基于嵌入式平台的红外光光谱成像系统设计*

牛传明 段仁武

(六安职业技术学院 安徽六安 237158)

红外光光谱成像系统利用分光光栅作为分光器件，可以对多个器件进行复用，使其工作频带宽、频谱分辨率高、结构紧凑[1-3]的特点得以展现。但是，由于光栅的开口光阑设置在分格光栅上，因此，在各个光栅区内，由于多个光栅区的不同频段的衍射光会造成多个通道间的相互干扰，使其很难用消叠级滤波器消除，从而影响图像的质量[4]。如李飞等人设计的望远镜光学成像系统[5]，该系统利用3通道方式，且通道成像带宽为固定数值，依据光栅范围形成图像，受其带宽影响，成像频谱范围较小，若实现大范围成像需经过图像拼接，计算繁琐；单秋莎等人设计的中波红外成像系统[6]，该系统通过冷屏叠加方式形成图像，其冷光阑效率较差导致其成像效果较差。

嵌入式平台是依据特殊需求将平台嵌入到受控制器件内部的平台，通过PC端控制的形式输入相关指令完成指令任务，因此文章设计基于嵌入式平台的红外光光谱成像系统，以提升红外光成像水平。

1基于嵌入式平台的红外光光谱成像系统设计

1.1系统结构

依据红外光光谱成像理论，以横向扫描的方式对待成像目标扫描后，将光谱信号发送至ARM嵌入式平台内，经过数据采集和处理后得到待成像目标的二维图像。

1.1.1ARM嵌入式处理器 ARM称为微型处理器，也代表一项技术，文章使用ARM9微型处理器，如图1所示。

图1 ARM9微型处理器内部结构示意图

1.1.2嵌入式平台软件层次结构 嵌入式平台软件设计是文章系统的关键环节之一，利用嵌入式平台软件充分发挥软硬件之间整体效用。具体嵌入式平台软件层次结构如表1所示。表1中，嵌入式平台软件可完整展现红外光光谱成像系统特征，可利用增减某特定模块达到系统实际应用要求，嵌入式平台软件负责实现软件、硬件资源分配、控制等功能。设备驱动层负责初始化硬件、为软件提供访问接口、进行读写操作等。应用软件层和中间层负责软件安装、卸载和网络通信等功能。

表1 嵌入式平台软件层次结构

1.2基于滤波反投影的红外光光谱图像重建方法

p表示红外脉冲激光，p(r，t)表示红外脉冲激光在t时刻r位置处，p0(r)表示初始光源，初始光源会激发脉冲激光位置，则脉冲激光位置满足波动表达式如下：

(1)

其中：

p0(r)=Γ(r)A(r)

(2)

(3)

上述式中，光束、体积膨胀系数、比热、光吸收分布、梯度分别为Vs、β、Cp、A、▽。

(4)

式(4)中，i为傅里叶系数，k为变量。

(5)

(6)

(7)

封闭面的边界条件如下：

(8)

式(8)中，r1、r分别位于封闭面的内部和外部。

(9)

当脉冲激光满足下式时：

(10)

则脉冲激光反演表达式如下：

(11)

使用傅里叶法建立投影，其表达式如下：

(12)

(13)

利用式(12)计算S0表面时，则有：

(14)

(15)

其中，

(16)

(17)

滤波反投影的红外光光谱图像重建步骤如下：

(1) 计算光信号。

(2) 利用红外光谱信号获取频域。

(3) 计算封闭面的立体角。

(4) 获取红外激光脉冲时域，实现红外光光谱图像重建。

2仿真测试

为验证文章系统实际应用效果，测试文章系统在光谱采集、处理效率、噪声干扰等方面使用效果，为更加清晰体现该系统性能，同时使用文献[5]系统、文献[6]系统开展红外光光谱成像测试。

2.1光谱采集测试

使用三种系统采集同一待成像目标光谱，绘制其光谱图，并与该待成像目标实际光谱图进行对比，结果如图3所示。分析图2可知，光谱的强度随着波长的增加呈现峰状，文章系统采集的光谱强度值与实际光谱最为接近，在波长为4800～7800mm左右时，文章系统采集的光谱与实际光谱几乎重合，而文献[5]系统和文献[6]系统所采集的光谱均与实际光谱差别较大，三种系统采集的光谱与实际光谱最大强度差值分别为30、300、90，由此可知，文章系统在光谱采集方面具有较高优越性。

图2 三种系统采集光谱测试结果

2.2处理效率测试

统计三种系统在不同图像分辨率情况下的处理时间与速度提升比情况，结果如表2所示。分析表2可知，随着图像的分辨率增加，三种系统的处理时间也随之增加，当图像分辨率为320×240时，三种系统中文献[5]系统处理时间最低，随着图像分辨率增加，其处理时间增加迅速；当分辨率增加至960×720时，文章系统处理时间最低，较文献[5]系统和文献[6]系统分别低0.126s和0.199s，而文章系统的速度提升比高于两种对比系统，由此可知，文章系统具有较高处理效率。

表2 三种系统处理时间对比/s

2.3系统传输性能测试

分别使用三种系统测试红外光穿过矿泉水瓶、小白鼠身体时的回波幅值情况，结果如图3所示。分析图4可知，当红外光波穿过矿泉水瓶时的回波幅值明显低于穿过小白鼠身体时的回波幅值，而文章系统测试的回波幅值波动幅度明显高于文献[5]系统和文献[6]系统，且回波幅值波动区间为-0.2～0.32v之间，而文献[5]系统和文献[6]系统的幅值波动区间分别为-0.1～0.2v和-0.1～0.3v之间，由此表明，文章系统数据传输性能较强。

(a)文章系统

(b)文献[5]系统

(c)文献[6]系统

2.5红外光光谱成像测试

分别使用三种系统进行苹果的红外光光谱成像，成像现场如图4所示。

图4 苹果的红外光光谱成像现场

三种系统的红外光光谱成像质量测试结果如图5所示。

(a)文章系统

(b)文献[5]系统

(C)文献[6]系统

分析图5可知，三种系统所绘制的苹果图像中，文章系统所绘制的图像清晰度最高，且几乎无噪声干扰点，而文献[5]系统绘制的图像存在较多的噪点干扰，文献[6]系统所绘制图像的噪点虽然较少，但是存在一个致命的缺陷，就是绘制精度较低，难以绘制出苹果的破损与缺陷部分。因此，说明文章系统具有较强的红外光光谱成像质量。

3结论

文章利用嵌入式平台设计了基于嵌入式平台的红外光光谱成像系统，从光谱采集、处理效率、红外光光谱成像等方面展开测试，实验结果表明：文章系统在波长为4800mm～7800mm时，所测的光谱与实际光谱几乎重合，光谱采集能力较高；回波波动区间在-0.2～0.32v之间，波动幅度较大，传输性能强；绘制的红外光光谱图像清晰度高，且无噪声干扰，成像能力优秀。