多波段红外信号采集和处理系统

于 飞，华宇宁

(沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

红外热探测系统通过摄取目标发射的红外辐射，将其转换为电信号输出，形成可视信号实现对目标的热场进行观测。随着红外探测器和计算机技术的发展，红外探测技术以其远距离、无损测量的优点被广泛应用于军事、公安、医疗，工业监控、交通管理、环境保护及地质勘探等领域。如何准确地采集和处理红外信号是国内外研究的热点。

通过红外热探测系统可以获取大量的红外热辐射信息，如何对采集到的红外热辐射信息进行滤波、平滑，提取峰值等处理是本文研究的主要内容。本文研究基于Labview和VC++软件的红外热信号采集和处理系统，使用Labview和VC++两种软件进行编程，使红外信号的采集更加简便，信号处理更加灵活。该系统主要用于1～3μm、3～5μm、8～14μm的红外热辐射信号进行采集，这是因为辐射电磁波强度在大气中传输会随传播距离的增加而衰减，引起辐射强度衰减的原因是大气对辐射电磁波有折射、吸收和散射的作用，而在这三个波段的电磁波具有较高的透过率，称为电磁波透过的大气窗口。这三个大气窗口均在红外波段，因此这3个大气窗口对从事红外热信号的研究、红外技术的应用尤为重要。

1 系统的硬件设计

多波段红外信号采集和处理系统按其功能模块可以分为信号采集、信号处理、波形显示三部分［1－2］。利用集成电路芯片和虚拟仪器技术构建了一种体积小、质量轻、结构简单的同步红外信号采集和处理系统。

1.1 总体结构

系统由EOS红外探测器、数据采集卡和计算机三部分组成，其结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

红外信号首先由红外探测器采集，红外探测器将红外信号转换为电信号，然后数据采集卡将采集到的模拟电信号转换为数字信号后传到计算机，计算机通过Labview和VC++程序实现对信号的滤波、显示、存储等功能，最后将处理后的红外信号通过显示器呈现给用户。

1.2 硬件选择

系统采用三个红外探测器由美国EOS公司生产，其型号分别为MCT5-010-H、MCT14-010-E、PBSE-010-H，分别能对 1～3μm、3～5μm、8～14μm波段的红外信号数据进行采集，其带宽分别为5～10kHz、5 ～50kHz、5 ～10kHz。

系统采用研华公司生产的PCI-1716/1716L数据采集卡，它带有一个250KS/s16位A/D转换器，1K用于A/D采样FIFO缓冲器，可以提供16路单端模拟量输入和8路差分模拟量输入，还带有2个16位A/D输出通道、16路数字量输入/输出通道和1个10MHz16位计数器通道。系统设计中，要采集的红外信号需先经过斩波器，经过斩波后的红外信号的频率为300Hz。根据采样定理，采集卡的采样频率应该大于信号最高频率的二倍，本系统采集卡的频率设为1000Hz，这样采集卡就能准确地将红外信号采集到。

2 系统软件设计

Labview是虚拟仪器中最具有代表性的图形化编程开发平台，它具有资源共享、使用灵活、界面友好、成本低等优点。本系统设计中利用Labview实现对红外信号的采集、存储、打印等功能。而VC++在数据处理时具有方法灵活多样、交互性好等特点，因此采用VC++来实现对红外信号上升时间、持续时间、总能量等参数的计算。

多通道红外信号采集系统主要由系统登录、数据采集、参数计算和文件管理四部分组成，其结构如图2所示。

图2 红外信号采集和处理模块

2.1 数据采集

数据采集模块主要由四部分组成，分别为触发、采集，提取峰值和均值滤波。当用户正确登入系统后，采集面板会出现提示用户点击触发按钮的对话框，按下触发按钮后采集卡开始采集信号，当采集结束后，采集卡将采集到的信号送入计算机，用于对数据的后期处理。本系统对3路模拟信号的采集，利用采集卡的A0～A2口作为输入端口。当计算机检测到采集信号后开始对信号进行处理，由于检测到的信号为不规则的正弦波信号，而目标信号为平滑曲线信号，所以先要对信号提取峰值，本系统采用的求取峰值的方法是一阶导数法，一阶导数由正变为负的过渡点为峰值点。均值滤波［3］又称为邻域平均法，这种方法的基本思想是用均值来代替原来各点的采样值，表达式为

