于 飛，華宇寧

(沈陽理工大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110159)

紅外熱探測系統(tǒng)通過攝取目標發(fā)射的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出，形成可視信號實現(xiàn)對目標的熱場進行觀測。隨著紅外探測器和計算機技術(shù)的發(fā)展，紅外探測技術(shù)以其遠距離、無損測量的優(yōu)點被廣泛應用于軍事、公安、醫(yī)療，工業(yè)監(jiān)控、交通管理、環(huán)境保護及地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。如何準確地采集和處理紅外信號是國內(nèi)外研究的熱點。

通過紅外熱探測系統(tǒng)可以獲取大量的紅外熱輻射信息，如何對采集到的紅外熱輻射信息進行濾波、平滑，提取峰值等處理是本文研究的主要內(nèi)容。本文研究基于Labview和VC++軟件的紅外熱信號采集和處理系統(tǒng)，使用Labview和VC++兩種軟件進行編程，使紅外信號的采集更加簡便，信號處理更加靈活。該系統(tǒng)主要用于1～3μm、3～5μm、8～14μm的紅外熱輻射信號進行采集，這是因為輻射電磁波強度在大氣中傳輸會隨傳播距離的增加而衰減，引起輻射強度衰減的原因是大氣對輻射電磁波有折射、吸收和散射的作用，而在這三個波段的電磁波具有較高的透過率，稱為電磁波透過的大氣窗口。這三個大氣窗口均在紅外波段，因此這3個大氣窗口對從事紅外熱信號的研究、紅外技術(shù)的應用尤為重要。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

多波段紅外信號采集和處理系統(tǒng)按其功能模塊可以分為信號采集、信號處理、波形顯示三部分［1－2］。利用集成電路芯片和虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一種體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單的同步紅外信號采集和處理系統(tǒng)。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由EOS紅外探測器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

紅外信號首先由紅外探測器采集，紅外探測器將紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳到計算機，計算機通過Labview和VC++程序?qū)崿F(xiàn)對信號的濾波、顯示、存儲等功能，最后將處理后的紅外信號通過顯示器呈現(xiàn)給用戶。

1.2 硬件選擇

系統(tǒng)采用三個紅外探測器由美國EOS公司生產(chǎn)，其型號分別為MCT5-010-H、MCT14-010-E、PBSE-010-H，分別能對 1～3μm、3～5μm、8～14μm波段的紅外信號數(shù)據(jù)進行采集，其帶寬分別為5～10kHz、5 ～50kHz、5 ～10kHz。

系統(tǒng)采用研華公司生產(chǎn)的PCI-1716/1716L數(shù)據(jù)采集卡，它帶有一個250KS/s16位A/D轉(zhuǎn)換器，1K用于A/D采樣FIFO緩沖器，可以提供16路單端模擬量輸入和8路差分模擬量輸入，還帶有2個16位A/D輸出通道、16路數(shù)字量輸入/輸出通道和1個10MHz16位計數(shù)器通道。系統(tǒng)設(shè)計中，要采集的紅外信號需先經(jīng)過斬波器，經(jīng)過斬波后的紅外信號的頻率為300Hz。根據(jù)采樣定理，采集卡的采樣頻率應該大于信號最高頻率的二倍，本系統(tǒng)采集卡的頻率設(shè)為1000Hz，這樣采集卡就能準確地將紅外信號采集到。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

Labview是虛擬儀器中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺，它具有資源共享、使用靈活、界面友好、成本低等優(yōu)點。本系統(tǒng)設(shè)計中利用Labview實現(xiàn)對紅外信號的采集、存儲、打印等功能。而VC++在數(shù)據(jù)處理時具有方法靈活多樣、交互性好等特點，因此采用VC++來實現(xiàn)對紅外信號上升時間、持續(xù)時間、總能量等參數(shù)的計算。

多通道紅外信號采集系統(tǒng)主要由系統(tǒng)登錄、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)計算和文件管理四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紅外信號采集和處理模塊

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊主要由四部分組成，分別為觸發(fā)、采集，提取峰值和均值濾波。當用戶正確登入系統(tǒng)后，采集面板會出現(xiàn)提示用戶點擊觸發(fā)按鈕的對話框，按下觸發(fā)按鈕后采集卡開始采集信號，當采集結(jié)束后，采集卡將采集到的信號送入計算機，用于對數(shù)據(jù)的后期處理。本系統(tǒng)對3路模擬信號的采集，利用采集卡的A0～A2口作為輸入端口。當計算機檢測到采集信號后開始對信號進行處理，由于檢測到的信號為不規(guī)則的正弦波信號，而目標信號為平滑曲線信號，所以先要對信號提取峰值，本系統(tǒng)采用的求取峰值的方法是一階導數(shù)法，一階導數(shù)由正變?yōu)樨摰倪^渡點為峰值點。均值濾波［3］又稱為鄰域平均法，這種方法的基本思想是用均值來代替原來各點的采樣值，表達式為

