基于光纤光栅传感的数字化文物智能保护系统

付会军

(南阳市张衡博物馆， 河南，南阳 473000)

0 引言

文物是人类历史发展的宝贵遗产，具有重要的研究价值，自人类文明诞生以来，在历史发展的长河中留下了无数的文化遗产，为后世提供了大量研究过去文化发展的资源。文物作为历史文化流传至今的主要载体，具有为历史文化研究工作提供研究对象的重要意义[1-2]。随着科学技术的发展，文物数字化保护成为当前文物保护领域的主要技术，这是利用现代手段实现文物数字化管理与保护的技术。随着文物保护热潮的掀起，文物数字化技术也逐渐被应用到文物保护方面。相对于原有的文物保护技术，数字化文物保护技术具有结构简单、存储安全的特点。相对于原始的保护方式，这种文物保护方法可有效保存文物的三维信息，降低文物采集数据结果与文物实际数据之间的差异。文物保护技术对于文物传承与保护具有推动意义，为世界文物保护问题提供了一个可行的实施方案。

当前数字化文物智能保护系统成为数字化文物保护的主要实施载体，大部分的专家学者设计了多种数字化文物智能保护系统，这些系统在提高文物保护效果的同时，也存在部分问题。文献[3]中提出了一种应用区块链去中心化技术，使用数据化技术实现文物保护的方法。此方法在处理时操作过程较为复杂，用户使用效果较差。针对此案例研究结果，在本次研究中选择光纤光栅传感技术对当前数字化文物智能保护系统进行优化，设计基于光纤光栅传感的数字化文物智能保护系统。光纤光栅传感技术具有传统技术不具备的应用优势，可为文物保护工作提供帮助。本次研究结束后，将进行应用测试，对此次设计系统的应用效果进行分析。

1 基于光纤光栅传感的数字化文物智能保护系统硬件设计

根据本次研究中选定的光纤光栅传感技术对当前系统硬件构架展开优化，优化后的硬件构架如图1所示。

根据图1所示的数字化文物智能保护系统硬件构架，对当前的硬件结构进行分析，选择合适的硬件对当前硬件框架进行补充与完善，并将优化后的硬件框架作为软件构建的基础。

1.1 光纤光栅传感器选型

在文物参数的测量过程中，不仅要保证测量精度，还需要保证系统具有较好的耐久性。在保证功率的同时，还要保证测量数据的远距离输出[4-5]。因此，在本次研究中，将光纤光栅传感器参数进行设定，如表1所示。

表1 光纤光栅传感器参数

使用此参数后，完成光纤光栅传感器的搭建过程，使其具有测量误差小、可靠性好、灵敏度高等特点。将采集到的数据通过光纤传送到解调器中，对不同的数据进行解调，从而得到完整的文物数据。

1.2 中央控制器设计

在硬件架构中引入光纤光栅传感器后，对于系统的中央控制器芯片展开设计。将CC2530传感器作为核心芯片，此芯片支持IEEE802.15.4标准[6-7]的无线传感器网络协议，有效解决传感器不易控制的问题。优化后的芯片结构如图2所示。

图2 核心控制器芯片结构

在此芯片中增加电源电路、传感器电路以及显示器电路，上述电路直流电压控制在3.5 V左右，如电压过高时，在电路中安装AMS系列稳压芯片将电压降低到固定电压。

1.3 通信接口结构设定

根据上述设定的硬件，对系统的通信接口进行优化设计。选用TOREX系列芯片[8]作为主要控制器，在网关电路中增设WiFi模块与中央控制器相连，保证此模块中具有至少4个串口电路。网关电路示意图如图3所示。

图3 通信接口电路示意图

将此通信接口与传感器解调器相连接，串口电路3与WiFi模块相结合，串口电路4与中央控制器相连接。

将上文中设定的硬件设备有序连接，并将其安装到当前系统硬件框架中，完成系统硬件部分优化设计。

2 数字化文物智能保护系统软件设计

2.1 文物数据采集

为了获取高品质的数字化文物数据采集结果，在本次研究中使用光纤光栅传感器对文物进行测量。为了控制传感器的使用效果，对传感器的反射率F与透射率T进行设定，具体公式如下：

(1)

式中，α2表示传感器自耦合系数,β2表示传感器交叉耦合系数,g表示光线长度。根据此公式可得到光栅峰值波长，具体公式如下：

χi=2Fg

(2)

由此公式可得到传感器中央波长：

(3)

根据上式可得到反射带宽，通过反射带宽，采集文物数据Δχr，其计算过程：

(4)

使用上述公式，对传感器的相应参数进行设定，保证文物数据采集的精度。

2.2 文物数据信息管理

为了更好的完成文物的保护工作，对传感器采集到的文物数据进行分类处理，文物数据分类后结果如表2所示。

表2 文物数据类别划分

对采集到的文物数据进行分类处理后，根据协同管理理论[9-10]对文物数据信息进行管理，将管理模式设定为单向管理与双向管理模型，具体如下：

Z=h1Z1+h2Z2+h3Z3+…+hiZi

(5)

