在物体中衰减而转化成热能，通过红外热像仪对构件表面温度变化情况进行捕捉和采集。通过观察红外热像仪所记录下来的温差，借助于计算机对时序热图进行处理，即可实现对构件内部缺陷的判定与识别。
图3超声红外热成像检测系统的工作原理
超声红外热成像技术与脉冲红外热成像等其他表面加热的检测方式相比，其检测灵敏度更高。超声红外热成像技术可对物体更深的亚表面裂纹进行检测，还可用于对复合材料内部分层或脱粘进行检测。超声红外热成像的实验系统比较复杂，操作时需要小心谨慎，避免不必要的损伤和浪费。
3.红外热成像检测技术的应用
外热成像技术因能快速、实时、直观地检测零件的损伤，所以应用广泛,可应 用于航空设备检测、复合材料的检测、衬里损伤诊断、电力设备的故障诊断等。
3.1在电气领域的应用
测试对象主要包括变电所空压机互感器接头、分电箱导线接头、变压器零线接头、供电厂照明线接头、电车隧道电缆过载、空气开关接头和高压线电缆中间接头温度的测试等。通过对变电站和输电线路的定期测温，排除了大量的安全隐患，有效避免了不必要的损失，为工厂的安全运行提供了重要保障。
3.2在土木工程领域的应用
随着红外热成像检测技术的日新月异，其在土木工程领域中的应用也有了很大发展。尤其在建筑物外墙饰面施工质量检测技术日趋成熟。通过采集外墙表面的温度场变化，可
为判断饰面工程质量提供一种途径。
3.3在航天航空领域中的应用
发动机涡轮叶片是飞机中能量转换的关键部件，在燃气冲击下高速旋转，不但承受变化巨大的各种应力，还受到高温氧化等作用，所以准确高效的检测涡轮叶片的缺陷，对于预防危害性故障，提高飞机运行安全有着重要意义问。文献川以热风作为激励源，对正常和故障叶片分别进行相同的持续激励，然后用红外热像仪记录叶片表面的温度变化情况。
4.红外热成像检测技术的展望
红外热成像技术的发展以红外探测器的发展为标志，可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势：以“二代”焦平面阵列的实用化，批量生产，大量装备为重点，解决各种不同功能要求的图像处理和智能化、自动化问题，提高非制冷焦平面阵列规模和水平，与应用密切配合，解决应用中出现的问题；发展应围绕“第三代”焦平面阵列，着重基本技术问题的研究解决，包括外延材料生长大规模高密度器件工艺、非均匀性校正、可低温工作的信号处理电路、互联耦合技术、测试评价技术、图像处理和智能化等技术关键问题，以缩小整机体积，并增强功能；进一步应探索新型材料器件的研究开发，从能带工程出发，设计研究新型焦平面阵列材料和器件；竭力提高成品率，降低价格，扩展红外热成像技术的应用领域及应用价值。
纵观现代各种无损检测技术，均要求对零件的损伤进行快速、准确的检测与评估，因此，红外热成像技术未来也要朝着快速、准确的方向发展，其具体发展方向有以下几点：（1）从定性到定量的转变；(2)采取多样化的激励方式，实现更加快速、准确的检测；（3）尝试各种先进 的信息处理方式，得到更加精确的零件损伤信息；（4）为适应现场检测的要求，向便携式方向发展。
5．总结
红外热成像技术历经多年的发展，已从当初的机械扫描机构发展到了今天的全固体、小型化、全电子、自扫描凝视摄像，红外热成像技术正走向辉煌，同时，我们应清醒的认识到，红外热成像技术，已经走上了一条充满挑战的发展道路，要想发展，必须解决许多问题，以提高灵敏度，增加识别距离，降低成本。
参考文献
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红外线检测 篇3
关键词：红外光谱 食品 安全检测
中图分类号：TS207.3 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2014）20-0023-02
随着我国经济的不断发展，有些商家为了获取更大的利益，在食品制作方面不注意食品的质量问题，我国许多民众受到了有害食品的伤害，轻则腹泻，重则死亡。我们必须重视食品安全问题，加强对食品的安全检测力度，红外光谱技术拥有环保、高效的特点，可以将其应用于食品安全检测当中。
1 红外光谱技术简介
红外光谱技术利用分子振动原理实现对振动模式的记录，红外光谱主要分为远红外、中红外、近红外三个区域。红外光谱中存在类似于指纹的一个区域，这一区域可以反映出分子之间细微的不同，也是因为这一区域，含有多个原子的分子才不会对结果造成太大的干扰。有机物的分子结构相对于其他物质来说要复杂许多，而食品都属于有机物，这就导致对于食品的安全检测相当艰难，而由于红外光谱的特性，红外光谱可以反映出有机物的构成以及有机物之间的细微差别，使用红外光谱技术就可以对食品中是否掺假的问题、食品的种类以及产地进行准确的检测。]食品安全问题不仅仅在于产地、种类、掺假，还在于食品中是否存在残留的农药，是否含有有害物质，这些问题的检测都属于对低含量物质的检测，红外光谱不仅可以反映出有机物的分子结构，还可以对物质进行定量分析，可以在复杂的检测背景下分辨待测物质，因此，使用红外光谱技术可以对食品中是否残留农药的问题、食品中是否存在有害物质的问题进行准确的检测。
2 红外光谱技术的优缺点
红外光谱技术有着许多优点，但由于我国对红外光谱技术的研究还不够深入，目前我国的红外光谱技术还存在许多缺点，下文将对红外光谱技术的优缺点进行分析。
2.1 红外光谱技术的优点
目前我国的红外光谱技术主要有八大优点：第一，分析速度快，使用红外光谱技术进行食品安全检测不到六十秒就可以得到检测结果；第二，分析效率高，红外光谱技术可以同时对多个待测样品进行检查，这些待测样品的性质、种类可以不同；第三，检测样品种类多样，红外光谱技术可以检测不同物理状态的物质，包括固态、液态、胶状态等；第四，测试重现性佳，可以将待测样品的结构较为完整地重现出来；第五，无损检测，使用红外光谱技术对待测样品进行检测，不会对样品造成损伤，红外光谱技术的无损伤性也是红外光谱技术在医学领域得到广泛应用的原因；第六，环保，使用红外光谱技术对待测样品进行检测的过程中不会对环境造成污染；第七，操作简单，操作人员很容易学会使用红外光谱技术进行检测的方法；第八，近红外光在光导纤维中的传输性好，有利于在线检测与分析。
2.2 红外光谱技术的缺点
综合而言，红外光谱技术主要有三大缺点：第一，灵敏度较低，被测组分一般大于百分之零点一；第二，容易出现较为复杂的谱图，有些时候，红外光谱中的多个区段都会吸收同一个基团，从而导致形成的红外光谱中出现了在同一个波段出现多个同样的谱峰的情况，从而造成谱峰重叠，谱图较为复杂，难以辨认；第三，变动性较大，在使用红外光谱技术进行食品安全检测时，技术人员一般不会对待测样品进行预处理，而待测样品的形状、大小、测试环境、测试方式都会对红外光谱技术下的检测产生影响，从而导致同一种待测样品的检测结果出现分歧。
3 红外光谱在食品安全检测中的应用
3.1 食物种类和产地的鉴别
