红外接收（精选6篇）
红外接收 篇1
红外遥控是一种无线、非接触控制技术, 具有抗干扰能力强, 信息传输可靠, 功耗低, 成本低, 易实现等显著优点, 被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用, 并越来越多的应用到计算机系统中。
现在每一个家庭都会有一些红外遥控的设备, 最常见的就是电视机遥控器, 其他的如空调遥控器、DVD遥控器等。你是否拆开过你家的遥控器, 看看里边是什么样子的呢?你不妨试下, 拆开时你会发现它的构造是如此的简单。对!红外发射所需的元器件很少, 既然大家都有遥控器了, 我们就无需DIY了, 我还是教大家DIY一个红外接收器吧。有了接收器, 就可以把它安装在你想控制的设备上, 用遥控器按照你的想法随意控制了!当你看完制作过程, 你会发现DIY接收器也是很简单的。好了, 我们开始吧!
一、原理
遥控器发射的信号为“0”、“1”数字信号。那么用红外线怎样表示呢?遥控器内部芯片产生38k Hz调制的红外信号, 由控制电路控制信号的发射与不发射, 接收电路检测信号状态即可判断出具体信号。以μPD6121G型解码芯片 (通常都是此类芯片) 为例, 见图1。
首先发送0.56ms, 接下来停止发送0.565ms, 红外接收芯片在没有红外线时输出高电平, 有红外线时输出低电平, 这样在输出端就产生了图中第二个所示的数字信号, 这个信号我们约定为“0”。同样第三个所示的信号就约定为“1”。“0”的周期为1.125ms, “1”的周期为2.245ms。遥控器发送一次数据的流程为:首先发送9+4.5=13.5ms的“数据头” (header) , 然后发送16位二进制地址, 再发送8位二进制数据 (键盘码) , 最后发送8位二进制的数据反码。单片机通过外部中断引脚检测信号的周期就可以判断发过来的是什么信号了。既然只要一片单片机就可以完成解码, 那么我们只需要做个单片机最小系统板, 再把红外接收芯片接在外部中断上引脚上就可以了, 电路图很简单, 见图2。
按照图2电路图我们需要准备以下元器件 (价格可能有少许浮动, 小于0.5元不标注) , 见图3。
万用板:7cm×9cm玻纤板 (1.3元)
51单片机:STC89S51 (4.5元) 、11.0592MHz晶振1个、22p F瓷片电容2个、22μF电解电容1个、1k电阻1个, 51芯片插座, 排针16个 (图2中J1、J2) ;
单片机程序下载器:PL2303 USB转串口模块 (10元) ;
红外接收芯片:一体化红外接收头VS1838B (板上用的是另一种型号, 但无型号信息, 二者接线相同。推荐用VS1838B) ; (0.9元)
电源:如果你已经有5V稳压电源, 那么图2中最下边电源电路可以不做。电源可以直接用PL2303模块上带的USB的5V电源, 这样电路会更加简单。如果你想脱离电脑运行, 那么就这几个元器件做个电源吧!所需元器件:5V稳压芯片L7805 (0.5元) 、二极管1N4007、电解电容1000μF, 220μF各一个, 瓷片电容104两个、自锁电源开关、发光二极管1个、1k电阻一个、普通变压器可调直流电源 (8元) 、5.5mm×2.1mm DC-005电源插座。
遥控器:你可以试试家里废旧的电视机遥控器 (见图4) 。
准备好这些材料后, 下面拿起电烙铁, 开始焊接吧!
