光强测量（共6篇）
光强测量 篇1
0前言
温度、湿度、光照度和人类的生产、生活有着密切的关系,同时也是博物馆文物保护中最常见最基本的参数,例如不同的温度可能会造成珍贵文物的过早氧化,而湿度的大小也同样对于文物的保护有着重要的意义,还有光的强度也会对文物的材质有着很大的影响,所以对温度、湿度及光照度的检测及控制就非常有必要了。传统的方法是用温度表、双金属式测量计、等手段,通过人工进行检测,对不符合温度、湿度、光照度要求的环境进行通风、去湿、降温、采光等工作。随着生产的发展,一个低成本和具有较高精度的环境测量仪在许多领域会代替人工操作。为此,本设计开发了一种能够同时测量多点,并实时性高、精度高,能够综合处理多点温湿度、光照度信息的设计方案。
1单片机的选择
基于性价比的考虑,在电子设计中8位单片机仍是首选。在8位单片机中又以MCS-51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。通过内部资源比较,单片机芯片我们选择STC12C5A60S2,STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制,强干扰场合。
2传感器的选择
2.1光强传感器
2.1.1 TSL2561简介
TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。
2.1.2 TSL2561的引脚功能
TSL2561有2种封装形式:6LEAD CHIPSCALE和6LEAD TMB。封装形式不同,相应的光照度计算公式也不同。
各引脚的功能如下:
脚1和脚3:分别是电源引脚和信号地。其工作电压范围是2.7~3.5V。
脚2:器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同,该器件有3个不同的访问地址。
脚4和脚6:I2C或SMBus总线的时钟信号线和数据线。
脚5:中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程配置的上或下阈值时,器件会输出一个中断信号。
2.1.3 TSL2561的内部结构和工作原理
TSL2561是第二代周围环境光强度传感器。通道0和通道1是两个光敏二极管,其中通道0对可见光和红外线都敏感,而通道1仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分,并转换为数字量,在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。当一个积分周期完成之后,积分式A/D转换器将自动开始下一个积分转换过程。微控制器和TSL2561可通过标准的SMBus(System Management Bus)V1.1或V2.0实现,TSL2561则可通过I2C总线协议访问。
2.1.4硬件设计
TSL2561能够通过I2C总线访问,所以硬件接口电路很简单。假如所选用的微控制器带有I2C总线控制器,则将该总线的时钟线和数据线直接和TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连;假如微控制器内部没有上拉电阻,则还需要再用2个上拉电阻接到总线上。假如微控制器不带I2C总线控制器,则将TSL2561的I2C总线的SCL和SDA和普通I/O口连接即可[6];但编程时需要模拟I2C总线的时序来访问TSL2561,INT引脚接微控制器的外部中断。
2.2温度传感器
2.2.1 DS18B20功能特点
1)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
2)测温范围-55℃~+125℃,固有测温误差1℃。
3)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,最多只能并联8个,实现多点测温,如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定。
4)工作电源:3.0~5.5V/DC(可以数据线寄生电源)。
5)在使用中不需要任何外围元件。
6)测量结果以9~12位数字量方式串行传送。
7)用户可定义的非易失性温度报警设置。
2.2.2 DS18B20结构和工作原理
64位只读存储器储存器件的唯一片序列号。高速暂存器含有两个字节的温度寄存器,这两个寄存器用来存储温度传感器输出的数据。除此之外,高速暂存器提供一个直接的温度报警值寄存器(TH和TL),和一个字节的的配置寄存器。配置寄存器允许用户将温度的精度设定为9,10,11或12位。TH,TL和配置寄存器是非易失性的可擦除程序寄存器(EEPROM),所以存储的数据在器件掉电时不会消失。DS18B20通过达拉斯公司独有的单总线协议依靠一个单线端口通讯。当全部器件经由一个3态端口或者漏极开路端口(DQ引脚在DS18B20上的情况下)与总线连接的时候,控制线需要连接一个弱上拉电阻。在这个总线系统中,微控制器(主器件)依靠每个器件独有的64位片序列号辨认总线上的器件和记录总线上的器件地址。由于每个装置有一个独特的片序列码,总线可以连接的器件数目事实上是无限的。
2.2.3硬件设计