食品安全检测的第一步是对食品的种类和产地进行鉴别。在现实生活中，食品很容易出现李代桃僵的现象，比如用猫肉冒充兔肉，用木耳冒充银耳等。食品的产地也会影响食品的价格，在市场上经常出现产地混淆的情况。将红外光谱技术应用到食品安全检测中，就能较为准确地检查出食品的种类与产地，就目前而言，已经有许多研究人员对此进行了相关的研究。郭丽艳等人使用红外光谱技术中的FTIR检测技术对黑牛肝菌、黑木耳以及银耳进行了种类鉴别，通过红外光谱的反映，研究人员从谱峰和吸收强度的差异上就区分了三种物质。徐永群等人使用红外光谱技术中的主成分分析法以及红外指纹图谱对山药的产地进行了检测，通过对主成分分析法得到的主成分测量值、建立数学模型得到的预测结果的分析，徐永群等人对山药的产地进行了较为准确的检测，准确率高达90.9%。
3.2 食品农药残留检测
食品安全检测的第二步是对食品农药残留进行检测。随着我国科技的不断发展，我国市场上出现了各种各样的农药，农民为使自己种植出的农作物更美观、收成更好，就会大肆使用农药，从而导致许多食品的农药残留超标。将红外光谱技术运用到食品安全检测中就能较为准确地检测食品农药残留：第一步，应使用傅立叶交换近红外光谱法对食品的农药残留进行系统的鉴定；第二步，使用差谱技术对农药的类型进行指认；第三步，使用FTIR技术对表面残留的农药进行测量。[1]通过这三步的检测，就能实现对食品农药残留情况的快速测量。
3.3 食品有毒有害成分检测
食品安全检测的第三步是对食品有毒有害成分的检测。近些年来，我国出现了多起由于食品含有有毒有害成分而导致民众伤亡的事件，之前三鹿集团的三聚氰胺事件就是典例。食品含有有毒有害成分无疑是商家道德的缺失，是对我国民众健康的巨大威胁，因此，我们必须对食品进行严格的检测，严格控制食品添加剂的种类、数量等。将红外光谱技术运用到食品安全检测中，就能对食品有毒有害成分进行较为准确的检测。首先，可以采用红外示差光谱定量分析被测样品中某一食品添加剂的含量，然后根据吸光度以及浓度制定工作曲线，观察工作曲线是否符合线性规律，最后，按照工作曲线进行定量分析。
4 结语
综上所述，随着我国科技的不断发展，红外光谱技术一定会变得越来越成熟，会得到更广泛的应用。相关人员应注意利用红外光谱技术对食品的种类、产地、农药残留情况、有毒有害物质进行检测，根据红外光谱所反映的现象，对相关食品进行控制与管理。
参考文献
红外线检测 篇4
随着工业的飞速发展以及人民生活水平的提高, 汽车的拥有量越来越大, 私人化也越来越普遍, 对停车设施需求也不断增加。汽车市场的繁荣从而导致了停车困难、乱停车的问题, 特别是大中城市十分突出, 停车场的利用率制约了城市的发展。要减少这种问题的出现, 就应该提高现有停车场的利用率, 最大限度的让每个停车场发挥最大的利用效率。针对停车场利用率不高, 停车效率低的问题, 本团队做了一个基于红外线检测的停车场智能引导系统的研究。红外线检测具有实时迅速、准确度高、适用面广等特点, 目前在技术方面已趋于成熟。该系统通过红外线检测可以准确的计算停车场的车位数量、位置以及空闲车位的数量, 通过液晶显示出来直观方便, 为停车场的充分使用提供了便利。同时系统还有车位预定功能, 实现了人机对话进一步方便了驾驶员的车位选择。本系统是以STC89C51型单片机为控制核心, 51单片机具有低成本、节能、控制简单的特点, 适合用在这种处理不是很复杂的场合。
二、停车场智能引导系统工作原理
1. 停车场智能引导系统的主要结构
本系统模拟16个停车位。该系统的核心处理器是STC98C51单片机, 采用一级处理和两级管理模式:一级处理, 即一号单片机组包括若干单片机 (此系统为2个) ;两级管理, 即二号单片机 (1个) 和上位机。硬件系统控制框图如图1所示。工作流程如下:NE555定时器构成的红外线发射部发出38kHZ红外脉冲, 当车位有车停入时, 红外脉冲反射, 红外接收管接收红外脉冲, 红外接受部检测到该信号并在一号单片机组I/O口产生电平变化, 一号 (NO.1[0...]) 51单片机组的单片机 (以下称一号机组) 通过扫描法检测到I/O口电平的变化 (或检测到控制面板预定车位信号) , 信息经过NO.1单片机处理, 将信息传输至二号 (NO.2) 单片机, 二号 (NO.2) 单片机接收停车数量信息 (或接收上位机送入的预定车位信号) , 然后通过停车场入口大型LCD (此系统用LCD1602模拟) 和大型LED点阵 (此系统用LED模拟) 分别显示出空车位数量以及空余车位方向 (以及停车位预定LED提示该车位已预订) , 然后将部分停车位信息上传至上位机。
2. 停车场智能引导系统检测部分
本系统红外线发射部主要由89C51单片机、NE555定时器、红外线发射管、红外接收管组成。
(1) 停车场智能引导系统红外发射主要部分及原理
本系统发射部采用NE555定时器作为发射电路核心元件, NE555可作定时延时控制, 还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外, 还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路, 用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。该定时器工作可靠、使用方便、价格低廉, 目前被广泛用于各种电子产品中, 555集成电路内部有几十个元器件, 有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等, 电路比较复杂, 是模拟电路和数字电路的混合体。
依据理论该电路输出频率f=1.499/ (R1+2*R2) C1, 占空比 (R1*R2) / (R1+R2) , 调节R1, R2和C2可应产生频率为38KHZ, 占空比为1/4的脉冲, 可提高脉冲峰值电流, 增强反射距离。如图2所示
(2) 智能停车系统红外接受主要部分及原理
本系统红外接收部分主要以51单片机和红外接收一体管组成。红外接收一体管采用市面上通用的可接受38KHZ脉冲的型号, 其内部电路包括红外监测二极管, 放大器, 限副器, 带通滤波器, 积分电路, 比较器等。红外监测二极管监测到红外信号, 然后把信号送到放大器和限幅器, 限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平。
主要检测原理:将红外接受部连接至NO.1单片机I/0口, 当红外接收管接收到发射部产生的38KHZ红外线时, 接受部产生高电平, 该信号由NO.1单片机通过扫描记录;当检测到有车辆停入时, 接受部产生低电平, 同理, 由单片机扫描记录。Proteus仿真图用开关接P2口通断模拟。
3. 控制面板与显示
控制面板部分为4X4键盘[6], 显示部分为1602液晶屏和LED。功能如下:
(1) 通过矩阵键盘KEY1可进行“预定”功能, 通过4X4的键盘输入车位编号, KEY2进行“确定”, 相应车位LED亮起表示该车位已预订 (此处用接138译码器LED灯模拟) 。如图4所示。