二、硬件搭建
首先焊接电源模块。电源线需要外部引入, 所以插座应安排在靠近板子的边缘上, 如果放在中间的位置, 想想有多别扭啊!电源开关因为要经常用, 所以放在外侧方便按的地方。L7805的引脚有字的一边面向自己, 从左至右依次为电源输入、地、稳压电源输出。另外要特别注意电解电容千万不能装反!否则很容易爆炸!另外要分清二极管的正负方向 (见图5) 。
焊完后先用万用表的二极管档测试下电源输出端, 确保无短路。然后通电测试下, 打开电源后, LED指示灯亮, 再用万用表直流电压档测下输出电压, 若在5V左右就证明没问题了。要注意外部输入电压要在7~35V。
接下来主角单片机登场了!按图2原理图接好晶振电路, 上电复位电路。为方便扩展应用在单片机P1、P3端口分别接上8个排针。两排4个排针分别接至电源的VCC、GND, 用作外部电源供电, 或者向外接模块供电。在焊接时需要说明的是, 晶振电路尽量紧贴单片机引脚, 如果过远会对单片机造成干扰。另外复位电路如果没有合适的电阻、电容, 也可以按照二者阻、容值乘积相近的原则用其他阻、容值元件替换。还有容易忽略的就是单片机31号引脚要接到VCC (见图6) 。
红外芯片的管脚顺序为:有突起的部分面向自己, 左至右依次为输出、GND、VCC (见图7) 。将输出接至单片机12号引脚 (INT0) , GND、VCC分别接至电源的GND、VCC。完整的电路板见图8、图9。电路焊接完成后, 接下来就下载程序看看效果吧!
三、下载程序
首先将程序 (见本刊网站www.ele169.com) 输入到KEIL中, 编译链接生成*.hex文件。将PL2303模块的RXD、TXD对应接在单片机RXD、TXD引脚上。我们先使用PL2303的电源供电, 将模块上的VCC、GND接至板上的VCC、GND (见图10) 。然后将装PL2303模块插在USB口上。再打开STC-ISP下载软件, 设置单片机型号、COM口、最高最低波特率, 然后打开生成的*.hex文件, 最后点击下载按钮, 按照提示就可以下载了! (见图11) 注意:下载时要重启一次电源。
四、遥控器解码
程序下载成功后, 打开下载软件右侧的串口调试助手。按下图红色圆圈标注设置好参数 (见图12) 。
然后对准红外接收头按下遥控器上的按钮, 即可在接收区显示4个16进制代码。第三位即为该键的“键码”。上图显示为按了4个不同键。我们发现, 每个键按下都会先收到“85 7B”, 才收到真实键码的, 并且在收到键码后, 又收到了一个键码的反码, 这是为什么呢?文章开始已经讲过, 这两个数据 (两个16进制表示的地址转换成二进制为16位地址) 是本遥控器的地址, 是为了防止在多个红外设备一起工作的时候出现混乱, 有了地址就可以自己的接收器只接收自己的发射信号。最后面的反码是为了防止通信错误做的校验。
五、测试
我们得到了键码后, 其实难点都突破了, 下面要做的就是遥控你的小玩意了。为了方便演示, 我用遥控器的0~7号键来控制8个LED灯的亮灭。
1. 按图13接线。
2. 将被标号“////////////////1”、“////////////////3”包围的程序段注释掉, 将“////////////////2”包围的程序段取消注释。在被“////////////////2”包围的程序段中有很多段相同的语句 (详细源程序请到www.ele169.com下载) 。
这里的0x92就是键码92, 总共有8段语句, 对应键盘的0~7号键码。将你自己的键码对应填进去。保存并按下F7即可生成新的*.hex文件, 将此文件下载到单片机。按下遥控器上的0~7中任意按钮, 会发现对应位置的LED突然点亮了, 再按一下又熄灭了, 呵呵, 是不是很神奇!再试着按下其他6个键, 都会有同样的效果。我这里只是让LED亮、灭, 如果你想到什么好点子只需把//////////2中case 0x92:下面一条语句修改为自己的命令就可以了。接下来就要看大家怎么发挥啦!实物图见图14、15。
最后告诉大家, DIY其乐无穷, 参与进来, 你是最棒的!