DS18B20可以通过从VDD引脚接入一个外部电源供电,或者可以工作于寄生电源模式,该模式允许DS18B20工作于无外部电源需求状态。当总线为高电平时,寄生电源由单总线通过VDD引脚。这个电路会在总线处于高电平时偷能量,部分汲取的能量存储在寄生电源储能电容内,在总线处于低电平时释放能量以提供给器件能量]。用漏极开路把I/O直接拉到电源上就可以实现DS18B20有充足的供电。在发出温度转换指令或拷贝暂存器指令之后,必须在至多10us之内把单总线转换到强上拉,并且在温度转换时序或拷贝数据时序必须一直保持为强上拉状态。对DS18B20供电的另一种传统办法是从VDD引脚接入一个外部电源。这样做的好处是单总线上不需要强上拉。而且总线不用在温度转换期间总保持高电平。温度高于100℃时,不推荐使用寄生电源,因为DS18B20在这种温度下表现出的漏电流比较大。
2.3湿度传感器
2.3.1 DHT11引脚说明及工作原理
数字湿温度传感器采用单总线数据格式。即单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte(40Bit)组成。一次通讯时间最大3ms,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明。DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,当前小数部分用于以后扩展,现读出为0。操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和,校验和数据为前四个字节相加。
2.3.2 DHT11与单片机连接的设计
DHT11数字湿温度传感器连接电路简单,只需要占用控制器一个I/O口即可完成上下位的连接[8]。另外,建议连接线长度短于20时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
3其他硬件模块的设计
3.1复位电路
单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后,在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲(即两个机器周期)以上的高电平,单片机便可以实现复位。在复位期间,单片机的ALE引脚和PSEN引脚均输出高电平。当RST引脚从高电平跳变为低电平后,单片机便从0000H单元开始执行程序。
在实际应用中,一般采用既可以手动复位,又可以上电复位的电路,这样可以人工复位单片机系统。上电复位电路部分的原理也是RC电路的充放电效应。除了系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号外,当按下按键开关的时候,VCC通过一个高电阻连接到RST引脚,给RST一个高电平,按键松开的时候,RST引脚恢复为低电平,复位完成。
3.2晶振电路
时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号,STC89C52单片机内部包含有一个振荡器,可以用于CPU的时钟源。另外也可以采用外部振荡器,由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。
3.3显示模块
在单片机应用系统设计中,一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。显示器作为输出部件,可以将系统的运行结果、状态等信息直观地显示出来供操作者了解系统的运行情况和程序的执行结果,本次设计的温湿度、光照度实时信息采用LCD12864来显示。
3.4报警电路
压电式蜂鸣器约10m A的驱动电流,可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动,在此选用一个三极管来做驱动。P2.5接三极管输入端,当P2.5输出低电平时,三极管导通,压电式蜂鸣器两端获得+5V电压而发出报警,当P2.5输出为高电平时,三极管截止,蜂鸣器[12]停止工作。
4整体设计
本方案以STC89C51单片机系统为核心来对温度、湿度、光照度进行实时检测。各检测单元能独立完成各自功能。单片机负责发送控制指令,并控制各个检测模块进行数据采集,收集测量数据,同时对测量结果进行整理和显示。通过软件编程设定报警值,一旦检测数据超过阈值,蜂鸣器实现报警。整体包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、光照度检测、报警电路、系统软件等部分的设计。
摘要：温度、湿度、光照是文物保护的基本因素,传统的测量方法费事费力,效率低,且随机性大,本文通过设计基于STC12C5A60S2单片机,综合利用传感器技术、数字电子技术和LCD显示等知识知识的测量系统达到自动检测室内环境温度、湿度及光强的目的,并在超过阈值时进行报警,并行性高,且能够处理多点温湿度,光强等信息。
关键词：单片机,光强,温度,湿度,测量
LED远场光强分布测试平台设计 篇2
LED是一种谱带较宽、角发散较大的非相干光源。由于LED结构简单、易调制、可靠性好, 且对温度不甚敏感, 从仪器设备的指示到空间照明、光环境设计[1], L E D广泛应用在生产生活的各个领域。由于在使用中LED受背景光的影响, 远场分布特征并不能和理想情况一致, 本文研制了LED远场光强分布实验平台, 实现对各种LED点光源的光强测量, 并描述其光强分布;由远场某点的光强可体现出光源的稳定性。
