一种红外光源加权调制系统及方法

1.本发明涉及红外检测领域，尤其涉及一种红外光源加权调制系统及方法。


背景技术：

2.红外光源是红外检测中的核心器件，主要应用于红外反射率或气体检测等领域，红外光源可分为薄膜光源、陶瓷光源、卤素光源及激光光源等，红外光源是电能转化为红外辐射的有效装置，因其使用温度不同，对应的辐射中心波长也存在差异，激光红外光源有带宽小但能量强的特点，而其它光源存在带宽大但能量随温度变化的特点，在红外检测领域，光源与探测器大多相互依赖，红外光源作为能量提供的装置，而红外探测器作为能量的接收转换装置，对红外光源进行有效调节促进探测器的有效输出响应增大，对提高红外测量精度及测量范围有着重要的作用。
3.红外探测器中使用较为广泛且具有代表性的为热释电探测器，热释电探测器对恒定的红外辐射是无响应的，所以只有针对红外辐射源进行调制变换后，探测器才能对调制后的红外辐射具有输出响应，常见的调制方法有机械调制和电调制，如图1所示，机械调制为快门调制或斩波片调制，采用直流电机控制机械结构改变光路中的通光量实现调制，而电调制是采用控制信号改变红外光源供电的开关量或pwm，实现对红外辐射的调制，传统的机械调制应用范围广且成本低廉，仅需购买直流电机和金属片即可，但调制信号的频率精度差，受电机精度和金属片加工精度的影响较大，且频率的调节需要改变电机的供电参数，调节范围小。电调制为控制光源的供电参数，具有频率准确、无机械结构等优点，但传统电调制仅采用开关量控制，对控制输出的单元传输简单的方波信号，不能准确匹配探测器的输出响应，难以实现最大的系统信号收益，限制了探测单元的检测范围及精度。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种红外光源加权调制系统及方法，用以解决现有电调制方法系统信号收益低的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种红外光源加权调制系统。所述系统包括：主控单元、调制控制模块、红外光源、待测试样、红外探测器、输出检测模块；
6.调制控制模块接收主控单元输出的多组不同权重的频率和占空比，根据所述频率和占空比控制红外光源发光；
7.输出红外光经待测试样反射后，由红外探测器接收，输出检测模块获取红外探测器输出信号并经信号处理后得到红外响应值，将所述红外响应值输出给主控单元；
8.主控单元基于所述多组不同权重的频率和占空比、及与多组不同权重的频率和占空比对应的红外响应值计算得到红外响应值最大时的频率和占空比。
9.进一步，红外光源与红外探测器位于待测试样两侧，两者位于同一平面上且与待测试样法线所成角度均为45度。
10.进一步，输出检测模块用于将红外探测器输出的电流信号经锁相放大和滤波后，
经过da转换后得到数字量的红外响应值。
11.另一方面，本发明实施例提供了一种基于上述红外光源加权调制系统的红外光源加权调制方法，该方法包括如下步骤：
12.在主控单元中设置具有不同权重的频率f1,f2,...,fn，设置具有不同权重的d1,d2,...,dn；
13.主控单元依次向调制控制模块发送不同权重组合的频率fi和占空比dj；
14.获取每个不同权重组合的频率fi和占空比dj对应的红外响应值y
ij
；
15.对所述不同权重的频率fi、dj以及y
ij
进行最小二乘拟合，获取频率、占空比与红外响应的二元函数；
16.计算该二元函数的最大值点，获取最大值点对应的频率和占空比。
17.进一步，主控单元依次向调制控制模块发送不同权重组合的频率fi和占空比dj，获取每个不同权重组合的频率fi和占空比dj对应的红外响应值y
ij
包括：
18.主控单元向调制控制模块发送不同权重组合的频率fi和占空比dj，调制控制模块根据所述频率fi和占空比dj，控制红外光源发光；
19.输出检测模块检测红外探测器的输出，并将红外响应值发送给主控单元；
20.主控单元收到所述红外响应值后进行存储，并继续发送下一组不同权重组合的频率fi和占空比dj至调制控制模块，重复上述步骤，直至获取到所有不同组合的频率fi和占空比dj对应的红外响应值。