智能化红外遥控接收装置的设计 篇2
1 工作原理
红外遥控器的某键被按下时, 发射管将发出经过编码和调制38K的红外线脉冲信号。编码的格式有很多种, 最常用的是NEC格式, 一组信号由引导码、数据码、停止位、重发引导码、重发数据码、停止位组成。数据码中:以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。数据码和重发数据码是连续的32位二进制码组, 其中前16位为用户识别码, 能区别不同的红外遥控设备, 防止不同机种遥控码互相干扰。后16位为8位的操作码和8位的操作反码, 用于区别不同按键及核对数据是否接收准确。本接收装置工作在记忆模式时, 接收并解码红外脉冲信号, 将接收到的用户识别码和操作码保存在atmega8内部的EEPROM中。工作在接受控制模式时, 接收并解码红外脉冲信号, 将得到的编码与保存在EEPROM中的原编码对照, 如相同, 则执行相关的操作。
2 硬件设计及实现
图一为智能型红外遥控接收装置的结构框图。系统以atmega8单片机为核心, 再包含红外接收电路、操作按钮、执行电路、音频提示装置。
一体化红外接收头采用SM0038, 其环氧树脂的封装结构具有红外滤波功能, 可有效Á阻隔其他光线的干扰, 内部具有光电检测和初级解码电路, 接收到38K红外线信号时输出低电平, 未接收到时输出TTL高电平。
图二为电路图, 按钮一按下时, 接收装置工作于记忆模式, 按遥控器的某一按键, 接收、解码、储存编码成功后, 由蜂鸣片发出提示声音。
松开按钮一, 接收装置工作于接收模式, 对接收到的编码与储存的编码对照, 相同则接收成功, 蜂鸣片发出提示音, 单片机控制执行预定的某种操作, 如通过继电器控制灯的开关。
为了能不适用遥控器也能执行控制功能, 设置了一手动操作按钮, 使用该按钮, 可以直接控制单片机执行预定的操作。
3 软件设计与实现
3.1 主程序
主程序首先执行对芯片的初始化工作, 然后循环执行扫描按键, 等待红外信号, 接收到红外信号的后续处理。图三是系统主程序的流程图。
3.2 红外接收解码及处理
一体化红外接收头的输出端连接atmega8的PD0端口, 连续接收到9ms的低电平, 即进入解码过程, 解码过程中检测每位信号的间隔时间, 超过1ms判定为“1”, 否则为“0”, 共32位, 4字节, 接收后, 检测第三字节是否与第四字节的反码相同, 如果相同, 视为正确接收, 否则接收无效。
正确接收后, 扫描按键, 如按钮一处于按下的状态, 系统工作于记忆模式, 将编码写入atmega8片内的EEPROM中, 掉电后可保存数据;如按钮一处于释放状态, 系统工作于接受控制模式, 则将接收到的红外编码与单片机片内EEPROM中先保存的编码对照, 如一致, 则执行相应的控制功能, 如不一致, 判定为无效信号, 不予处理。图四是这部分程序的流程图。
3.3 手动控制功能
为使该系统在没有遥控器时, 也能实现控制功能 (如灯的开关) , 设计了一个直接控制按钮, 按此按钮, 能实现与遥控相同的功能。
3.4 声音提示功能
成功储存编码、直接按键控制执行或有效接收控制信号进而执行相应控制功能后, 使用压电陶瓷片发出“嘀”的声音, 以提示用户。使用一延时程序, 使单片机引脚输出方波信号, 实现声音提示功能。
结束语。本红外遥控接收装置不需配置特定的遥控发射器, 使用灵活, 成本低廉, 系统稳定可靠, 目前已投入实际使用。
摘要：本文提供了一种具有编码记忆功能的红外遥控接收装置的设计方案, 对其原理, 软硬件的设计和实现方法做了详细的阐述。
关键词：智能化,红外线,遥控,atmega8
参考文献
[1]吴健.AVR单片机实用C语言程序设计与典型实例[M].北京:中国电力出版社, 2008.