(2) 通过大型LED点阵显示剩余车位, 此处用LCD1602液晶显示可滚动显示“Remaining number:xx”, 。如图5所示。
(3) 方向指示LED为两个, 二号机扫描P0口高四位, 则若为F则一号LED熄灭, 若不为F则亮起, 表示该方向有空余车位;同理, 扫描第四位, 控制二号LED。
4. 上位机对接
功能:通过NO.2单片机与上位机进行串口数据交换。实现过程:NO.2号单片机扫描并记录NO.1单片机群传输的车位数量信息, 检测来自NO.1单片机、上位机和控制面板的车位数量信息并计算剩余车位数量并上传至上位机, 同时可接收上位机车位预定信息, 设置点亮车位已预定标志灯。
5. 补充概述
本系统只设置16个停车位, 所以仅采用一级处理 (2个) , 二级管理模式, 并且一级单片机组各单片机对接二级单片机的I/O口仅为4个, 即可记录23个车位。理论上还可以将74LS165并入串出寄存器置于一级单片机组I/0口前端, 以扩展车位记录数量。系统默认车位分为两个区各八个车位, 所以车位方向指示灯为两个, 一区二区各两个。
三、智能引导系统的程序设计
系统由一号51单片机组 (两个) 和二号51单片机组成, 需要有两个单独程序。本系统为共16个停车位, 一号机组两个单片机各处理八个停车位, 故设置为两级传递模式, 一级传递模式为一号51单片机组, 二级为二号51单片机作为管理器。
一号51单片机组中的1号机接口:P0口接键盘, P1, P2口分别接红外检测接收部, P3.0--P3.3口接二号51单片机P0.0--P0.3口, 一号机组中的2号机接P0.4--P0.7口。
二号51单片机接口连接:P0口接一号机组;P1口, P2.0, P2.1, P2.2口接
P2.3, P2.4接方向指示LED。P3.0, P3.1接串口。
一号单片机组程序设计:
二号单片机程序设计:
四、结论
通过三级管理模式可以有效的并且迅速的对车位的空余数量和车位的预定实现管理, 并且在硬件和软件上可随着车位数量的增加进行升级, 该系统维护方便, 功耗小, 效率高, 可针对大、中、小不同类型的停车场, 并可通过上位机进行管理。
摘要：随着汽车工业的不断发展, 停车问题已经越来越明显, 对停车设施需求也不断增加。停车场智能引导系统主要是以停车场 (库) 为主要对象研究的一套智能引导汽车停车的系统。以STC89C51型单片机为控制核心, 红外传感器检测停车位, LCD1602模拟大型液晶显示屏显示车位停车情况, 用控制面板操作控制。从而直观的实现车位显示、车位预定、以及停车位引导等功能。本系统具有成本低、检测准确、识别传输快、维护升级方便等特点。
关键词：STC89C51单片机,红外传感器,NE555定时器,三级模式
参考文献
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红外线检测 篇5
简要阐述了独立成分分析(independent component analysis,ICA)的基本模型及其假设、含混性、非高斯性度量和通用求解过程,介绍了一种基于峰度的快速ICA算法.提出了基于基本ICA模型的从被动遥感红外光谱中分离出弱目标信号的`信号检测方法.实验结果表明:基于ICA的信号提取方法可不依赖于预先采集的”干净"背景光谱,并且与差谱法的结果进行了对比.
作 者：虞莉娟 熊伟 熊惠民 YU Li-juan XIONG Wei XIONG Hui-min 作者单位：虞莉娟,YU Li-juan(武汉理工大学自动化学院,湖北,武汉,430070)熊伟,XIONG Wei(中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽,合肥,230031)
红外线检测 篇6
【关键词】近红外光谱；林业生产；木材工业；检测
近年来，随着时代的进步和社会的发展，以红外光谱技术为主的新型检测技术越来越受到人们的重视和关注，已成为现代化检测领域中一项备受关注的技术标准。这种技术在应用中以其速度快、准确系数高、操作简单、稳定性能好、无损伤的优势得到了人们的认可，已成为国内外水果品质检测、木材检测、唔损伤检测领域中研究的焦点话题。而在我国，近红外光谱技术在林业生产上的研究才刚刚起步，其中还存在着众多的不足，因此，在工作中需要我们认真的归纳和总结，从而提出科学、合理的检测技术标准。
1.近红外光谱技术分析
随着红外光谱技术和计算机的不断发展，在我国林业生产和国际化发展中的应用中这种技术发挥着越来越重要的作用。林业生产本身作为一个繁杂的混合体系，它在工作中与周边的环境因素、自然因素、生态因素、地质因素都有着密切关系，因此在工作中需要认真的归纳总结，针对林业生产中存在的各种问题提出有针对性的预防，以确保林业生长的正常、合理。
1.1近红外光谱技术概述
近红外光谱技术主要指的相关物质在近红外区的吸收光谱现象。一般来说，其红外波段长度为0.7～2.5μm左右，而近红外区主要指的是能够吸收各种低能电子跃迁以及含有氢原子的原子团。一般来说，在目前的应用中波长范围一般都是节约可见光与中红外区之间的电磁波，其波长控制在780～2526nm之间，而波数的范围则是在12820～3959cm之间。截至目前，我们在工作中常见的近红外光谱区的含氢基团主要包含有CH、0H、NH等。由于在工作中，几乎所有的有机物都能够在组成以及构成中出现谱图稳定等现象，因此近红外光谱发也被人们称之为分析界的巨人。
1.2近红外光谱技术的应用特点
近红外光谱分析技术是与上个世纪八十年代开始形成的一项测试新技术。这种技术随着近红外光谱仪器的不断优化、更新和成本的不断降低和各种软件的进一步完善，其逐步提高了从复杂、繁琐、重叠和变化环境中提取有效信息的效率，增加了光谱的噪音比。截至目前的社会发展和应用中，近红外光谱发的应用范围日益扩大，其在应用中以速度快、操作简单、不破坏样品以及无污染的特点受到了社会各界的好评，更是成为木材检验工作中一项就为常见的检测技术标准。
1.3近红外光谱分析技术的发展
近红外光最早出现于1800年的英国，而近红外光谱分析技术的应用与出现是与上个世纪三十年代末期，但是由于当时各种技术的不科学、不完善，使得其在应用中存在着种种的困扰，如信号吸收能力弱、谱带相互混乱、信息量庞大、分析复杂等现象。这些问题和现象的存在一方面造成了近红外光谱分析技术应用的局限性，另外也使得整个近红外光谱分析技术发展手速。直至六十年代开始，随着计算机技术和信息技术的发展，近红外光谱分析技术得到了迅速的发展，其应用范围也不断扩。特别是新世纪以来，由于近红外光在光纤中有着良好的传输性能，在先分析成功的应用在社会生产的各个领域当中，截至目前已经成功的应用在林业、农业、医药、石油化工等多个环节，并获得了丰硕的成果。
2.近红外光谱分析技术在林业上的应用状况
2.1近红外光谱检测技术在水果品质检测中的应用