21.进一步，在主控单元依次向调制控制模块发送不同权重组合的频率fi和占空比dj的步骤之前，还包括如下步骤：
22.主控单元向调制控制模块发送初始频率f0和初始占空比d0，调制控制模块根据所述初始频率f0和初始占空比d0控制红外光源发光，主控单元根据输出检测模块的红外响应值判断红外光源辐射是否稳定，稳定后执行下一步。
23.进一步，所述主控单元根据输出检测模块的红外响应值判断红外光源辐射是否稳定，包括：
24.主控单元每隔时间t获取输出检测模块的红外响应值，共获取三次得到三个红外响应值v1、v2、v3；
25.分别获取三个红外响应值与光源的稳定响应值l的差δv1,δv2,δv3，所述光源的稳定响应值l是预先存储在主控单元中的；
26.若δv1/l,δv2/l,δv3/l均小于阈值，且v1、v2、v3不呈递增或递减趋势，则判断此时红外光源辐射稳定，否则为不稳定。
27.进一步，所述光源的稳定响应值l通过如下步骤获取：
28.主控单元向调制控制模块发送初始频率f0和初始占空比d0，调制控制模块根据所述初始频率f0和初始占空比d0控制红外光源发光，连续测量10个周期的输出检测模块的红外响应值l1、l2、
…
、l10，稳定响应值l＝(l1+l2+l3+
…
+l10)/10，将所述稳定响应值存储在主控单元中。
29.进一步，所述计算该二元函数的最大值点包括：
30.获取所述二元函数的反函数；
31.利用fminsearch函数获取所述反函数的最小值；
32.所述反函数的最小值即为所述二元函数的最大值。
33.进一步，所述不同权重的频率和占空比为：
34.fi＝pif035.dj＝qjd036.其中，pi为频率权重，qj为占空比权重，0＜pi＜1，0＜qj＜1；所述频率权重p1,p2,...,pn、占空比权重q1,q2,...,qn线性递增或递减。
37.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
38.1、红外光源与探测器系统中存在最佳匹配性，因热释电探测器中辐射波段及强度的响应呈非线性，单一改变调制频率或供电幅值难以找到探测系统内的最优解方案，采用本发明可实现对各参数的迭代试验，待辐射稳定时对红外响应信号采集并存储，通过最小二乘拟合，获取频率、占空比与红外响应值的函数关系式，并求解该函数的最大值，得到最大值点对应的频率和占空比，在该频率和占空比下能够使得探测器响应值最大，从而实现最大的系统信号收益，最终提高了探测器的检测范围及精度。
39.2、主控单元stm32输出一个参数组合，红外光源输出响应的信号，信号被探测器采集到，探测器输出的电信号经过高精度电流表的锁相放大、滤波、da转换，可以获得精确的响应值，在这一过程中，一个参数组合对应一个红外光源响应、对应一个探测器输出的电信号，对应一个高精度电流输出的数字量响应，都是一一对应，在获取多个参数组合的红外响应中，求得的最大值处的红外光源参数准确对应多个组合参数中的值，从而精准获取待测试样的红外光源的最佳参数。
40.3、有用信号与频率存在依存，而噪声多为基质信号或随机出现，在精密电流表中通过对信号进行锁相放大处理，同时调整周期性频率及占空比数值，实现多参数下的锁相变换，在已知信号变化趋势的情况下更容易滤掉随机噪声，保留有用信号，进一步提高了探测器的测量精度。
41.4、本发明通过在主控单元中设置好各个不同权重的频率和占空比，并依次将各个不同组合的频率和占空比输出给调制控制模块，并自动接收并存储不同组合的频率和占空比下的红外响应值，并根据得到的红外响应值与频率、占空比进行最小二乘拟合，得到红外响应与频率、占空比的函数关系式，并自动求解函数最大值对应的频率和占空比，并将该频率和占空比进行存储，整个过程都是自动实现的，即可以自动获取待测材料对应的红外探测器输出响应最大的频率和占空比。当下次再对该同样的材料进行测试时，直接从主控单元内存中调取该最优频率和占空比，根据该频率和占空比控制红外光源发光，使得测试时，红外探测器输出响应最大。如此，能够节约大量的时间，提高检测效率。