2 测试原理
3 实验平台设计
基于上述光强分布原理, 设计了远场光强分布测试平台, 基本结构如图1。主要完成沿光轴水平面的远场光强分布测量, 包括角平面的测量和直线方向测量, 为了便于操作, 将L E D光源和光电接收器安装在同一直形导轨上, 并在L E D和接收器上各安装一个步进电机, 使LED光源实现在±90o内旋转, LED光轴与接收器成θ夹角;接收器在与导轨平行的方向上实现水平移动, 便于测量在光线传播方向上的光强值, 实现二维平面内光路变换。测量光路和机械部分结合在一起, 合并为光路部分。电路部分通过光电探测器获取光信号进行光电转换与信号处理, 通过驱动步进电机和光源实现远场光强值的测量, 并与计算机连接对测量值进一步处理[5]。
4 电路设计
测试平台的电路设计包括L E D光源发射端电路设计和接收器端电路设计。L E D光源发射端包括L E D光源, 光源的脉冲调制电路和控制光源转动的步进电机驱动电路。接收端包括光电转换电路, 信号处理模块和模数转换接口电路, 与P C机相连的串行通信接口电路。电路结构中, 步进电机与LED光源、与光电接收器之间为机械连接, 其他各模块之间为电信号连接。
实验平台初始时L E D光源受步进电机驱动旋转至光轴与导轨垂直位置, 测量过程中单片机控制步进电机往光电接收器方向转动LED光源, 与光电接收器对准后继续转直至光轴与导轨再次垂直;LED光源经光源调制电路按2Khz的频率发出脉冲光。光电接收器将光信号转换后经信号处理模块转换成直流量, 由单片机内置模数转换接口电路采集, 进一步的数据处理经串行接口进入P C机完成。
4.1 LED光源发射端
L E D光源受光源调制电路和步进电机驱动电路控制。为保证光源的使用寿命, 同时也降低光源功率的起伏, 采用频率调制方式, 通过脉冲波形控制LED光源以2 K h z的频率发射。调制电路如图2。1Mhz晶振和分频器构成2Khz频率信号, 经运放、场效应管和串接电47pf|R7C 6 f a.iuf丁R 8R12R 9VCC|C8j Muf Vin Vs+C ftote-Caw C10=01uf R101[C13丁O.liif—L-o.iuf^||C1110UF IF~C12Ir^l>R131 k·VCCC140.1uf (a) 光接收 (b) 有效值变换图3接收端信号处理电路 (C) 放大阻构成恒流源, 保证L E D稳定工作。光源调制电路在光源上的加载受单片机P2.4端口dr_c控制。步进电机驱动采用UNL2003专用模块, 步进值和步进方向由单片机提供。4.2接收端综合考虑器件的光照特性、光谱特性, 频率特性、温度特性, 本平台接收端采用了光敏面为4 m m x 4 m m的硅光电二极管作为光电接收器, 光谱响应范围宽, 稳定性灵敏度高, 是目前使用最广泛的光生伏特器件。硅光电二极管接收光信号后, 进行包括电流-电压变换、真有效值变换、放大电路的信号处理模块, 由ADC接口电路将采集到的电信号输入单片机、PC机完成数据的进一步处理与显示。4.2.1信号处理电路设计信号处理电路包含电流-电压变换、真有效值变换、放大电路。光信号经硅光电池接收后形成光电流, 光电流与光强成正比, 此时光信号变为电信号。电流-电压变换电路如图3 (a) , 光电池釆用反偏接法, 外接20K可调精密电并联瓷片电容去除高频干扰, 获得输出电压为:u
5 测量结果
P C端使用M A T L A B应用软件编程, 设置串口波特率、校验位与单片机端一致。在每个平移步进内, 接收到13组光强数据, 每组10个, 将每组数据检验取平均值。沿光轴的水平面上光强值分布如图5所示, 在旋转角00时光强值最大, 向±90o方向扩展时光强值减小, 在00附近类似余弦函数。以0.5cm处取值为例, 45O内以f (x) =a⋅sin (b⋅x+c) 为拟合形式, 得拟合参数a=5523, b=.004423, c=.1658。分别提取00、150、300、450、600、750处光强值做光强-距离图, 如图6, 实线为按指数函数拟合后曲线, 与测量值基本重合, 表明了在直线传播路径上呈指数衰减的分布特征。
图5、图6也表明, 在LED的远场光强分布中, 二维平面及三维空间中的某点光强值直接决定于光源强度I (X, Y, Z) =I0f (x, y, z) , 该点的光强可以反映出光源的变化情况。在辐射角内取任意两点测量其光强值, 一小时的连续测量中两组光强的稳定情况如图7, 变化趋势一致, 变化幅度约为1%, 与光源的稳定性一致。
6 结束语
该测试平台以光源的角分布和朗伯定律为设计依据, 通过光机电算完成了平台设计。利用该测试平台实现了对LED点光源的光强测量, 并描述其光强分布;测量结果体现出距离、辐射角度与光源强度的关系;由远场某点的光强可描述出光源的稳定性。
参考文献
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光强测量 篇3
LED进入照明领域后, 凭借低能耗、高光效、快响应、长寿命等诸多优势迅速成为照明行业的骄子, 这十几年来飞速发展, LED统领照明领域已成不可阻挡之势。但LED发出的光为朗伯分布, 很难更广泛用于照明, 由于不同照明场景有着不同的要求, 需要进行光学设计, 于是一门崭新的学科——LED二次光学设计应运而生。对LED芯片的封装等视为一次光学设计, 根据一次光学设计的结果设计出折射透镜及反光罩等光学元件以满足应用的光学设计过程视为二次光学设计。二次光学设计的主要任务是将朗伯型配光改造成能应用于不同场景照明的配光, 对LED在照明领域的应用起着至关重要的作用。