基于单片机的红外线遥控接收系统 篇3
1 接收系统结构框图
接收系统包括接收部分, 指示部分和控制电机几部分组成。发射和接收电路主要通过红外线实现信号传播以达到控制, 一般操作距离在十米左右。发射系统电路的组成如图1所示。它主要包括一个红外线接收电路、状态指示灯电路及50Hz交流电过零检测电路和电机转速启停控制电路等。
2 红外线接收电路
本文采用多通道红外遥控接收器。CX20106A模块红外线接收器作为本设计的红外接收模块。图2所示为CX20106A遥控接收电路图。
3 电机转速、启/停控制
电机转速、启/停控制电路主要由桥式整流电路, 双向可控硅、光电耦合装置和两个三极管组成。主要作用:单片机输出的脉冲信号通过三极管放大, 驱动光电耦合达到弱电控制强电中的双相可控硅的触发角, 从而控制电机的转速、启/停。
电机的转速主要由晶闸管改变其输入电压的, 实现调整转速问题。原理图见图3。另外, A, B, C, D四点的波形见图4。
电机转速及启停是由可控硅的导通角控制的。AT89C52产生可控硅控制的移相脉冲, 移相角的改变实现导通角的改变, 即当移相角较大时可控硅的导通角较小, 输出电压较低, 电机转速较慢;当移相角较小时可控硅的导通角较大, 输出电压较高, 电机转速较快;当导通角不为0时, 电机启动;当导通角为0时, 电机停转。
4 结论
微处理技术成功的应用是普及红外线遥控家用电器的基础, 红外线调制简单, 易于编码, 可实现多路控制。成熟的红外光遥控技术与微处理技术结合, 是扩大应用范围的一个转折。微机化的升级换代和微机化的新产品都必须使功能遥控化。
摘要：红外遥控是以红外线作为载体来传送数据信息的。它作为无线遥控的一种, 具有指向性与穿透能力强, 不相互干扰等优点。本文主要是采用单片机进行遥控系统的应用系统, 通过单片机对接收到的信号进行分析, 根据不同的信息码对双相可控硅移相控制, 达到电机启/停及转速控制等操作, 并完成相应的状态指示。
关键词：遥控,红外线,接收,可控硅,单片机
参考文献
[1]王兆安, 黄俊著.电力电子技术.机械工业出版社, 2000.
[2]张毅成著.单片机原理及应用.高等教育出版社, 2004.
[3]丁元杰.单片机原理及应用, 机械工业出版社, 1994.
[4]陆坤等著.电子设计技术.电子科技大学出版社.
红外接收 篇4
煤矿井下作业环境恶劣, 容易发生事故。利用视频监控系统, 地面监控人员可以直接地、实时地监控井下情况, 不仅能直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况, 而且能及时地发现事故隐患, 防患于未然, 也能为事后分析事故提供相关的第一手图象资料。因此视频监控系统是现代矿井安全生产监控系统的重要组成部分。
煤矿视频监控系统包括图象采集部分、数据传输部分、中心控制部分、图象显示部分等。笔者设计的红外遥控器用于控制图象采集部分中的云台、镜头和光圈等动作。红外遥控器发送红外线光信号, 而图象采集设备接收的是电信号, 所以红外遥控接收器要承担信号转换及发送命令到解码器等重要任务。
1 硬件设计
红外遥控系统组成框图如图1所示, 其中虚线框内是红外遥控接收器的硬件原理框图。
一体化红外接收头接收红外遥控器发送的光控制信号, 并转变成电信号发送给89C51, 89C51接收一体化红外接收头输出的电信号, 进行处理和保存, 并根据解码器的协议发送控制命令, 从而控制视频监控系统中的图象采集设备。89C51发送命令给解码器采用RS485串行通信方式。89C51除了发出控制命令, 还通过三极管驱动放大电路驱动数码管显示红外遥控器的命令信息。
1.1 一体化红外接收头[1]
本文使用一体化红外接收头HS0038, 其体积和三极管大小差不多。它接收红外遥控器发射的红外线控制信号, 并转换成电信号输出。比如按下“TV”键, 红外遥控器发射红外线信号, 接收头接收并输出的电平信号为“000000000000000001111111101011101010101010101111111101110101110111010101010”。红外发光二极管通过“通”和“断”送出“0”和“1”信号。