42.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
43.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
44.图1为现有技术中的红外光源调制方式示意图；
45.图2为本发明一个实施例中红外光源加权调制系统示意图；
46.图3为本发明一个实施例中红外光源加权调制方法步骤流程图；
47.附图标记：
48.1-主控单元；2-调制控制模块；3-红外光源；4-输出检测模块；5-红外探测器；6-待测试样
具体实施方式
49.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
50.本发明的应用场景为，在通过红外光源检测待测试件的表面反射率时，由于采用单纯的pwm开关调制方法调制红外光源，输出简单的具有不同占空比的方波信号，不能准确匹配探测器输出响应，难以实现最大的系统信号收益，限制了探测单元的检测范围和精度。
51.红外光源的输出与频率、占空比、光源输入电压有关，不同待测材料对应的最佳红外光源响应的频率、占空比不同。为实现对待测材料反射率测试时，使得红外探测器响应最大，以提高检测精度和范围，需要获取待测材料对应的红外光源的最佳光源占空比和频率。
52.实施例1：
53.本发明的一个具体实施例，公开了一种红外光源加权调制系统，如图2所示，该系统包括：主控单元1、调制控制模块2、红外光源3、待测试样6、红外探测器5、输出检测模块4；
54.调制控制模块2接收主控单元1输出的多组不同权重的频率和占空比，根据所述频率和占空比控制红外光源发出具有所述频率和占空比的红外光；
55.输出红外光经待测试样反射后，由红外探测器接收，输出检测模块获取红外探测器输出信号并经信号处理后得到红外响应值，将所述红外响应值输出给主控单元；
56.主控单元基于所述多组不同权重的频率和占空比、及与多组不同权重的频率和占空比对应的红外响应值计算得到红外响应值最大时的频率和占空比。
57.具体的，待测试样6平放于载台上，红外光源3与红外探测器5位于待测试样6两侧，并且两者位于同一平面上且与待测试样法线所成角度均为45度。如此设置，能够使得红外探测器最大限度的接收待测试样反射的红外光源，提高检测精度。
58.示例性的，待测试样如：陶瓷、不锈钢等材料。
59.优选的，所述主控单元为stm32；
60.具体的，输出检测模块用于将红外探测器输出的电流信号经锁相放大和滤波后，经过ad转换后得到数字量的红外响应值。
61.优选的，输出检测模块为高精度电流表，该高精度电流表内部配置锁相放大模块、滤波模块以及ad转换模块，探测器输出的模拟电流信号经锁相放大模块放大、滤波模块滤波后，由ad转换模块转换为数字信号，该数字信号即为红外响应值；
62.所述高精度电流表具有rs485通讯功能，通过rs485总线将红外响应值发送给主控单元stm32。
63.具体的，调制控制模块2为pwm模块，stm32输出的频率和占空比通过pwm模块以波形的方式作用于红外光源(红外光源的输入电压u固定，并存储在stm32中)，红外光源发射
该频率和占空比的信号到待测试样，经待测试样反射，探测器接收待测试样的反射过来的红外光源的信号，探测器将红外光源信号以电流信号的模拟量输出到高精度电流表，高精度电流表将模拟量的电流信号经过锁相放大、滤波和ad转换转化为数字信号，通过rs485通讯将数字信号发送给主控单元stm32，stm32得到一次频率和占空比的响应y，将其存储到内存中，此时stm32得到响应且将其存储起来后，开始发送下一组的频率和占空比到pwm模块，重复上述的过程，如此循环将所有n*n组不同权重的频率和占空比组合对应的红外响应全部存储到stm32中。
64.在获取每个不同权重组合的频率fi和占空比dj对应的红外响应值y
ij
后，主控单元stm32对所述不同权重的频率fi、占空比dj以及对应的红外响应y
ij
进行最小二乘拟合，获取频率、占空比与红外响应的二元二次函数；