自从H.Ries[1]等人于2002年提出曲面裁剪法计算自由曲面以来, 国内外许多学者展开了对LED自由曲面透镜的大量研究, 计算思路主要分为两种:一种是曲面裁剪法[2,3,4,5];另一种是解微分方程法[6,7,8]。设计完成后若不能满足要求需对透镜进行优化[9]。解微分方程法精确、误差小, 效果很好, 但不够灵活;曲面裁剪法灵活但误差较大, 可通过增加计算点的数量来减小误差, 将误差控制在可以接受的范围。以上两种方法都是基于等照度进行设计的, 对于观察者而言观察面上各点的反射系数差异很大, 如道路照明中便有CJJ45-2015城市道路照明设计标准[10]中给出相对于观察者不同位置处的亮度系数, 实践已经证明等照度配光在被照面会产生严重的斑马纹, 是照明中需要避免的。此时等照度照明已经不再适用, 等亮度照明能够很好地解决这一问题。设计者可根据标准中的简化系数表计算出各点所需光强, 继而根据光强分布进行透镜设计, 使得照明面各点亮度一致。文中首次提出根据光强分布进行LED二次光学透镜的方法, 该方法从光通量及光强的关系出发, 严格遵从能量守恒, 将灯珠出射某一立体角内的光通量与经透镜折射后的另一立体角对应, 将LED灯珠近乎所有光线折射于照明面, 充分利用了光源的光能量。再根据给定的配光要求设计出了旋转对称的蝙蝠翼配光透镜, 所得结果与目标值在极小的误差范围内一致, 充分说明根据光强分布进行透镜设计方法的可靠性与精确性。研究结果对于LED光源的二次光学设计有参考意义, 能够大幅度提升二次光学设计的效率, 有助于进一步推进LED在各领域的普及。
1 理论分析
1.1 能量守恒
为便于表述, 先确定坐标系, 采用球坐标系, 如图1所示, 其中ρ为空间一点A到原点的距离, φ为OA与y轴夹角, θ为OA在xz平面的投影与z轴的夹角。
令LED光源位于原点位置, 最大光强为I0, 则出射光强空间分布为:
不计任何损耗, 经透镜折射后出射的光通量与光源出射的光通量应等值, 表示为:
式中:
Ω——为光线从光源出射所对应的立体角;
Ω'——为光线经透镜折射后所对应的立体角;
γ——为经透镜折射的出射光线与z轴的夹角;
I (γ) ——为光强与的函数, 如图2所示。
对立体角微分得:
公式 (2) 的微分形式可写为:
现只分析xz平面, 等式两边均为与φ无关的量, 整理后得到:
将上式离散化得:
依据此式定义γ1即可求出γ2, 依次类推可得到离散化后的所有值。由于透镜与照明面距离远大于透镜尺寸, 可近似把目标照明面上的点与透镜外表面出射点的连线视作目标照明面上的点与原点的连线, 从而可由几何关系得到出射光线与z轴夹角为γi的光线与目标照明点Txi的关系:
1.2 折射定律
折射定律向量表达式为:
式中:
——曲面法向量;
——光线入射透镜的入射向量;
——光线经透镜折射后的出射向量;
n——为透镜折射率。
根据以上步骤确定了从光源出射与z轴成θi的光线经透镜折射后要入射到照明面Txi点上, 现只需结合几何折射定律确定各条光线经透镜折射的出射点也就是透镜外曲面上点的位置即可。采用迭代算法:
(1) 将θ离散化为θ1, θ2, …, θi;
(2) 根据公式 (6) 、 (7) 依次计算出Tx1, Tx2, …, Txi;
(3) 令透镜外曲面上点的位置为 (x1, z1) , (x2, z2) …, (xi, zi) 求出光线入射透镜外曲面的向量及光线经透镜折射后的出射向量;
(4) 根据公式 (8) 求出1, 2, …, i;
(5) 步骤 (4) 中求出的法向量为曲面的法向量, 若两点之间间隔足够小, 可将该两点的连线视为曲面的切向量, 又知曲面切向量与法向量垂直, 从而可依次求出曲面上各点坐标 (x1, z1) , (x2, z2) , …, (xi, zi) 。
2 设计
假定所要得到的光强分布为旋转对称, 具体分布如图3所示。
对此配光进行数据读取, 并根据所得坐标点进行函数拟合, 可将光强分布拟合为的函数, 如下所示:
目标光强分布为旋转对称的, 采用1.2节中步骤 (1) 至 (5) 可以得出一条曲线, 将曲线导入Solid Works软件中进行建模, 在透镜底部挖掉一个半球以便嵌入灯珠, 得到透镜外形如图4所示。
3 验证
将透镜导入Trace Pro中进行光线追迹, 在原点处设置一个朗伯型点光源, 追迹光线100万条, 得到的配光如图5所示, 与图3中光强分布几乎一致, 可见计算的精确性。图6为距离光源10 m处接收面的照度图, 有90%以上的能量都被接收到, 证明透镜对光线的控制很精确, 充分利用了光源能量。
4 案例分析
根据上述设计方法, 设计一款LED透镜, 应用于LED灯具上。图7为90P透镜, 图8为采用90P透镜的LED路灯, 功率为130W。采用DIALux软件进行模拟, 双向四车道, 双侧对称排列, 模拟结果如图9所示, 图10为伪色显示图。从图9可知, 观察器1至观察器4的平均亮度基本相同, U0、Ul值基本相同, 实现等亮度照明。
5 结论
文中首次提出根据光强分布进行LED二次光学设计的理论, 从能量守恒出发, 围绕光通量与光强的关系进行探究, 得到了根据光强分布即可逆向推算出透镜的方法。用一实例证明了该方法不仅简单直观, 而且精确可靠, 为LED二次光学透镜提出了一种全新的设计方法, 随着LED在各个领域的普及, 这种简单精确的设计理论也将有广阔的应用空间。