其中，Zi表示文物数据信息采集结果的第i类文物数据,h1表示文物数据协同系数。使用式(5),实现文物数据信息的管理，并将处理后的文物数据信息收录到数据库中，为后续的文物保护提供基础。

2.3 文物三维数字模型构建

使用上文中设定的内容，构建文物三维数字模型完成文物保护工作。将文物上的三维点(x,y,z)对应到文物图像上的点(e,f)，将不同图像的坐标上相应的(e,f)点，对应到同一个三维点(x,y,z)中，则文物的表面形状可表示为

s=ΔχrZ(x,y,z)

(6)

z轴的法定向量[11]为非负，将文物三维重建变量分别设定为w和v，则有：

(7)

由式(7)可以看出，文物的表面向量可表示为[w,v,-1]，(w,v)表示文物在二维平面中的梯度。根据此梯度，可得到文物三维模型梯度变量函数[12]：

D(x,y)=s(w,v)(e,f)

(8)

将采集到的文物数据点应用式(8)进行计算，得到文物三维模型，并使用此模型作为文物智能保护过程中的主要内容。根据文物保护的相关要求，对模型进行优化，实现本次研究目的。将上文中优化后的硬件与软件有序结合，至此，基于光纤光栅传感的数字化文物智能保护系统构建完成。

3 仿真实验分析

3.1 系统测试平台

针对本次研究中设计的基于光纤光栅传感的数字化文物智能保护系统，构建系统测试环节对其系统性能进行分析。本次将光纤系统与当前系统进行性能对比，以此验证光纤系统的使用效果，针对当前系统与光纤系统的硬件要求与软件模块开发环境，系统测试平台设定如表3所示。

表3 系统测试平台参数

使用上述平台参数完成系统测试平台的组建过程，使用此平台完成系统测试过程。

3.2系统测试方案

本次系统测试将首先对光纤系统的功能进行测试，选定功能测试项，对此系统的功能进行分析，当光纤系统的功能符合使用要求后，进行系统对比测试。选择10种不同类型文物作为测试目标，使用当前系统与光纤系统对其展开保护处理，具体文物数据如表4所示。

表4 测试目标数据

使用光纤系统与当前系统对上述测试目标进行处理，将系统测试指标设定为文物基础数据采集精度以及文物模型构建误差两部分，通过此两组指标对光纤系统与当前系统的系统性能进行分析。

3.3 系统测试结果分析

采用本文设计的基于光纤光栅传感的数字化文物智能保护系统进行功能性测试，测试结果如表5所示。

表5 光纤系统功能性测试

根据以上光纤系统功能性测试结果可以看出，光纤系统可完成上述设定功能测试全部指标，并得到较好的测试结果。为了验证本文系统的有效性，采用本文设计光纤系统、传统系统1和传统系统2进行文物基础数据采集精度测试，对比结果如图4所示。

图4 文物基础数据采集精度

在本次研究中，将系统的文物基础数据采集精度体现为文物细节数据的获取精度。根据此测试结果可以发现，光纤系统的数据采集精度较高，可获取到文物细节部分的数据，提高后续文物修复与保护的精度。与光纤系统对比可以发现，当前系统的文物数据采集能力较差，无法获取文物细节部分的数据。尤其当测试对象为CSMB-09与CSMB-10时，当前系统仅能获取大面积文物数据，细节数据无法获取。由此测试结果可知，光纤光栅传感器具有一定的应用效果，且光纤系统的使用效果优于当前系统。

为了进一步验证本文系统的有效性，对本文设计光纤系统、传统系统1和传统系统2的文物模型构建误差进行对比测试，测试结果如表6所示。

表6 文物模型构建误差

由上述系统测试结果可以看出，光纤系统可构建出精度较高的文物三维模型，根据此模型可有效提高系统的文物保护能力。反观当前系统，由于无法获取到高精度的文物细节数据，构建出的文物三维模型缺乏细节点的描述，整个模型过于扁平，对于数字化文物保护无法起到应有帮助。与此同时，在一定程度上制约了文物保护技术的发展。在未来的研究中，还需要对数据采集部分进行优化，以此保证系统的应用效果。

对上述系统测试结果进行整合后可以发现，光纤光栅传感器在使用后，可有效提升文物智能保护系统的应用性能，保证系统的应用效果。

4 总结

对本次研究中的系统设计过程进行总结可以发现，光纤光栅传感器的使用有效提升了当前系统的文物数据采集精度，并赋予文物保护过程应有的数据基础，在一定程度上提升了系统的使用效果。本次研究中还存在相应的不足，在日后的研究中还需要进行针对性优化，为日后的文物保护过程提供更加坚实的平台。