为了提供高质量的水果，满足人们对绿色果品的需求，水果的种植、贮藏和销售都需要一种方便准确、迅速、无损的在线检测技术。以取代目前的M—T有损检测试验。近红外光谱分析技术作为一种快速、无损、简便的检测方法显得特别重要，日本公司开发的近红外分光测定法可以同时测定水果的成熟度、含糖度、含酸度、糖蜜含量以及检验有无病斑等，可以说在检测水果中取得了划时代的进展。国外已有许多学者在水果坚实度、糖度和酸度睁7]检测方面利用N瓜技术做过大量的相关研究，研究的水果品种主要有苹果、梨、香蕉、桃子、樱桃、芒果、猕猴桃、柑橘和菠萝等。研究结果表明，应用近红外检测技术对水果进行田间、储藏和销售在线快速无损检测是可行的，为确定采摘时间和包装等级等提供新的检测手段。目前，近红外检测技术已经在同时检测水果品质的多个指标（糖度、酸度、坚实度等）中得到了广泛应用。
自2000年以来，我国也陆续开展了近红外检测技术在水果检测中的一些应用研究。有关专家以柑橘和苹果为检测对象，用完全遮光型透过光水果内部品质测定装置进行在线糖度、酸度及内部褐变等检测试验，并与常规分析法测定结果进行回归分析，结果表明：糖度值与实测值的相关系数在0.95以上，酸度相关系数大于0.85，且能检测内部缺陷，完全满足在线检测水果内部品质的要求。
2.2近红外光谱技术在木材性质检测中的应用
国外对近红外光谱技术在木材性质中的应用研究工作开展得比较早，研究的也相对广泛，如利用近红外光谱技术预测木材化学组成、物理力学性质、解剖性质、腐朽性质以及木质复合材料的性能等方面都有报道。目前，近红外光谱技术在我国林业木材性质方面的研究应用也日益展开，已有用近红外对木材密度、水分和微纤丝角以及木材腐朽性质的研究报道。木材密度是木材性质中的一项重要性质，与木材的化学组成和细胞构造密切相关，它可以估计木材的重量、判断木材的工艺性质和物理力学性质（硬度、强度、干缩以及湿涨等）。树木在其全部生命活动期间，都与水分有着密不可分的联系。水分是木材的重要特征之一，用近红外光谱分析木材性质，必须考虑水分对预测结果的影响。微纤丝角是影响木材性质的最重要的物理量之一，木材资源利用和林木品质改良都要求能快速、方便地测定木材的微纤丝角。
有关工作人士对杉木的三个不同切面（横切面、径切面、弦切面）进行了近红外光谱信息的提取及模型建立，通过对杉木不同切面密度模型及预测结果的分析与评价，发现从木材横切面采集到的光谱建立的预测模型效果最好，可以实现杉木木材密度的快速无损检测。用近红外光谱分析技术测定木材密度，具有快速、准确、无需对样品进行特殊预处理等独特优点，这为杉木的加工利用和林木遗传改良提供了重要的密度预测方法。
2.3近红外光谱检测技术在林业种子质量检测中的应用
面对大量的林业种质资源，如何进行有效的分析利用，不断地培育出优质的新品种，是林业育种学家的重要课题。近红外光谱检测技术为林业育种工作提供了一个新的快速的和非破坏性的检测方法和手段，克服了传统方法中需要解决的难题，在困外的林业品质育种和种植资源鉴定中已有一定的研究和应用。
3.结束语
国内外的大量试验研究和实践表明，近红外漫反射光谱检测技术具有常规法难以比拟的许多优越性，在水果坚实度和品质检测、木材性质检测、品质育种、种质资源鉴定等方面的应用是可行的。但进一步的深入研究还是必需的，包括尝试别的建模化学计量学方法、不同的光检测方法以及不同的光谱预处理等等，以提高检测的精度。
【参考文献】
[1]刘燕德，应义斌，傅霞萍.近红外漫反射用于检测苹果糖度及有效酸度的研究[J].光谱学与光谱分析，2005（11）.
煤矿甲烷红外检测系统 篇7
甲烷是一种易燃、易爆气体, 是矿井中瓦斯的主要成分。一般认为, 甲烷在大气中的爆炸下限为5.0%, 上限为15.0%, 在浓度为9.8%时最容易爆炸。长期以来, 国内煤矿安全监控系统普遍采用热催化元件检测甲烷浓度, 该检测方式易受高浓度甲烷和硫化物的毒化, 使用一段时间后, 存在着零点漂移、灵敏度下降等问题, 严重威胁井下人员的生命安全。本文介绍一种基于光谱吸收检测原理的煤矿甲烷红外检测系统, 该系统通过测量红外光穿过甲烷气体后的透射比计算甲烷浓度, 可有效弥补采用热催化元件检测方式的缺点[1], 保证甲烷浓度检测与报警的准确性。
1 红外差分吸收检测原理
煤矿甲烷红外检测系统是基于气体的红外选择性吸收原理设计的:具有非对称双原子或多原子分子结构的气体在中红外波段均有特征吸收光谱, 当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时, 就会发生共振吸收, 遵循朗伯-比尔定律[2]:
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式中:I (λ) 为透射光的强度;I0 (λ) 为入射光的强度;α (λ) 为气体的吸收系数;L为气体的吸收光程;C为被测气体的浓度。
考虑到光源、光探测器、背景噪声等因素引起的光强变化, 系统采用单光路、双波长结构补偿方法对甲烷气体实现差分检测。甲烷分子具有4个基频振动, 每一个基频振动对应1个光谱吸收区, 它们的波长分别为3.43 μm、6.53 μm、3.31 μm和7.66 μm[3]。本系统中, 光源为红外二极管 (LED) , 波长从可见光到5 μm, 探测器采用双通道热释电探测器, 测量滤光片的中心波长为3.31 μm, 带宽为0.15 μm, 与甲烷气体有较好的波长匹配。
红外甲烷传感器结构如图1所示, 红外光源发出的红外辐射穿过被测甲烷气体, 分别经中心波长λ1=3.31 μm的测量滤光片和中心波长λ2=4.0 μm的参考滤光片后, 分为2束单色光, 经过热释电探测器, 输出mV级的电压信号。
考虑到光路的干扰因素, 朗伯-比尔定律可以表示为
I (λ1) =K (λ1) I0 (λ1) exp[-α (λ1) LC+β (λ1) ] (2)
I (λ2) =K (λ2) I0 (λ2) exp[-α (λ2) LC+β (λ2) ] (3)
式中:K (λ) 为比例系数;β (λ) 为光路干扰系数。
由于λ1、λ2相差很小, 光同时接近和通过甲烷气体, 可以认为β (λ1) =β (λ2) , 调节光学系统, 使K (λ1) I0 (λ1) =K (λ2) I0 (λ2) , 则甲烷气体浓度可表示为
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由式 (4) 可看出, 测量系统从理论上完全消除了光路的干扰因素, 同时还消除了光源输出光功率不稳定的影响。
2 系统硬件设计
煤矿甲烷红外检测系统结构如图2所示。光源驱动电路是以NE555为核心组成的4 Hz对称方波振荡电路, 调制发光二极管, 产生测量用的方波光源信号, 该方波信号同时作为相敏检波的参考信号。光电转换后的信号经过前置放大、滤波电路和锁相放大电路后, 得到稳定的直流信号, 由微处理器S3C44B0X完成A/D转换, 并对携带甲烷浓度信息的数字量进一步滤波, 提高系统的灵敏度, 通过查表、线性插值计算出甲烷浓度, 在LCD上显示。如果甲烷浓度超限则通过声光报警电路发出报警信号, 并将浓度值通过串口上传给计算机, 实现浓度信息的保存与分析。