邻域的大小为均值滤波的核心，即式(1)中m值大小的选取。在大量的实验基础上，根据不同的信号波段选择了不同的邻域值，最后实现了对这三个波段的平滑滤波。

2.2 参数计算

参数计算主要包括计算上升时间、总能量等。上升时间指的是，测量曲线达到某一规定值时所需要的时间，这一规定值可由用户自己设置，测试时间的计算采用拉格朗日二次插值方法。根据预先设定好的规定值，将采集到的数据和规定值做比较，选择和规定值最接近的三个采样值，分别记为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)。对于任意 x 时刻，其信号值y虽然没有直接采样得到，但可以根据实际采样值 y1、y2、y3由拉格朗日(lagrange)二次插值法近似计算得到。其标准的公式为

一般使用的二次插值算法是内插法，即x在区间［x1，x3］的范围内。二次插值法的本质效果是在时间－采样值(x－y)平面上，作出经过(x1，y1)、(x2，y3)、(x3，y3)这 3 点的抛物线，此抛物线上对应的x时刻的数值就是内插计算值。

若令采样时间周期为Ts，也就是x2－x1=x3－x2=Ts，再令 x－x2=Ts。这样式(2)可以写成

所谓能量指的是测量曲线和坐标轴所围成的面积，文中采用积分方法［4］求取能量。因为每次测量曲线的函数是不同的，不能预先写出测量曲线的函数，因此分别求取各个采样点与坐标轴围成的面积，然后将各个面积累加，就是整条测量曲线的能量。例如设采集到的数据值为(xi，yi)、(xi+1，yi+1)，将这两点与坐标轴围成的图形近似看做一个长方形，长方形的宽为xi+1－xi，长方形的高取即y和y的中点，这样可以近ii+1似计算出每个离散点和坐标轴围成的小长方形的面积，最后将它们累加求和就能求出整个曲线和坐标轴围成的面积，即测量曲线的总能量，表达式为

2.3 文件管理

本系统文件管理［5］包括测量数据的保存、测量波形的保存、测量结果的打印、测量波形的打印。使用户能够很方便地对测量文件进行管理，便于对测量结果进行分析。此外，系统还有调取历史文件的功能，调取历史文件是指将记录过的测量曲线重新导入程序界面中，便于用户对测量过的数据进行对比分析。

3 结果显示

图3为采集到的三个通道的原始数据，它是由波峰不同的正弦曲线所组成的，原始曲线不够平滑，并且包含了负半轴的采样数据，所以需要对原始数据进行处理。

图3 原始数据

图4为红外数据测试系统，包括设置部分、显示部分、信息提示和按钮操作区，此程序分别对三个波段的数据进行采集，并且同时显示在一个界面上，用户可以对三个波段的测试结果进行比较。同时也可以看出，经过本系统处理过的曲线只包括红外信号的峰值点和正值部分，经过均值滤波后信号也变平滑了许多，结果显示区将实验样品的测试参数显示在界面上，便于用户对测试样本的性能指标直接进行观测。

图4 操作界面

4 结束语

本系统以 Labview为主要开发平台，结合VC++混合编程实现了多通道红外信号的采集、显示、平滑、求峰、参数计算以及文件的读写和保存等功能。由于在研发过程中将VC++灵活的参数计算功能嵌入到Labview软件中，较好地解决了图形化语言在软件设计中的局限，获得了很好的效果。其系统性能稳定、界面友好和快速处理数据的能力即可以节省人力财力、提高效率，又可以使虚拟仪器和其他计算机语言结合使用。

［1］陈立法，崔春明，葛军，等.多波段实时红外图像信号采集处理系统的设计［J］.红外与毫米波学报，2001，20(6):465－473.

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［5］张宁，薛德庆，张彦斌.基于Labview环境的某装备虚拟仪器测试系统设计［J］.核电子学与探测技术，2007，25(3):532－540.