65.计算该二元二次函数的最大值点，获取最大值点对应的频率和占空比。
66.本发明通过在主控单元中预先设置好各个不同权重的频率和占空比，并依次将各个不同组合的频率和占空比输出给调制控制模块，并自动接收并存储不同组合的频率和占空比下的红外响应值，并根据得到的红外响应值与频率、占空比进行最小二乘拟合，得到红外响应与频率、占空比的函数关系式，并自动求解函数最大值对应的频率和占空比，并将该频率和占空比进行存储，整个过程都是自动实现的，即可以自动获取待测材料对应的红外探测器输出响应最大的频率和占空比。当下次再对该同样的材料进行测试时，直接从主控单元内存中调取该最优频率和占空比，根据该频率和占空比控制红外光源发光，使得测试时，红外探测器输出响应最大。如此，能够节约大量的时间，提高检测效率。
67.实施例2：
68.本发明的一个具体实施例，公开了一种基于实施例1中的红外光源加权调制系统的红外光源加权调制方法，如图3所示，方法包括如下步骤：
69.s10、在主控单元中设置具有不同权重的频率f1,f2,...,fn，设置具有不同权重的d1,d2,...,dn；
70.s20、主控单元依次向调制控制模块发送不同权重组合的频率fi和占空比dj；
71.s30、获取每个不同权重组合的频率fi和占空比dj对应的红外响应值y
ij
；
72.s40、对所述不同权重的频率fi、占空比dj以及对应的红外响应值y
ij
进行最小二乘拟合，获取频率、占空比与红外响应的二元二次函数；
73.s50、计算该二元二次函数的最大值点，获取最大值点对应的频率和占空比。
74.具体的，在步骤s10中，所述不同权重的频率fi和不同权重的占空比为：
75.fi＝pif076.dj＝qjd077.其中，pi为频率权重，qj为占空比权重，0＜pi＜1，0＜qj＜1；所述频率权重p1,p2,...,pn、占空比权重q1,q2,...,qn线性递增或递减。
78.示例性的，所述频率权重p1,p2,...,pn可以设置为5％、10％、
…
、95％，所述占空比的权重q1,q2,...,qn可以设置为2％、4％、
…
、98％。
79.具体的权重设置可以根据实际计算精度需要进行设置，权重步长设置的越小，对应的参数取值越密，获得的对应的红外响应值也越多，因此拟合得到的函数精度也越高。
80.在步骤s20和步骤s30中，主控单元依次向调制控制模块发送不同权重组合的频率fi
和占空比dj，获取每个不同权重组合的频率fi和占空比dj对应的红外响应值y
ij
包括：
81.s201：主控单元向调制控制模块发送不同权重组合的频率fi和占空比dj，调制控制模块根据所述频率fi和占空比dj，控制红外光源发出具有所述频率和占空比的红外光信号；
82.s202：输出检测模块检测红外探测器的输出，并将红外响应值发送给主控单元；
83.s203：主控单元收到所述红外响应值后进行存储，并继续发送下一组不同权重组合的频率fi和占空比dj至调制控制模块，重复上述步骤，直至获取到所有不同组合的频率fi和占空比dj对应的红外响应值。
84.具体的，为保证红外探测器的测量精度，需保证数据采集是在红外光源稳定辐射时进行的，因此在测量各组不同权重的频率和占空比对应的红外响应之前，即在步骤s20之前，还包括如下步骤：
85.主控单元向调制控制模块发送初始频率f0和初始占空比d0，调制控制模块根据所述初始频率f0和初始占空比d0控制红外光源发光，主控单元根据输出检测模块的红外响应值判断红外光源辐射是否稳定，稳定后执行下一步。
86.具体的，所述主控单元根据输出检测模块的红外响应值判断红外光源辐射是否稳定，包括：
87.主控单元每隔时间t获取输出检测模块的红外响应值，共获取三次得到三个红外响应值v1、v2、v3；
88.分别获取三个红外响应值与稳定响应值l的差δv1,δv2,δv3；所述光源的稳定响应值l是预先存储在主控单元中的；
89.若δv1/l,δv2/l,δv3/l均小于阈值，且v1、v2、v3不呈递增或递减趋势，则判断此时红外光源辐射稳定，否则为不稳定。
90.实施时，上述时间t可以设置为10s，阈值可以设置为0.01。