图2中, 锁相放大电路是一种以相关检测原理为基础的信号处理电路, 利用信号周期性和噪声随机性的差别, 通过互相关运算, 抑制噪声, 提高探测的灵敏度和信噪比[4]。
光源驱动电路输出的方波作为相敏检波的参考信号, 使相敏检波器处于开关状态。将方波参考信号展开为傅立叶级数:
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式中:n为谐波次数;f2为方波的频率。
当输入信号Us=Essin (2πf1t+φ1) 时, 则相敏检波器的输出为
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若f1=f2, 则式 (5) 中存在直流2Es/π·cos (φ1-φ2) =2Es/πcos θ, 其中θ=φ1-φ2, 为输入信号Us与方波参考信号Ur的相位差。相敏检波器的输出信号经过低通滤波器后只剩下直流分量2Es/πcos θ, 通过移相电路将输入信号Us与方波参考信号Ur的相位差调节为零, 则被检测出的信号即为与输入信号相关的直流分量2Es/π。
3 系统软件设计
微处理器选用三星公司生产的ARM7处理器S3C44B0X, 其内部集成了采用近似比较算法的8路10位ADC, 支持软件使能休眠模式, 以减少电源损耗。同时该芯片还集成了LCD控制器、2个UART通道、71个通用I/O口等部件, 能够胜任信息采集、显示、发送等功能。
系统软件主要完成初始化、数据分析处理、结果显示与传输等功能。系统上电后, 首先完成系统的初始化, 进入低功耗模式, 等待中断请求。软件采用去极值移动平滑数字滤波方法消除随机干扰, 提高了检测系统的灵敏度。ROM中存放事先标定好的线性系数, 系统工作时, 根据当前计算数据寻找相应的系数, 线性插值计算出当前的气体浓度, 并通过LCD显示, 如果气体浓度超限, 则发出报警信号。系统软件流程如图3所示。
在实现信号的放大滤波过程中, 虽然信号受到抑制, 但由于受到电子器件的限制, 信号仍受到影响, 为了提高测量精度, 本文采用去极值移动平滑法对经过A/D转换后的数字量进行滤波。该方法选择一个具有一定宽度的平滑窗口, 窗口内有n个实验点, 窗口内的数据采取先进先出的原则, xj为最近1次的采样值。将窗口内n次测量值去掉最大值和最小值后, 取平均值代替第j点的值:
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去极值移动平滑法消除了数据随机的突然变化对测量结果的影响, 既能消除脉冲干扰, 又能平滑滤波, 减少了误报警的概率。
4 实验结果
测量信号V1与参考信号V2以及甲烷浓度C存在如下关系:
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式中:N0为气体体积分数为0时测量信号V1和参考信号V2的比值;k0为比例常数;α为吸收系数;L为气体的吸收光程;C为甲烷浓度。
实验中选择气室长度L为5 cm, 采用扩散采样方式。室温条件下, 设定甲烷气体的满量程为甲烷气体的爆炸下限5%, 首先将甲烷体积分数为0时对应的N0值计算出来, 再根据实测的V1和V2计算K值, 实验中选取甲烷体积分数为0.5%、1%、…、4.5%、5%共10个点进行测量。根据测得的数据, 得到标定曲线, 如图4所示, 并将线性参数 (斜率和截距) 存入ROM中, 中间点采用线性内插求得。
正常工作时, 根据当前计算的K值和对应的线性参数计算出所测甲烷浓度。标定好系统后, 用标准甲烷气体对整个检测系统进行示值对比实验, 如表1所示。
根据公式undefined可得示值的相对误差, 其中:Cm为系统示值;Cs为标准气体浓度;R为量程, 根据表1, 可知系统的相对误差为1%。
用1%的标准甲烷气体对系统进行重复性试验, 连续运行10 h, 每1 h作为时间间隔注入标准甲烷气体, 记录数据如表2所示。由表2可以计算出单次测量的标准偏差:
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5 结论
针对现有煤矿甲烷检测装置存在的检测范围窄、寿命短、易受毒化、调校频繁等缺点, 本文设计了一种煤矿甲烷红外检测系统。该系统采用差分吸收检测原理和相敏检测技术, 使得传感器对环境光量变化、暗电流噪声、温度漂移的干扰均有一定的抑制作用。实验结果表明, 甲烷体积分数与K值呈线性关系, 所标定的传感系统的示值相对误差为1%, 气体检测具有良好的重复性。
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红外检测诊断技术分析研究 篇8
该项目对近年来供电局开展的红外检测诊断工作方法进行了总结, 通过对昆明供电局各个专业应用红外热成像仪情况 (包括输电、变电、配电) 运行情况的分析和研究, 编写了符合实际需要的《红外成像测温作业指导书》, 对作业流程、检测周期等内容进行规范。项目结合省内实际做研究, 对红外成像诊断技术的应用有所创新, 开发了省内第一个网络化的电力设备红外图谱档案管理库, 具备了红外图谱的分类管理、远方导入、查询图谱等功能, 实现了故障诊断信息与红外热像的统一管理, 为各种电气设备的运行状况管理提供重要科学依据。编辑出版了《电力设备红外检测图谱》, 该书从红外基础理论、影响红外热成像仪正确测温的因素、图谱案例分析和典型图谱等十四个方面做了论述, 为红外成像检测技术在系统内得到更广泛应用提供了借鉴。
红外目标检测和识别技术研究 篇9
关键词：红外成像,目标跟踪,目标识别
从20世纪60、70年代开始, 红外成像技术就被广泛应用于红外告警与侦查、精确制导等军事领域, 它己逐步成为现代防御系统和武器装备中除雷达外应用最多、最具发展潜力的探测技术之一。对基于红外成像技术获得的目标图像进行目标的自动检测、识别与跟踪是空空导弹的重要发展方向。因此, 开展红外成像目标检测与识别中关键技术的研究, 对于提高区域防御系统的生存能力、有效的反击能力以及在未来战场中争夺控制权具有重要的战略意义和实战价值。
1 目标的红外辐射特性
自然界中的一切物体, 只要其温度高于绝对零度 (-273℃) , 就存在分子和原子无规则的运动, 其表面就不断辐射红外线。红外线是一种电磁波, 它的波长范围为0.78~1 000μm, 不为人眼所见。物体的温度越高、发射率越大, 红外辐射能量就越大;对于红外探测元件来说, 接收到的辐射功率Ps越强。红外成像系统通过探测器接收物体表面的红外辐射, 并将其转换为电压信号, 经过放大、处理后, 将高电压量化为图像灰度。目标或背景辐射能量越大, 探测器响应输出的电压值也就越高, 对应的图像灰度值就越高, 反映在灰度图像上就越亮。图1为一架客机的红外图像, 清晰可见发动机的部位温度较高。