1.2 RS485串行通信[2]
RS485接口组成的半双工线路只需要2根线, 两线间电压差为+2～+6 V表示逻辑“1”, 两线间电压差为-2～-6 V表示逻辑“0”。RS485的数据最高传输速率为10 Mbps, 最大传输距离标准值为3 000 m。由于RS485采用平衡发送和差分接收, 因此具有抑制共模干扰的能力。RS485接口在总线上允许连接多达128个收发器, 这样可以利用单一的RS485接口方便地建立起设备网络。
2 软件设计
2.1 捕捉遥控器信号
按下红外遥控器上的任一按键, 遥控器发射红外线光控制信号, 由接收头将其转变成电信号发送给89C51, 89C51再“翻译”给解码器。89C51要完成“翻译”任务, 事先要知道红外遥控器每个按键的信号码。因此, 对89C51编程前先用示波器捕捉红外遥控器每个按键的信号码, 即接收头的输出信号。经多次实验, 得到遥控器上所有按键所对应信号的二进制码, 这些二进制码的开始部分是相同的, 都是“00000000000000000111111110101110101010101010111111110”, 后面不同的部分如表1所示。
2.2 数据采集方案
由表1可看出, 遥控器上每个按键的信号位数都比较长, 共有70多位。如果89C51全部采集这些数据, 有些浪费资源, 而且没有必要全部采集, 89C51只要能分辨出各个按键的信号就可以了。研究发现这些信号码是由4位码组构成的, 即“1010”、“1011”、“1110”, 分别取它们的第2位和第4位, 即“00”、“01”、“10”来替代它们 (第1位和第3位用延时跳过去) 。表1中信号码长短不一, 为了得到整齐的数据以便于存储, 不足20位的在后面用“1”补足 (信号码结束后是高电平) , 多于20位的舍弃剩余位。先进行多舍少补, 再用“00”、“01”、“10”分别代替信号码中的“1010”、“1011”、“1110”后得到表2, 可以看出这些信号码没有重复的, 依然可以区别各个按键。对于红外遥控器的每个按键的信号, 89C51只需要采集表2中的10位就可以了。存储10位二进制码, 要用2个存储单元, 前8位占一个存储器, 后2位占另外一个存储器。
2.3 程序设计
对接收的数据要隔位保留, 而且保留的数据为10个二进制位, 不是8的整数倍, 所以接收数据不用串口, 而用外部中断0。
红外遥控接收器的软件设计流程如图2所示。
红外遥控器没有动作时, 光电转换后的电信号是高电平, 当遥控器动作时, 电信号先变为低电平, 以通知单片机接收数据。信号码前面相同的部分用延时程序跳过去, 延时时间长短根据码长和码宽确定。剩下的数据部分用前面的数据采集方案进行采集, 将采集到的数据与表2中的信号码进行比较, 以判断是哪一个按键动作, 然后以解码器的协议为依据发送控制命令。红外遥控器有2种功能:一种是选择解码器 (红外遥控器最多可以控制32台解码器) ;一种是控制图象采集设备动作。
3结语
本文设计的红外遥控接收器是视频监控系统中的重要组成部分。红外遥控器各按键对应的数据长短不一, 而且都比较长, 本文介绍了独特的数据采集方法。设计的红外遥控接收器经过多年的使用证明功能完善、性能稳定。
参考文献
[1]李晓东.加油站计算机自动管理系统[D].成都:四川大学, 2001.
红外接收 篇5
关键词：红外通信,MC145026,MC145027,STC89C52RC单片机
1概述
随着电子科技的迅速发展,红外技术得到了飞速的发展, 红外遥控的应用已经渗透到各行各业和人们的生活的各个方面,伴随着科技的的发展,人们对红外技术的研究也越来越深入,应用范围也更加广泛,特别是红外遥感技术和红外通信技术领域里、数字技术和传感技术的巨大进步,更是推动了红外技术的发展[1]。目前,无线产品在商业产品中的使用已相当普遍,但是大多数都存在着很大的局限,多半采用的是模拟电路进行设计,这使得产品抗干扰能力比较差,精确程度不够高,保密性能不够好,而且采用模拟电路的调试和维护不方便[2]。随着无线技术的发展,越来越多的远距离控制数据通信系统引入了红外线作为传输媒介进行通信,组成了无线红外遥控通信系统。采用此技术构成的系统,其成本低,精度高,保密性好,技术稳定性强[3,4,5]。本文的核心是设计出基于STC89C52RC单片机的无线红外多路遥控发射/接收系统的硬件电路和软件系统。该系统可以对8个受控对象的工作状态进行遥控,适用于工业,医疗,家用电器等设备的开启或关闭控制。