参考文献
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光强测量 篇4
随着计算机技术、通信技术、微电子技术的迅速发展,以及现代军事战争的复杂性日益提高,各种面向复杂应用背景的多传感器数据系统也随之大量涌现,因而数据处理的自动化程度正在逐步提高,由原来单一传感器数据处理发展为多传感器数据处理。在多传感器系统中,信息表现形式的多样性,信息容量以及信息的处理速度等要求,都已大大超出人脑的信息综合能力,为了充分利用越来越多的复杂的多元数据,需要将更多的补充信息合并入一个新的数据集中。信息融合技术是一种很有效的、综合的从大量数据中提取信息的技术[4]。图像融合作为数据融合的重要组成部分,是一种可视的信息融合技术,它综合了传感器技术、图像与信号处理、计算机技术、人工智能、统计与估计理论等许多科学的高新技术。
由于图像融合技术的实施能够克服单一传感器获取的影像在几何、光谱和空间分辨等方面存在的局限性和差异性,以增强图像的可靠性和图像的解释能力,从而提高数据分类和目标识别能力。文中是针对红外偏振和红外光强的成像差异特性来获得两幅图像的融合图像,从而把两幅图像各自的优势进行互补,达到改善检测、分类、理解、识别性能,获取补充的图像数据信息[5]。
1 图像的二维离散小波变换(DWT)
二维离散小波变换是多分辨率图像融合的一种有效方法,它可以将原始图像分解成一系列具有不同空间分辨率和频域特性的子图像,充分反映源图像的局部变化特征,将源图像分解到一系列频带中,利用分解后的塔形结构,将待融合图像各自携带的特征与细节在多个分解层、多个频带上进行融合,符合人眼对不同方向的高频分量具有不同分辨率这一视觉特性,因此可以获得视觉效果更佳的融合图像。
1.1 图像的二维离散小波变换原理
二维图像经小波分解后,可得到低频子图像和水平、垂直、对角这三个方向的高频子图像。低频子图像还可以继续再逐级分解。因此若对二维图像进行N层小波分解,最终将有3N+1个不同频带分量,其中包括3N个高频分量和1个低频分量。当N=2时,图像的小波分解图如图1所示。
Mallat提出了小波变换的快速分解与重构算法,该算法利用两个一维滤波器实现对二维图像的快速小波分解,再利用两个一维重构滤波器实现图像的重构。设H(低通)和G(高通)为两个一维镜像滤波算子,r和c分别对应于图像的行和列,按照Mallat算法,则在尺度j下有如下分解公式[6]
其中,Cj+1,D1j+1,D2j+1,D3j+1分别对应于图像的低频成分,垂直方向上的高频成分,水平方向上的高频成分,对角方向上的高频成分。与之相应的二维图像的Mallat重构算法为
式中,H*和G*分别为H和G的共轭转置矩阵。其中低频部分反应了源图像的近似和平均特性,三个高频分量都是图像的细节部分,反应了图像的边缘信息。
2 基于二维离散小波变换的图像融合方法
下面以红外偏振与红外光强的融合为例,说明基于二维离散小波变换的图像融合原理,对于多幅图像的融合方法可由此类推。基于二维离散小波变换的图像融合法的结构图如2所示。首先对源图像分别进行DWT变换,使源图像分解为含有不同尺度、不同频率成分的小波系数,小波系数中的近似系数就是源图像的低频成分,小波系数中的细节系数就是源图像的高频成分。从而建立各图像的小波塔形分解。然后对各个不同的小波系数进行融合处理,不同频率的各层根据不同的要求采用不同的融合算子进行融合处理,最终得到融合小波金字塔。对融合后的小波金字塔进行小波逆变换,即图像重构,所得的重构图像即为融合图像。这样可有效地将来自不同的图像的细节融合在一起,以满足实际要求,同时有利于人的视觉观察。
2.1 近似系数的融合规则
图像的近似系数主要反映了图像的近似和平均信息,包含了图像的主要能量,决定了图像的主要形状和纹理。正确地选择低频的融合规则,对提高图像视觉效果是非常重要的。目前,大部分融合只是对高频系数进行研究,对低频子带系数只是用简单的加权平均的融合规则来选取相应的系数,在一定程度上降低了图像的清晰度,从而使得源图像中的一些有用信息丢失[7]。
文中提出一种基于局部能量的系数融合规则[8]:在近似图像中分别选取待融合像素点(i,j)为中心,大小为3×3的区域窗口。则红外偏振和红外光强窗口的区域能量EP(i,j)和EI(i,j)分别为
其中,W(m,n)为加权系数矩阵,CP0(i,j)和CI0(i,j)分别为源图像近似系数在(i,j)处的像素点,选择能量较大的区域中心点像素值作为融合图像在该区域的中心点像素值,表示为
2.2 细节系数的融合规则
细节系数代表着图像的高频信息,在图像的成像过程难免会有一些噪声的干扰,所以在进行融合细节系数前对细节系数做了中值滤波处理。
由于亮度突变信息决定了融合图像的边缘、纹理等细节信息。区域方差反映了区域内像素灰度值与其平均值的偏离程度,区域方差越大,说明区域内各个像素的差别越大,越可能是图像中目标的边缘或是轮廓特征。因此文中采用局部方差作为衡量一个区域目标特征显著性的度量值[9]。则窗口为3×3的区域方差可表示为
式中,表示红外偏振和红外光强第j层以(m,n)为中心的局部方差,k取h,v,d。h代表水平方向,v代表垂直方向,d代表对角方向。分别表示红外偏振和红外光强以(m,n)为中心的区域像素的灰度均值。W(p,q)为加权系数。计算局部区域的方差的匹配度