由于在大气中传输会对红外辐射中某些波长发生严重吸收, 在大气层内, 特别是低高度应用中, 只能选择传输中衰减较小的窗口谱段, 即近红外 (波长1~2.5µm) 、中红外 (波长2.9~5.0µm) 和远红外 (波长8~14µm) 。同时, 考虑到发动机尾喷、尾焰的主要辐射波段在中波范围内, 因此采用多元中波响应的探测器, 可以提高探测距离, 并能够较为细致地反映物体细节。
2 红外目标检测识别
检测并截获目标是跟踪目标的前提。目标检测实质是统计检测的问题, 即在满足给定的探测概率和虚警概率指标要求下发现目标。从信息处理角度来看, 目标检测就是一个从噪声中检测脉冲信号的过程。导引头系统中存在包括背景噪声、探测器噪声以及电路噪声等多种噪声。
目标检测之前, 系统一般设有信息预处理器。信息预处理器包括时域高通滤波、非均匀性校正、空间滤波等等, 可以滤除1/f噪声、空间低频部分的云层背景, 并将系统非均匀性减到最小限度。通过信息预处理器之后的系统噪声可以认为基本上由白色高斯噪声组成, 服从正态分布, 其概率密度函数为:
其中, μ为x的均值, σ为均方差。
其中, 虚警概率Pf只与TNR有关, TNR越高, Pf也就越低。检测概率Pd与SNR和TNR均有关。当虚警概率Pf一定时, TNR确定, 为提高Pd, 只有提高SNR。
导弹的攻击目标为空中高速飞行器, 结合弹载系统资源有限、实时性要求高的特点, 目标检测算法采用正灰度门限检测算法。导弹对目标的检测过程为:读取图像数据、门限分割、特征识别及检测结果。由于在判断疑似攻击目标时, 会受到各种非期望信息的干扰, 处理不好这些信息就会有相当一部份虚假对象目标被当作待攻击目标, 大幅降低检测率并提高虚警概率。因此, 选择合适的检测门限和检测判据是至关重要的。根据对目标、背景红外特性和大量试验数据的统计分析, 并参考其他型号的检测判据, 发现除盲元外, 系统噪声绝大多数处于图像灰度均值的4倍方差以内, 大部分低频背景也在4倍方差以内, 而所探测的目标基本上处于4倍方差以外, 由于目标特性均满足此规律。同时, 考虑到产品的噪声分布, 为避免系统噪声引起的截获虚警, 在截获概率为98%时, 设定最低截获灰度、截获信噪比为4是满足要求的。再结合当前图像的灰度分布, 确定最优阈值进行门限分割, 分割的结果会残留一些信噪比超过4或灰度超过限度的背景和噪声, 此时就需要通过特征识别算法进行筛选处理, 以确定待攻击目标。当截获信噪比进一步下降时, 会导致虚警概率的进一步上升, 不满足截获概率的要求。
2.1 影响红外目标探测性能的指标
国内外均使用截获灵敏阈来评价导弹的探测性能, 灵敏阈值越小, 导弹越灵敏, 探测性能越好。空空导弹的探测性能直接影响着导弹总体战技指标, 综合分析国外第四代空空导弹的相关资料, 其前向探测距离均在10km左右。截获灵敏阈值表示导弹恰好能够截获目标时入射到导弹光学系统入瞳的辐射照度。对于相同的应用环境及目标, 导弹的截获灵敏阈值越低, 相应的截获距离也就越远。
导引头的灵敏阈与光学系统参数、探测器性能、信息处理和系统设计密切相关。表1所示为国外同类产品的灵敏阈指标。
探测距离理论计算公式为:
2.2 目标截获算法
导弹攻击目标为高速飞行器, 并且这些目标通常具备高于背景的红外辐射特性;结合弹载系统资源有限、实时性要求高的特点, 红外导弹的目标检测算法通常采用信噪比门限检测, 能够保证所攻击目标的快速准确检测。其检测流程如图2所示。
2.2.1 分割算法
设置合适的分割门限, 从灰度上对图像中的目标与非目标进行分类。非目标包括:系统噪声 (盲元、随机白噪声、非均匀性残留等) 、云或者地物背景等;图像分割算法中, 设定最低检测信噪比为4, 再结合当前图像的灰度分布, 确定最优阈值进行门限分割;分割的结果会残留一些信噪比超过4的背景和噪声, 此时需要通过特征识别算法进行筛选处理, 以确定待攻击目标。
2.2.2 特征提取算法
对分割后的二值像进行标记, 将同一连通域的二值像标记为同一个目标;统计每个标记目标的特征, 包括:长、宽、面积、平均灰度、最高灰度、长宽比及位置等。
2.2.3 特征识别算法
运动特性判定, 即判断当前视场中, 疑似目标的运动是否符合连续性 (物理学规律) ;静态特征判定, 需要利用前期试验积累的经验值, 包括:目标的长、宽、面积、灰度、长宽比、灰度面积比、目标像素分布及目标灰度分布等特征的自相关和互相关特性, 确定此疑似目标是否为待攻击目标;进一步判定检测目标特征是否满足连续性;确认截获该目标, 并转入跟踪。
2.3 跟踪策略
中远距目标成像面积小, 选择目标的能量中心进行跟踪;近距离目标成像面积大, 为提高跟踪精度, 在目标上选择高灰度区域中心进行跟踪;侧向交汇时, 为排除尾焰对跟踪精度的影响, 一方面在目标上选择尾喷口跟踪;另一方面当尾焰较长时, 利用尾喷口到尾焰的灰度分布特性, 获得机身方向, 进一步选择尾喷口偏向机身方向的一端进行跟踪。
2.4 抗干扰算法
干扰起燃判定算法设计思路基于以下两点。
第一, 在忽略大气透过率, 且目标能量不变后的情况下, 导引头探测到的目标能量与弹目距离平方成反比。因此, 在导弹接近目标过程中的能量变化是连续的。
第二, 红外诱饵弹具有较高的红外能量 (在目标能量的2倍以上) , 且具有快速起燃的特性 (在0.2~0.5s时间内达到能量峰值的0.9倍以上) 。因此, 在红外诱饵弹起燃时, 导引头探测到目标能量快速增长, 目标能量变化率发生突变。
在目标跟踪过程中, 实时统计跟踪目标的能量变化率, 当判定能量变化率连续3帧发生突变时, 判定出现干扰起燃, 程序进入抗干扰状态。
3 结语
本文在以往工作和实践的基础上, 对红外目标检测和识别技术进行总结和研究, 在以后的工作中, 会更多地关注红外多目标成像及其检测和识别的方法, 多目标跟踪的研究会遇到单个目标跟踪下所无法遇到的难题, 例如, 目标之间的遮挡、交互下的跟踪、同一帧图像中启动多个跟踪器时对整个系统的实时性的影响和新目标的加入以及已跟踪目标跑出场景之外的处理等等。多目标的跟踪比单个目标的研究更具有挑战性, 也是今后有待于深入研究的课题之一。
参考文献
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红外快速缺陷检测的数值模拟 篇10
关键词：红外无损检测,定量计算,仿真分析,ANSYS
0 引言
红外缺陷检测是利用有缺陷部分和无缺陷部分的热物理性质不同,导致试件表面温度场分布不均,从而来判断缺陷情况的方法。其观测面积大且不需接触被测试件,因而不存在热接触和热平衡带来的缺点和应用范围的限制。但是由于红外线在固态中穿透能力很低,故仅凭借表面温度场的分布往往只能定性出内部是否存在缺陷,无法对缺陷的具体信息进行定量的判断[1,2]。所以只能够在已知表面温度场的情况下,通过求解导热反问题来定量的研究内部缺陷的情况。近年来许多学者进行了大量的研究,提出了LM法、共轭梯度法、边界单元法等,用来求解导热反问题。