2红外数据通信的原理
红外通信是以红外线作为通信载体实现两点间近距离的通信和信息的转发,它一般由红外发射和接收系统两部分组成,通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转化实现无线的数据收发。在发射端,发送的数字信号经过适当的调制编码后,送入电光变换电路,经红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中;在接收端,红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换,解调译码后恢复出原信号,这就构成了红外通信系统[6]。
3本设计各部分设计电路及其功能实现
3.1发送电路硬件电路设计
3.1.1键盘输入电路
本文中设计的输入只有8个,而且所采用的微控制器有足够的引脚,故可采用将每个按键输出端直接接至微控制来构成键盘输入电路。若键盘中有按键按下,P1端口就会产生一组数据,微控制器直接读取该数据并进行相应的处理。键盘输入电路如图1所示。
3.1.2编码电路
编码电路是由集成电路MC145026及其外部电路组成,如图2所示,它将单片机处理的按键数据转换为串行数据信号, 经调制后发射出去。具体做法是:采用STC89C52RC单片机的一个端口作为MC145026的数据端和地址端口,将MC145026的高2位地址直接接地,后3位地址作为扩展,后4个数据位进行编码来控制8个设备,如表1所示。另外由单片机的一个引脚控制 设备发送 数据使能 信号 ,当改引脚 为低电平 时 , MC145026将所存储的地址码和数据码通过数据输出引脚将数据串行发送出去。
说明:粗体字符表示自制引导码,斜体字符表示数据码
3.1.3调制电路
为了提高传输信号的抗干扰能力,还需要将编码信号调制在一个较高的频率的载波上发射,本文中载波频率为38KHZ, 故可以采用CMOS门电路构成的脉冲调制电路,如图3所示。 当编码信号输出为低电平时,振荡器不工作;当编码器输出为高电平时,振荡器正常工作。
3.1.4红外发射电路
红外发射电路是由三极管放大电路和红外发射管组成,其中三极管主要是对发射信号进行电流放大,当基极电压为高电平时,红外发射管导通,向外发送信号,反之,三极管截止,红外发射管不工作。如图4所示。
3.1.5发送电路设计中单片机主电路
发送电路设计中的单片机主芯片是采用宏晶公司的STC89C52RC芯片,其主要特点为采用Flash存贮器技术,降低了制造成本,其软件、硬件与MCS—51完全兼容,且采用高密度非易失存储器制造技术,将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,能在线编程,成本较低,其接口电路如图5所示。
3.1.6发送电路设计中显示电路
发送电路设计中显示电路采用8段共阴数码管组成,将外接引脚输入相应的高电平,即可点亮其中的发光二极管,通过发光二极管的显示组合,可以产生相应的字符显示,如图6所示。选用STC89C52RC的P0口作为输出端,该端口输出时已经外接上拉电阻,所以驱动能力比较强,用P0口作为驱动数码管时,其对应的编码如表2所示,此部分与接收端显示电路设计相同。
3.2接收电路硬件设计
3.2.1一体化红外接收电路
红外接收电路由一体化红外接收头及其外围电路组成,本文中采用应用较为广泛的一体化接收元件IRM388S,它内含高速林密度PIN光电二极管,其接口电路如图7所示。
3.2.2解码电路
解码电路 由与编码 芯片MC145026对应的解 码芯片MC145027及其外围电路组成,如图8所示。
3.2.3微控制器处理电路
接收电路中微控制器电路所采用的主芯片同发射电路中单片机主电路所采用的芯片相同,即STC89C52RC,其外围接口电路如图9所示。