式中,Mjk表示第j尺度的匹配度,它的取值在0～1之间变化,如果设定一个阈值T(T=0.2),如果Mjk
当Mjk≥T时,说明两幅图像之间的相关性较高,采用加权融合规则,则有
取加权系数为式中,DkPj(m,n),DkIj(m,n),Fjk(m,n)分别为红外偏振图像P、红外光强图像I和融合图像F在点(m,n)相对应的灰度值。
3 融合结果分析
图3和图4是来自文献[10]的同一场景的红外光强图像和红外偏振图像。图3是红外热像仪对物体的辐射所成的像,整体的亮度较大,尤其在房屋的边缘、车身、井盖、背景天空和树的整体较亮,但是细节信息不明显。如车灯、车顶、树叶的形状不明显。图4是红外热像仪在前端加上偏振片后所成的像,由于偏振片只能在某个方向上成像,所以图像的整体亮度较低,但是在成像过程中偏振特性信息的引入,使得所得到的偏振图像的细节信息较为突出,如房屋的边缘、树叶的形状、车灯、车顶和道路的边缘较为突出。由于两幅图像的成像特性差异具有互补性,所以文中将这两幅图像进行了融合,如图5和图6所示为文中所实现的融合图像。图5采用了直接平均和最大值的融合方法而图6采用本课题组研究的基于区域能量、中值滤波和局部区域方差的融合方法。
3.1 定性分析
从图5和图6可以看出,两幅融合图像均把红外光强和红外偏振的信息融合在一起,信息量明显增加,而且图像更加清晰,如它们在MATLAB中的三维灰度投影图如图7～图10所示。
可以看出,融合图像a比融合图像b的整体亮度大,如房子的墙身、路的周围、车身、树的主干和背景的亮度大,但是目标与背景的对比度明显减小,而且有些模糊,不利于人眼的观察。在融合图像b中可以看出目标的亮度大,如房子的边缘、车灯、路面,背景的亮度小,如车后的树、道路的边缘以及天空。还可以明显看出融合图像b的车灯比a的亮,树叶的细节信息比a的多。
3.2 定量分析
为了定量评价融合图像的效果,选取信息熵、标准偏差、粗糙度、目标背景对比度[8]作为客观评价指标。如表1所示。
4 结论
在DWT变换的基础上,针对融合规则,提出了一种红外偏振与光强图像融合方法。首先对待融合图像进行DWT分解,然后对低频子带系数和高频子带系数分别进行局部区域能量和局部区域方差的融合。实验结果表明,与直接平均与取绝对值较大的融合规则相比,该算法很好地将红外偏振图像与红外光强图像中的互补信息提取并融合到一幅图像中,图像在整体效果、细节信息、边缘特征、目标背景对比度等方面改善效果显著,有助于场景的理解与识别。
摘要：提出了一种基于离散小波变换DWT(discrete wavelet transform)的红外偏振与光强的融合方法。该算法采用DWT对源图像进行多尺度分解,然后对低频子带系数采用局部能量融合,而对高频子带系数采用消除高频噪声与局部均方差准则结合进行融合,最终通过逆变换得到重构的融合图像。实验结果表明,与加权平均融合和绝对值较大法的融合规则相比,局部标准偏差、粗糙度、对比度、局部熵分别提高了1.1%,3.0%,15.2%,2.6%,从而可以看出文中的融合方法具有一定的优势和现实意义。
关键词：红外偏振,红外光强,离散小波变换,融合规则
参考文献
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[6]余慧.多聚焦图像融合算法研究[D].南京:河海大学,2006.
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光强测量 篇5
一、自动跟踪系统原理
光伏发电自动跟踪系统整体框图如图1所示, 该系统将光电跟踪方式与太阳运动轨迹追踪方式相结合, 以单片机控制器作为控制核心, 通过Modbus总线协议接收来自光强检测模块输出的光强值。太阳能电池板是安装在二维电机转动架上[5], 光强检测模块放置于太阳能电池板的正中央, 两者保持平行。根据光强值的大小, 控制二维电机的转动, 从而实现对太阳的跟踪。基于光强检测对整个自动跟踪系统的重要性, 本文主要对光强检测进行了设计和研究。
二、光强检测硬件设计
光强检测是光伏发电自动跟踪系统的重要环节, 自动跟踪系统是根据检测到的光强值来判断二维电机的运动方向。在设计光强检测模块时, 其基本出发点就是要合理的利用现有工艺条件, 采用单片机控制技术对实时采集的光强信号进行接收和处理, 经过A/D转换后的光强信号传输到单片机中, 单片机再通过Modbus总线协议传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器。
2.1器件选型
本设计选用ATMEL公司的AVR系列单片机Atmaga8作为主控芯片, 其价格低廉, 具有功能强大的定时器/计数器及通讯接口, 并且内置EEPROM[4]。
作为光强检测, 光强传感器的好坏直接影响整个系统的运行情况。本设计采用TAOS公司推出的一款高速、低功耗、可编程的光强度数字转换芯片TSL256x。内部结构图如图2所示, 该芯片是第二代周围环境光强度传感器。
2.2原理图设计
光强检测原理图如图3所示, 将TSL2560T的引脚SCL连接于Atmaga8的PC5, 引脚SDA连接于单片机的PC4。单片机只需要以PC4和PC5来模拟SMBus总线就可以读取TSL2560T的ADC寄存器中的光强值。TSL2560T中有两个转换通道, 分别为通道0和通道1, 其中通道0是转换可见光和红外线的通道;通道1仅仅只转换红外线。自动跟踪系统只是跟随着可见光光强值最大的方向运转, 如此, 通道1是作为一个补偿的通道, 补偿掉通道0中的红外线, 最后可以唯一得到可见光的光强值。