针对含内部缺陷的长方体试件,本研究利用三维热传导方程建立了传热模型,并计算了内部缺陷深度对于表面温度场的影响。利用有限元软件ANSYS对试件进行了三维热传导仿真,并结合共轭梯度法对内部缺陷边界进行反复迭代来获得新的表面温度场[3]。通过表面温度场的比较来定量的计算和分析内部缺陷的具体情况。
1 计算缺陷深度的方法
内部存在缺陷的长方体试件如图1所示,除缺陷处以外,假设试件的其它部分各向同性,且不含内部热源。除上下两个表面外其他侧面均设为绝热。根据以上条件建立试件的热传导的方程[4]:
对于缺陷试件而言,式(1)中有、无缺陷处的试件密度分别为ρ1和ρ2,试件比热容为C1和C2,导热率为k1和k2,T表示对应的各节点温度,t为时间参数。
为了求解缺陷深度,如图2所示,对于式(1)可仅考虑其沿z轴方向的一维热传导,则式(1)可简化为:
结合热传导方程的边界条件,可解出与之相对应的无缺陷处以及有缺陷处温度随时间的变化关系为:
式中:I0—试件单位面积吸收的热能。
令式(5)导数为零,求解并化简之后得出:
根据式(6)可知对应的缺陷深度为:
式中:t—热流束加热试件时有缺陷处和无缺陷处温差最大值出现的时间。
在采用红外热像仪采集表面温度场随时间的变化情况时,在t时间附近应增大红外热像仪的采样频率,以便于达到更加精确的测量结果[5,6,7]。
2 算例与分析
本研究选用碳素钢板作为试验材料。内部缺陷设为气孔,模拟试验的环境温度为20℃,加载热流率为5 000 W/m2,钢板厚度为50 mm,缺陷厚度为20 mm。其他热物理参数如表1所示。
根据以上试验参数,本研究利用ANSYS软件对含缺陷的试件进行模拟试验,热激励强度设为5 000 W/m2,可以得出缺陷在不同深度时表面温差最大值ΔT以及达到最大值所需的时间t。试验结果如表2所示。
将表2中模拟试验得到的达到表面温差最大值ΔT的时间t代入式(7)中,通过反演计算可得出缺陷的深度。其反演计算结果如表3所示。
通过以上的相对误差分析可以得出,在热激励强度为5 000 W/m2的情况下,缺陷深度探测的极限深度约为12.5 mm左右,在此深度附近的计算值与实际值之间的误差能控制在7.2%左右。若要探测更大深度的缺陷情况需要加大热激励的强度,才能够得到较为精确的结果。
3 计算缺陷面积的方法
在实际的无损探伤过程中,不仅仅需要知道缺陷深度情况,通常还要求对损伤面积的大小进行评估。但是有缺陷的形状通常是不规则的,这给定量研究带来了很大的困难。基于导热反问题求缺陷边界形状很复杂,本研究先假设了缺陷边界的形状,利用有限元软件ANSYS求解出假设缺陷情况下试件表面温度场的分布,并与已知缺陷边界情况下的表面温度场分布进行比较。如果误差范围较大,则通过共轭梯度法不断迭代来修正缺陷边界的形状,之后再次求解比较,直到两者温度场分布情况符合误差范围为止[8,9,10]。
设缺陷边界形状函数为f(θ),结合热传导方程式(1)可以求出表面温度分布Ti→。通过红外热像仪观测可以得到表面温度分布Yi→。在本研究中Yi→为已知缺陷情况下利用ANSYS求解得到,用来代替热像仪结果进行模拟计算。
令:
通过计算使方程式(8)的值达到最小,则f(θ)为所求的缺陷边界形状函数。
利用共轭梯度法迭代求f(θ)的算法:
迭代步长为:
共轭系数为:
初次迭代时设:γ0=0
共轭搜索方向为:
迭代终止条件:
根据算例和表1所给的物理参数进行ANSYS仿真。内部缺陷形状设为一个不规则的多边形,通过ANSYS软件模拟热传导过程可以得到试件表面温度分布云图,将其结果离散并导出结点温度分布存入向量组Yi→,作为模拟计算中的准确值。
表面温度场分布如图3所示,由图3可以看出内部存在缺陷时,试件表面温度场出现温度异常区域,且温差超过红外热像仪的温度分辨率。利用红外热像仪能够很直观地定性判断试件内部是否存在缺陷。
利用共轭梯度法对图3中的内部缺陷形状进行定量计算的过程如图4所示。图4中一共经过5次迭代,并且满足了所设定的迭代终止条件J[f(θ)]<1。
迭代终止之后的最终识别结果如图5所示,如果想要得到更高的识别精度,可以通过增加迭代次数和缩小迭代步长来实现,但是其缺点是需要消耗更长的计算时间。
4 结束语
本研究在热传导理论模型的基础上,通过模拟试验从瞬态分析方面计算了缺陷深度及其对表面温度场的影响,同时根据表面温差最大值出现的时间,通过理论公式反演计算得出缺陷的深度,并进行了误差分析。通过有限元软件ANSYS得到表面温度场分布,并离散出结点温度,再利用共轭梯度法进行迭代,得出内部缺陷大小。通过模拟计算分析表明,此方法能够较为准确的估算出试件内部缺陷面积的大小。
参考文献
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红外线检测 篇11
关键词：近红外光谱技术；无损检测；苹果；应用
中图分类号：O657.61 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0032-02
苹果糖酸度和内部损伤等品质信息是苹果分级时所要检测的重要指标。通常判断一个苹果的糖酸度是通过果皮颜色来间接衡量，但表征糖度、酸度的多少还是由其内部可溶性固形物直接决定的。1912年，近红外光谱技术第一次应用于检测空气湿度；如今，近红外光谱技术结合计算机等先进技术得到了飞速发展，并越来越多地应用于农业领域。现介绍近红外光谱检测技术的发展情况，并着重阐述其在苹果检测方面的应用。
1 近红外光谱检测技术概述
近红外光是位于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之间波段的电磁波，其波长范围为780～2 526 nm，每厘米波数为3 959～12 820。由于有机分子中含氢官能团（如—OH，—NH，—CH），与近红外光频率振动的合频和各级倍频的吸收区一致，因此通过扫描样品的近红外光谱，便可以得到样品中有机分子含氢官能团的特征信息，进而对样品进行定性及定量分析。
根据探测器接收光的方式，近红外光谱技术可分为透射光谱技术和反射光谱技术。透射光谱波长为780～1 050 nm；反射光谱波长为1 050～2 500 nm。近红外光谱取决于被检测物的成分和组织，并存在一定的函数关系，通过应用化学计量方法进行函数模型校正，就可根据近红外光谱反向预测被检测物成分及含量。目前常用的校正方法有偏最小二乘法（PLS）、多元线性回归（MLR）、主成分分析（PCA）、人工神经网络（ANN）等。
2 近红外光谱技术在苹果品质检测中应用现状
苹果中的水分、碳水化合物（总糖和酸）、蛋白质、脂肪、果胶、维生素等是构成其品质的主要成分；纤维素、黄酮、激素等对苹果的风味、口感等品质具有重要影响；而农药、微生物、有机化学品等污染是导致苹果质量下降的重要因素。利用近红外无损检测技术可以完全有效地检测上述几种物质，实现苹果营养成分测量、口感检测和商品化评价检测等目的。
2.1 营养成分测量
苹果营养成分测量目前主要针对苹果的糖度、酸度、果胶等成分的测量。大多采用近红外漫反射技术对苹果主成分进行定量分析，也有少部分采用近红外透射技术；同时，配合化学计量法，对光谱数据进行多元统计分析。例如：赵杰文等人利用波长为1 300～