3.2.4接收电路中设备电路
接收电路中设备电路由8个发光二极管和一个电阻组成, 发光二极管的正极引脚接至限流电阻,负极直接接至微控制器引脚,如图10所示。当所对应微控制器的引脚设置为输入且为低电平时,发光二极管点亮,为高电平时,发光二极管熄灭, 由此可以控制设备的工作和停止状态。
4测试结果分析
4.1 38KHZ信号产生测试结果
38KHZ产生测试结果是通过示波器测量并打印的,其中部分打印结果如图11所示,3次测量结果如表3所示。
4.2按键编码测试结果
按键编码测试结果是通过示波器测量并打印的,每个按键编码测试的结果如表4所示。
4.3受控设备控制测试及其显示测试结果
受控设备控制的测试是通过外接的发光二极管亮灭来判断的,显示测试是通过数码管显示的字符来判断的,每个按键按下所对应的设备驱动状态以及数码管显示如表5所示。
说明:粗体字符表示当前无设备正在运行,斜体字符表示。
5结论
红外接收 篇6
与其它获取光谱辐射数据的方法相比较,傅立叶变换红外辐射计(FTIRs)有很多优点。这是因为FTIR的测量原理是采用了对光谱信息在时域的色散而不是空域的色散,即所有波长的辐射能量同时投射到探测器上(无需把探测器分间隔排列)。其次,由于其光谱分辨率是由扫描时间来确定的,因此它不依赖于光学系统通光孔径的大小。此外,利用激光作基准来保证其光谱定位,从而就保证了光谱测量的精度。
典型情况下,FTIRs的测量原理是将所接收的光分成两路并使其在迈克尔逊干涉仪中进行自调制(自干涉)。干涉仪中包括有一个探测器,用于对调制后的光能量进行采样。调制后的光能经对时域输出信号进行傅立叶变换处理后就给出了对应于其光谱分布的频率量。Bomem公司MR系列的FT光谱辐射计就是这样一种干涉仪,该光谱辐射计已经改造并用于调制高温黑体源的辐射。黑体源的辐射光被输入到干涉仪中并实现自调制。代替探测自干涉的是,干涉仪的输出信号由FTIR的输出孔径输出,这样就可以认为辐射源的光谱分布是按不同的时域频率调制的。
这种从接收到发射的改变就要求把接收机设计成既有探测器又能对所探测到的时域信号进行FT变换的系统。本迈克尔逊干涉仪包括一个电动扫描器,用于对黑体源的辐射光按脉冲段进行调制。这样以来,由发射机提供给接收机的射频信号就可以使探测时间与调制脉冲同步。该同步信号可以使扫描器扫描一周的回转时间不包括在信号探测(时间)中(增加信噪比)。此干涉脉冲从每秒十次到每秒六十次任意产生,其光谱分辨率从1个波数到16个波数变化。
在过去的实验中是把发射机放在距离接收机4km的地方,并进行了一些相对传输特性的测量。这些测量中的传输介质包括石墨烟尘以及一个透过率已知的塑料样品。本文中提供了部分相对传输特性的测量结果。从实验结果来看,这种测量方法同时具有测量距离远、分辨率及灵敏度高等优点。
1 FTIR系统介绍
本FTIR系统是由光机子系统、电子子系统及数据处理和控制子系统构成。其中的干涉仪是光机系统的主要组成部分。干涉仪的作用相当于一个斩波器,其斩波频率是波长的函数。这些不同的频率由FTIR处理器检测并被分解成一个光谱。
两束入射光束均被分束器分成两束光线并被引射到角立方体反射镜的较低部位。然后,该光线被反射到角立方体反射镜的较高部位,随后又被折射到分束器的上半部;在此处两个波束重新会合。入射光束的一个分量的光程大于其被分开的另一光分量的光程。当摆动臂绕其支点摆动时,其中的一个角反射镜靠近分束器而另一个角反射器则远离分束器。这种改变两个光分量的光程以便使其实现自干涉的方法就能在输出端给出时域调制。根据光的相干性原理,即使宽频带光源的光也能在迈克尔逊干涉仪中实现自相干。干涉仪输出的两束光以90°夹角输出。有时仅探测其中的一束光,而有时则把探测器放置在两束光线的出射光路上。
对干涉信号的数字化和变换处理要求精确地检测光线在干涉仪中的光程。在该项研究所用的FTIR中,其光程是利用一个He-Ne激光器输出的干涉信号来检测的。激光束提供的正弦干涉图用于光程检测的反馈信号。当用激光测量光程时,就用白光光源来确定零光程差(ZPD)的位置。这一扫描位置在探测器输出端产生一个峰值电压信号,而且此时所有频率的光都能有效地干涉。从探测器出来的信号是时间域信号,该信号经放大、数字化和通过傅立叶变换处理后就给出了光谱分布。该项研究中所用的测量系统是Bomem公司MR系列产品中的FT光谱辐射计。该系统包括一个用于长波测量的MCT探测器和一个用于中波测量的InSb探测器。