为了实现将采集到的光强值正常传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器, 本设计采用传输距离远, 传输可靠性高的Modbus总线协议。485通信芯片选择为SP3485E, 3.3V供电。其中R4为匹配电阻, 在远距离传输或者位于485总线上的最后一个从机时才使用。R3和R5分别为下拉电阻和上拉电阻, 保证485总线的初始状态。光伏发电跟踪系统难免处于比较恶劣的环境下, 为防止单片机程序跑飞, 本设计外置一个看门狗芯片X5043来保证光强检测模块的正常高效工作, 其原理图如图4所示。
三、软件设计
在软件设计中, 首先需要对看门狗芯片进行初始化, 然后读取光强传感器的参数值, 最后通过Modbus总线协议传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器。
单片机通过对引脚PC4和PC5通用I/O口 (一根时钟线, 一根数据线) 进行SMBus读写协议模拟, SMBus和I2C协议的区别就是协议中应答 (ACK) 不一样, 所以可以依照I2C协议进行参考。SMBus协议的重点是数据传输的时序, 由开始位和停止位来控制。开始位为时钟信号的高电平, 将数据线的电平由高到低, 标志着数据传输的开始。停止位为时钟信号的低电平, 将数据线的电平由低拉到高, 标志着数据传输的结束。在写数据时, 先发送器件的地址, 然后发送要写入的数据。光强传感器芯片的写操作过程包括:先发送器件的地址, 然后写命令码, 命令码是往寄存器地址00H-0FH中写的数据, 其以字节、字或者块为单位进行写操作。在读数据时, 需要先写器件地址, 然后写命令代码, 再写入一次器件地址, 最后才是读取通道寄存器的数值。
看门狗X5043芯片是以SPI接口协议进行初始化, 初始化为1.4s, 在1.4s之内引脚CS如果没有接受来自单片机的上升沿或者下降沿, RST引脚就输出一个低电平的脉冲给单片机复位。本文Modbus总线协议在485通信接口的基础上, 以ASCII码通信格式来设计和实现。读取和传输光强值的程序流程图如图5所示。
四、总结
本文重点研究和设计了一种光伏发电自动跟踪系统中的光强检测模块, 其主要是基于Atmaga8单片机和TSL2560T光强传感器, 采用Modbus总线协议, 精确采集太阳 (或者模拟光源) 的光强值, 使得太阳能电池板始终朝向光强最大的方向, 达到自动跟踪的效果。通过实物验证, 结果证明本方案比目前广泛使用的光敏电阻等光强检测的方案要实用和优越, 通过本方案得到的光强值精度高, 效果好, 在极其恶劣的环境条件下也能正常稳定地运行。
参考文献
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光强测量 篇6
半导体激光器具有体积小、寿命长、重量轻、结构简单、功率转换效率高和稳定性好等优点,在激光通信、光电检测和印刷制版等领域有着广泛的应用。自从大功率激光器,特别是连续大功率蓝光、橙光激光器研制成功后[1,2],由于其节能环保、亮度高等优势,激光进入日常照明领域的前景也一片光明。
激光应用于日常的照明领域时,首先要将纯色激光转变为白光激光。目前实现白光激光的办法有3种:一种是将红色、橙色、绿色和蓝色等多种颜色的激光经过镀有特殊薄膜的棱镜进行合束,然后经过衍射结构,使得各激光波长在空间中充分混合,实现白光激光照明;另一种办法是用高功率蓝光激光打在透明介质上,使透明介质被电离,激光束的自聚焦和等离子体的散焦作用同时存在,产生一些非线性现象[3],使得激光光谱得以很大程度地展宽,并且经过橙黄滤光结构,橙黄光混合剩余的蓝光得到白光激光出射;第3种方法是将红色、橙色、绿色和蓝色等多种颜色的激光分别耦合到一根光纤内,多种波长的激光在光纤中充分混合后,得到白色激光输出。在这3种实现白光激光的方案中,第1种方案是利用激光衍射来进行各激光波长混合,照明空间不容易控制,能量的有效利用需要更多机构的参与,较难推广;第2种方案利用的介质处于电离状态,并且强激光经过橙黄色滤光材料,状态不稳定。这两种方案所需的光机结构都非常复杂,精密度要求高,不容易加工装配实现。第3种方案利用光纤合束法将不同波长、光斑各异的激光束耦合到同一根光纤内,原理与技术相对成熟,其关键技术是如何让各种模式的激光在光纤内充分混合。
本文通过计算机光学软件OptiBPM模拟仿真得到,对于任何多模激光光束,只要其水平宽度与耦合光纤的纤芯直径保持一致,激光运行50mm以上的长度后,各模式激光光强在光纤内将得到最均匀的分布。也就是说,各种波长的激光在光纤内将充分混合,在光纤的出射端会得到光强分布均匀的白光激光。
1 多波长激光的光纤合束理论
光纤合束就是将多束激光通过光纤耦合技术导入到同一根光纤内,从而形成一条光束。如图1所示,左侧为4个不同波长的半导体激光器,分别将各波长激光耦合进各自对接的光纤,然后将这4根光纤通过合束器,将光线导入到同一根光纤中。这样各波长激光束在同一根光纤内反复全反射混合传输,预期混合的白色激光将从光纤右侧的端口出射。
本文讨论及仿真的光纤是二层均匀光纤,激光在光纤中无损传输是因为激光在纤芯内以全反射的方式传输。在光纤内传输的模式遵从光纤传输的特征方程[4]:
式中,J、K均为Bessell函数;U2=(k02n12-β2)a2,W2=(β2-k02n22)a2,a为纤芯的半径,n1为光纤纤芯折射率,n2为光纤包层折射率,k0为真空中单位长度的波数,β为相移常数。根据不同的参数组合,可以得出相应可传输的光束模式。
半导体激光器的激射模式可以是基模,也可以是多模,但不管是基模还是多模,其激光光强的空间分布都极不均匀,示意图如图2所示。图中,横轴为距离尺寸,为激光器水平方向的宽度;纵轴为光场强度。由于光强分布不均匀,导致不同波长的光线在空间直接混合成均匀的白色变得非常困难,因此很难应用到日常照明领域中。
将这样的激光耦合进光纤中,光束中心的光线将慢慢扩散到纤芯的边缘,而原来边缘的光线将全反射到纤芯的中心,原来极不均匀的光强分布将会发生一些变化。如果光束光斑的对称性与光纤的对称性不一致,那么在反复全反射传输的过程中,原来不同角度、不同方位的光线所形成的光束包络将逐渐分离,同时还会慢慢形成新的光束包络。光线在光纤内传输距离足够长之后,必将慢慢呈现光纤传输模式的特点,在光纤横截面上将得到满足光纤边界条件的光强分布。
如果半导体激光器的激射模式函数用M1来表示,光纤传输函数用M2来表示,那么光线经光纤传输后的模式函数M3可以表示为
式中,M2是根据式(1)和式(2)计算得到的光纤约束光线的传输函数。式(3)的参数多,相互关联复杂,想通过公式推导的方式来确定输入激光光束和光纤的NA(数值孔径)等参数的要求,从而获取均匀光强输出的办法几乎行不通。本文采用数值计算的方法,运用光学软件OptiBPM来仿真不同形状的光束在不同口径的光纤中的传输,并对比分析各种仿真结果,从而确定光束以及光纤的优化参数。
2 OptiBPM仿真及结果分析
2.1 优化输入激光束
大功率半导体激光器的水平宽度都很大,可达到几十、一百甚至几百微米,考虑到目前成熟的商用产品一般为100!m,所以本文仿真用的激光近场光斑最大选为100!m。半导体激光器为基模激射,并且波形矫正成中心对称的高斯光束耦合进光纤。光纤直径为100!m,入射光斑半径r分别为50、30和15!m。通过光学软件OptiBPM数值计算公式(3),观察激光束在光纤内的光强分布,仿真的光纤长度为20 mm。所用光纤的纤芯折射率为1.46,NA为0.22。仿真结果如图3所示。可以看出,图(a)中光强分布基本保持入射光斑的光强分布;图(b)中纤芯边缘和中心的光强呈周期性变化;图(c)的规律与图(b)一样,且周期性得到了加强。也就是说,如果入射光斑与光纤的对称性一样是圆对称,那么无论如何调整入射光斑的大小,或者改变纤芯直径的大小,都无法得到均匀的光线输出。
当入射光束水平方向光斑半径维持为50!m,而垂直方向的半径分别收缩到10和5!m时,光纤内的光强分布分别如图4和图5所示。
从图中可以看出,入射光斑的水平方向半径维持50!m,垂直方向压缩到10!m时,光线有所分离,但是聚集性还很明显;而压缩到5!m时,原来的光线才能得到有效地分散,光纤横截面的各个模式分布均匀,高度基本一致。有理由相信,光斑垂直方向进一步压缩时,光纤中的光强分布将更加均匀。但是考虑到垂直方向的准直只用一根光纤或者是圆柱镜子,光斑压缩到半径为5!m的尺寸是合理的。
当半导体激光器不以基模激射,而是以多横模激射时,入射光束的不对称性与单模激光对比将得到加强,那么光纤内的光强分布将会更加均匀。图6所示为水平方向为5个横模叠加,总宽度为100!m,垂直方向为10!m的激光光束入射的情况。由图可见,无论是传输方向还是横截面上的光强分布,都比图5单模激射时要均匀。
2.2 优化光纤的口径
半导体激光束垂直方向角度较大,需要用光纤或细微圆柱镜子准直,而水平方向光束发散角度不大,到光纤耦合端,光斑也就扩散1~2!m,因此如果激光器水平方向出光口径为100!m,则100!m直径的光纤可以将绝大部分光线截获。图7所示为相应的仿真结果。这里仍然使用上面确定的100!m宽、10!m高的多模光束来进行仿真,光纤的直径分别变为120、150和180!m。
从图中可以看出,光线进入光纤后得到了充分扩散,纤芯边缘和中心都充满了光线。同时还可以看出,随着纤芯直径的增大,Y方向两侧的模式的峰值越来越突出,说明光强分布的均匀度在下降,其原因是随着纤芯直径的增大,入射光束与光纤的对称不一致性在降低。
结合图6和图7的光纤横截面上光强分布可以得出如下结论:光纤直径与耦合光束水平宽度保持一致时,光纤出射端可获得最均匀的光强分布。
以上仿真及结果分析表明,水平宽度为100!m的大功率多横模的蓝色、橙色半导体激光,垂直方向的光斑半径都压缩到5!m以下,分别耦合进入光纤,然后将它们合束,在同一根直径为100!m的光纤内混合传输。通过调整蓝光与橙光的功率比例,在光纤出射端可以得到光强分布均匀的白光激光。为了提高白光激光照明的显色性,在光纤中还可以加入绿光激光和红光激光,它们的光束大小同样要求为100!m"10!m。
3 结束语
本文仿真分析了激光在多模光纤中的传输,光强分布的仿真结果表明,光束与光纤对称关系的不一致性是光纤横截面上获得均匀光强分布的关键因素。如果把大功率多横模的蓝光、橙光、绿光和红光激光通过光纤合束的办法耦合进同一根光纤内,其中垂直方向的光束尺寸尽可能压缩,纤芯的直径与激光器的水平宽度保持一致,激光在纤芯内将得到充分混合,可以得到光强分布均匀的白色激光。使用该方法生成的光强分布均匀的激光,具有结构简单、稳定好等优点。
参考文献
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