鄰域的大小為均值濾波的核心，即式(1)中m值大小的選取。在大量的實驗基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的信號波段選擇了不同的鄰域值，最后實現(xiàn)了對這三個波段的平滑濾波。

2.2 參數(shù)計算

參數(shù)計算主要包括計算上升時間、總能量等。上升時間指的是，測量曲線達到某一規(guī)定值時所需要的時間，這一規(guī)定值可由用戶自己設(shè)置，測試時間的計算采用拉格朗日二次插值方法。根據(jù)預先設(shè)定好的規(guī)定值，將采集到的數(shù)據(jù)和規(guī)定值做比較，選擇和規(guī)定值最接近的三個采樣值，分別記為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)。對于任意 x 時刻，其信號值y雖然沒有直接采樣得到，但可以根據(jù)實際采樣值 y1、y2、y3由拉格朗日(lagrange)二次插值法近似計算得到。其標準的公式為

一般使用的二次插值算法是內(nèi)插法，即x在區(qū)間［x1，x3］的范圍內(nèi)。二次插值法的本質(zhì)效果是在時間－采樣值(x－y)平面上，作出經(jīng)過(x1，y1)、(x2，y3)、(x3，y3)這 3 點的拋物線，此拋物線上對應的x時刻的數(shù)值就是內(nèi)插計算值。

若令采樣時間周期為Ts，也就是x2－x1=x3－x2=Ts，再令 x－x2=Ts。這樣式(2)可以寫成

所謂能量指的是測量曲線和坐標軸所圍成的面積，文中采用積分方法［4］求取能量。因為每次測量曲線的函數(shù)是不同的，不能預先寫出測量曲線的函數(shù)，因此分別求取各個采樣點與坐標軸圍成的面積，然后將各個面積累加，就是整條測量曲線的能量。例如設(shè)采集到的數(shù)據(jù)值為(xi，yi)、(xi+1，yi+1)，將這兩點與坐標軸圍成的圖形近似看做一個長方形，長方形的寬為xi+1－xi，長方形的高取即y和y的中點，這樣可以近ii+1似計算出每個離散點和坐標軸圍成的小長方形的面積，最后將它們累加求和就能求出整個曲線和坐標軸圍成的面積，即測量曲線的總能量，表達式為

2.3 文件管理

本系統(tǒng)文件管理［5］包括測量數(shù)據(jù)的保存、測量波形的保存、測量結(jié)果的打印、測量波形的打印。使用戶能夠很方便地對測量文件進行管理，便于對測量結(jié)果進行分析。此外，系統(tǒng)還有調(diào)取歷史文件的功能，調(diào)取歷史文件是指將記錄過的測量曲線重新導入程序界面中，便于用戶對測量過的數(shù)據(jù)進行對比分析。

3 結(jié)果顯示

圖3為采集到的三個通道的原始數(shù)據(jù)，它是由波峰不同的正弦曲線所組成的，原始曲線不夠平滑，并且包含了負半軸的采樣數(shù)據(jù)，所以需要對原始數(shù)據(jù)進行處理。

圖3 原始數(shù)據(jù)

圖4為紅外數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)，包括設(shè)置部分、顯示部分、信息提示和按鈕操作區(qū)，此程序分別對三個波段的數(shù)據(jù)進行采集，并且同時顯示在一個界面上，用戶可以對三個波段的測試結(jié)果進行比較。同時也可以看出，經(jīng)過本系統(tǒng)處理過的曲線只包括紅外信號的峰值點和正值部分，經(jīng)過均值濾波后信號也變平滑了許多，結(jié)果顯示區(qū)將實驗樣品的測試參數(shù)顯示在界面上，便于用戶對測試樣本的性能指標直接進行觀測。

圖4 操作界面

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以 Labview為主要開發(fā)平臺，結(jié)合VC++混合編程實現(xiàn)了多通道紅外信號的采集、顯示、平滑、求峰、參數(shù)計算以及文件的讀寫和保存等功能。由于在研發(fā)過程中將VC++靈活的參數(shù)計算功能嵌入到Labview軟件中，較好地解決了圖形化語言在軟件設(shè)計中的局限，獲得了很好的效果。其系統(tǒng)性能穩(wěn)定、界面友好和快速處理數(shù)據(jù)的能力即可以節(jié)省人力財力、提高效率，又可以使虛擬儀器和其他計算機語言結(jié)合使用。

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