2 FTIR用作发射器
Bomen公司的FTIR系统被改进成一个以波数或相应的波长的函数按时域调制发射源,此黑体为高温辐射源,其峰值发射对应的温度为1300K(利用射线进行检测)。从黑体源输出的辐射光经FTIR中的迈克尔逊干涉仪进行调制,所以发射器的输出为按时域调制后的光能量。其中每种波长的辐射能具有不同时域频率。FTIR发射机包括迈克尔逊干涉仪、扫描器、同步电子系统和一个为发射机提供RF(射频)同步信号的驱动器。干涉扫描可以按不同的速率进行,然而较低的扫描速率时就需要较长的信号积累时间,不过其信噪比较高。这里还应该注意的是,以波数表示的光谱分辨率也影响到噪声比的大小。较窄谱带间隔的积累信号小于较大谱带间隔的积累信号。输出光学系统可以有效地把FTIT的输出光能射向接收机。同时,接收机也有一套接收光学系统以保证有效地接收来自发射器的调制光能量。接收机内有两个探测器(MCT和InSb)和一个双色分光器,因此可以同时对中波和长波的红外辐射进行探测和处理。每个信号的处理就是由电子系统对所探测到的信号进行傅立叶变换。经过处理后所得到的结果是两个随波长变化的光谱辐射强度函数。
目前,这种大气传输测量系统布局仅仅用于测量相对传输特性。进行测量时,先用发射机和接收机测量无传输介质时参考信号的光谱特性,然后再在发射机和接收机之间引入烟雾或战场烟尘并测量经其传输后的辐射源光谱特性。两次扫描测量结果的比率就是烟雾和烟尘的相对传输特性。作者目前正在研究将这一套特殊的系统用于测量大气的绝对传输特性的方法。
3 初步试验测量
初步的试验测量是在Redstone技术测试中心的三号测试基地进行的。进行这次测量的目的是为了确定仪器系统的性能以及了解该系统在远距离传输路径状态下的工作状态。试验前,首先将该系统搭建在实验室里以检查FTIR辐射源调制器是否工作正常以及接收机是否能利用微波信号使扫描和接收过程同步。这次搭建的测量距离约为40米。
在实验室检查都正常之后,就把该系统搬到三号测试基地,并把发射机与接收机之间的距离拉大为4km。
第一次外场测量时是将黑体辐射源的温度设置在1350℃。从黑体源出来的辐射输出信号经FTIR发射器调制后通过4km的路程传输到FTIR接收机。通过FTIR调制后的黑体源辐射具有非常宽的光谱带,但是FTIR接收机所接收能量的光谱范围受探测器响应范围的限制。输入到接收机的入射光束被一双色滤光片分开并提供给两个独立的探测器。
光谱扫描的分辨率为16个波数。此时,采用30个扫描光谱进行求平均值可以得到大小合适的信号;这30个扫描光谱需要1秒的采集时间。在接收机和发射机之间的烟尘是利用美军的烟尘发生装置产生的。
第二次的传输特性测量仍然是在上面所述的4km的路径上进行的。这次测量中,参考扫描是利用高温FTIR调制辐射源获得的;然后,将一块塑料材料样品放在发射机与接收机之间,这些材料的传输特性是已知的。此次扫描的光谱分辨率提高到一个波数。为了补偿由于提高分辨率所引起的信号能量衰减,就利用100次扫描的光谱进行求平均。当扫描范围为1.8~14μm时,仅仅给出了中波波段的测量结果,其目的是为了说明当前的光谱分辨率。材料样品的传输比被认为是衰减的信号与参考信号之比随波长的变化。虽然没有进行材料样品传输特性的详细分析,但是粗略地从窄波段内的传输结果来看,传输结果测量的精度为百分之几。
从若干次测量的结果来看,信噪比的范围大约为20dB~60dB。通过改变探测器的面积还可以提高信噪比,因为现在所用的探测器的接收面积是有效面积的四倍。同样,测量中所用的接收光学系统是一个10”的望远镜,对该光学系统进行改进还可能改善接收信号的信噪比。另一个建议是利用一个双色滤光片将光分成中波与长波分别给相应的探测器,这样就能获得这些波带独立的信息。最后,如果其它的改进都不能满足要求,那么对扫描信号进行平均处理也可降低噪声。