2 100 nm的近红外光谱仪对水晶富士苹果进行糖度检测，采用主成分回归（PCR）和偏最小二乘法（PLS）对试验数据进行统计分析，得到校正集的相关系数rc和校正标准偏差SEC分别为：0.966 7和0.391 1（PCR法），0.967 9和0.377 5（PLS法）；预测集的相关系数rp和校正标准偏差SEP分别为：0.934 0和0.523 8（PCR法），0.938 7和0.505 4（PLS法）。说明各种校正模型对于利用近红外光谱预测水晶富士苹果糖度均有很高的相关系数。
2.2 口感检测
苹果口感检测指标包括苹果硬度、果皮厚度、含水量，以及纤维素等成分的含量。目前多采用近红外漫反射技术，结合相应的校正模型，进行建模和预测。例如：李桂峰等人采用傅里叶变近红外光谱仪，在1 408～2 355 nm波段对富士苹果硬度指标进行检测，利用偏最小二乘法（PLS）建立模型，得到模型的决定系数R2为0.985 2，内部交叉验证均方根差RMSECV和预测标准偏差RMSEP分别为0.039 8 kg/cm2和0.016 6 kg/cm2；并进一步通过提出异常优化模型的R2为0.990 8，RMSEP为0.014 7 kg/cm2。结果表明：试验所建立的模型可靠，预测效果好，能满足苹果硬度检测要求。
2.3 商品化评价检测
苹果商品化评价指标包括农药残留含量、植物生长调节剂、内部褐变等信息。目前检测多为全谱扫描后，选择特定的几个波段，进行结构判断分析。例如：韩海东等人利用可见近红外连续透射技术（650～900 nm）对富士苹果的内部褐变进行研究，分析其光谱特性，选择715，750和810 nm这3个特征波长进行褐变果判别分析。具体方法为：全谱采集后，将苹果沿赤道切开，用CCD成像技术结合图像处理软件，计算褐变所占面积，划分褐变等级。结果表明：样品的正确判别率达到95.65%，可基本满足实际生产要求，因此利用近红外光谱技术检测苹果内部褐变是可行的。
3 近红外光谱技术在苹果品质检测中应用需研究的问题
近红外光谱技术虽然具有无损检测、适用范围广等特点，但作为一种间接检测方法，其与传统的检测手段相比，存在两方面不足：一是定量分析中的精度问题，二是苹果物理特性和环境因素的影响问题。这二者是制约近红外光谱技术走出实验室与实际生产相结合的“瓶颈”问题，需要科研工作者和仪器厂家共同关注。
3.1 定量分析中的精度问题
近红外光谱分析仪器的定量分析精度问题体现在两方面：一是与其自身的信噪比、波长稳定性、有效检测范围、检验重复性等有关；二是所参考理化分析方法的精度，也直接影响定标模型所给出的测量结果精度。因此，要想进一步提高理化参考分析方法的精度，提高仪器测得的近红外光谱吸光度数据与理化分析值的相关性等，也需要理化学科同步发展。
3.2 苹果物理特性和环境因素影响问题
在对同一品种的苹果进行某一指标的近红外光谱检测时，苹果的大小及形状、照射位置的不同都会对模型的建立和预测结果有显著影响，所以目前的苹果分级流水线为解决这一问题，大都采用多种检测仪器配合使用。例如，在近红外光谱检测前，利用质量传感器、CCD成像传感器和位置传感器等仪器先进行初步分级分选。
另外，同一品种的苹果受环境因素（温度、湿度、储藏时间等）影响，其内部品质会随时间推移而发生变化。例如，用对某一品种苹果的某一品质在采摘时所作的定量建模，去预测储藏很久的苹果，则所得的结果并不能反映其真实值。目前，对于综合考虑各种环境因素的方法，尚待研究与探索。
4 结语
我国是苹果生产大国，但苹果分级方式却相对落后，因此苹果的深层次分级日益受到关注。近红外光谱技术作为无损检测的主要手段，完全适用于苹果的检测。目前存在的主要问题有：一是部分流水线上的设备只能检测苹果的单一性状指标；二是苹果的近红外光谱数据库不完善。今后近红外光谱检测的一个主流方向就是在线无损检测，即在丰富的近红外光谱数据库前提下，对于不同的检测物及检测指标，调取相应的数学模型进行检测。
参考文献
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中红外波伪装效果检测光学设计 篇12
1 目标红外辐射源
目标红外辐射源的探测与自然红外辐射源密切相关,地球表面的热辐射有地球本身的热辐射和反射的太阳辐射两部分组成[1,2,3]。每一种分布都有两个峰值,一个在波长λ=0.5μm处,另一个在λ=10μm区域,在3μm-5μm之间有一个极小值。在军用设备导弹、坦克等发动机尾喷管,产生大量热辐射,这些热辐射的峰值集中在中红外波(3μm-5μm)波段。
2 技术指标和外形尺寸计算
2.1 技术指标
工作波段:3μm-5μm;探测距离:2000m;视场角:2ω=5°。
2.2 外形尺寸计算
在中红外波成像系统的设计中,采用320×256制冷型平面焦平面探测器。探测器主要技术参数为:探测器材料选用Hg CdTe像素320×256,像元尺寸30μm,响应波段3μm-5μm。
由系统的参数可知:成像尺寸:9.6mm×7.68mm;半对角线尺寸:
由ymax=-f′tanω,相对孔径D/f′=1∶2,则f′=140.8mm,D=70.4mm;数据规整后,f′=140mm,D=70mm。由y′=yβ=yf′/x,则可得到地面收容面积:
3 镜头类型和像差校正
3.1 选用镜头类型
在摄影镜头类型中,匹兹万适用于相对孔径大,视场角偏小。由系统的相对孔径1∶2,视场角2ω=5°,所以采用匹兹万镜头结构,布局图如图1所示,其初始结构中的球差很大。
3.2 像差分析和结论
匹兹万镜头是由两个分开的正光组透镜构成,该物镜曲率半径比较大;但两组分开(两正光焦度分开),场曲却增大了;要校正场曲,则球差与彗差就会增大。因此该镜头对球面和色差可以校正的很好,但却存在严重的场曲现象。本文在校正像差时把前后两组双胶合改为双分离式的。虽然在校正像差方面稍有提高,但是仍然存在较大的场曲,为了很好的校正结构中存在的场曲,镜头在焦面附近加了一个负场镜,校正场曲。
从校正好的光学系统的像差曲线来看,本设计的MTF接近衍射极限,能量比较集中(图2),球差得到了很好的校正(图3),尤其是本系统中比较难校正的像散和场曲,这里都得到了很好地消除。
4 结语
本文对中波红外成像系统的设计达到了其要求的技术指标,实现了远距离目标探测,并达到了接近衍射极限像质,从而达到检测中波红外伪装效果。虽然匹兹万镜头有结构总长较长的缺陷,但由于本系统对长度和重量要求不高,所以不会造成影响。
摘要：本设计可用于中红外波伪装效果的检测,它以中红外波光学成像为原理,通过分析目标辐射源和计算外形尺寸,确定镜头初始结构,校正像差,使辐射源清晰地成像在探测器上,完成检测。
关键词：伪装效果检测,中红外波光学成像,目标辐射源,探测器
参考文献
[1]张以谟.应用光学[M].北京:电子工业出版社,2008.
[2]吴宗凡,柳美琳,张绍举,等.红外与微光技术[M].北京:国防工业出版社,1998.