91.当红外光源辐射稳定时，获取此时加载在光源上的电压u，在后续改变不同权重组合的频率和占空比时，保持该电压u不变，以使得红外光源稳定辐射。
92.具体的，所述稳定响应值l具体通过如下步骤获取：
93.主控单元向调制控制模块发送初始频率f0和初始占空比d0，调制控制模块根据所述初始频率f0和初始占空比d0控制红外光源发光，连续测量10个周期的输出检测模块的红外响应值l1、l2、
…
、l10，稳定响应值l＝(l1+l2+l3+
…
+l10)/10，将所述稳定响应值存储在主控单元中。
94.实施时，所述每个周期的时间可以设置为10s。
95.对每一个红外光源，在使用前均需要测量稳定响应值，并将该稳定响应值存储在主控单元中，当下次再使用该光源时，仅需要测量三次红外辐射的响应值，并根据上述的判断方法判断光源辐射是否稳定。这样能够节约大量的时间，提高检测效率。
96.在步骤s40中，对所述不同权重的频率fi、占空比dj以及对应的红外响应值y
ij
进行最小二乘拟合，获取频率、占空比与红外响应的二元二次函数。
97.由于红外光源的频率和占空比与探测器响应不是线性关系，经实验和查询资料可得，红外光源的频率和占空比与探测器响应是先上升再下降的趋势。上述拟合得到的函数关系式y＝f(f，d)是通过建立二元二次曲线模型y＝a1+a2f^2+a3f+a4d^2+a5d，将上述的数据和曲线模型采用最小二乘法拟合，得到参数a1、a2、a3、a4、a5的值，进而得到二元函数关系式y
＝f(f，d)。
98.在步骤s50中，计算该二元函数的最大值点，获取最大值点对应的频率和占空比。
99.具体的，所述计算该二元函数的最大值点包括：
100.s501：获取所述二元函数的反函数；
101.所述二元函数y＝f(f，d)的反函数为y＝f-1
(f，d)；
102.s502、利用fminsearch函数获取所述反函数的最小值；所述反函数的最小值即为所述二元函数的最大值。
103.实施时，可以直接采用matlab中的fminsearch函数求解反函数y＝f-1
(f，d)的最小值。该最小值点对应的频率和占空比即为二元函数最大值点对应的频率和占空比。
104.上述频率和占空比即为待测材料对应的探测器响应最大时的频率和占空比，将其存储在主控单元中。
105.对于常见的待测材料如不锈钢、陶瓷等，均可以采用本发明的方法获取该待测材料对应的探测器响应最大时的频率和占空比，将每种材料对应的频率和占空比存储在一个表中，当下次再对该材料进行反射率检测时，主控单元直接调取与该材料对应的频率和占空比，并将该频率和占比比发送给调制控制模块，调制控制模块控制红外光源发出具有所述频率和占空比的红外信号，此时，红外探测器响应值是最大的，能够提高检测范围和精度，同时通过直接调用的方式获取最优的频率和占空比参数，能够大大提高检测效率。
106.本发明采用频率和占空比两种参数同时对光源进行调制，能够使得探测器输出响应值达到最大，有效提高了系统信号收益，提高了探测器检测范围和精度。同时，通过主控芯片能够自动获取每种待测材料对应的探测器响应最大时的频率和占空比，并将各种材料对应的探测器响应最大时的频率和占空比形成一个表格存储在主控单元中，当再次对同样的待测材料进行测试时，直接从主控芯片中调用所述频率和占空比，使得该材料的测试过程，红外探测器响应值始终保持在最大，能够提高检测精度。
107.本发明通过设置多个不同权重的频率和占空比，获取不同权重的频率和占空比的各种组合对应的红外响应值，能够精确的定位最大红外响应值对应的频率和占空比，准确度高。另外，通过对获取的红外响应值和频率、占空比进行最小二乘拟合，能够准确的获取红外响应值与频率、占空比的函数关系式，通过fminsearch函数能够快速定位函数最大值点，从而确定响应最大时对应的频率和占空比。
108.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
109.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。