基于Labview与Proteus消光系数测试系统设计

刘冀洵

【摘要】红外夜视技术在战争中有着重要的地位，而红外消光材料是实现电子对抗无源干扰的重要手段之一，研究红外消光材料的性能变得极其重要，红外消光系数是红外消光性能的重要参数，因此做出了一个测试红外消光系数的系统来判断红外消光性能，该测试系统的理论基础是郎伯定律、能量与电压理论；系统由两大部分组成，Labview作为上位机，以及单片机作为下位机。Labview作为上位机接受下位机传来的数据，并且对数据进行处理，然后显示在虚拟示波器上面，以及对下位机进行控制；下位机主要由单片机组成，把测量的数据通过串口原理传送上位机。在测量的过程中可以对数据进行实时检测，测量的结果表明系统的可行性与稳定性。

【关键词】红外；消光；测量

一、引言

随着科技的发展，对光学的研究也越来越深入[1-6]，众所周知，在夜视技术的发展中，红外热成像有着举足轻重的位置，尤其在隐身，制导等领域中的广泛运用大大提高了夜战能力水平。而增强目标的隐蔽性能有两种方式：其一是降低目标本身的清晰度，但这种方式实现难度较大成本投入也较高；另一种方式可以通过运用红外消光材料的消光作用干扰对方的红外热成像探测系统，以实现我方目标的隐藏。因此材料消光性能的检测在实际应用中具有重要地位，而红外消光系数是表达红外消光性能的参数。国内研究主要以烟幕箱为主，缺点是不可以进行实时检测，没有实现自动化测量。本文基于Proteus作为单片机仿真软件，然后做出单片机实物，Labview[2]做为上位机软件，与单片机进行串口通信，在电脑上面对单片机[7-``]发来的信号进行处理与显示，做出一个红外消光系数检测系统。

二、系统原理

（一）理論原理

目前用于测量红外消光系数的理论[4]主要是朗伯定律，朗伯（Lambert）定律可以阐述为：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关，因此在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光，而光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。

红外吸收系数参数：

（1）

Io开始的能量，I经过物体之后的能量，吸收系数，c物体的密度，l红外经过的长度。

根据红外吸收系数的计算公式，再通过各个参数的测量取值，然后带入计算式，即可获得特定波长下相应材料的红外吸收系数。为了是结果更准确，我们在测量取值的时候可以多次测量取得其平均值作为参考量。

知道了薄膜的吸收系数a和照射光波长l，即可利用以下公式计算薄膜的消光系数k[12-20]：

（2）

（二）测量原理

要测量红外消光系数必须要知道消光前后能量的变化，而红外接收二极管只可以测得两端电压变化，其中电压与能量的关系如下：

红外的光强强度与测量仪器的电压、电流之间的关系：

I=KUaLb （3）

其中I为流光电阻两端的电流；K为光强比例系数；U为光电阻两端的电压；

a为电压指数，近似为1；L为光照强度；b为照度指数。

光强公式可以作为我们数据处理方法可行性的理论证明。

设为初始化的电压与光强的数据，为测得某种材料时候的电压与光强的数据，由公式得以下结论：

（4）

（5）

由此可以根据前后的电压比值计算出介质的吸收系数a，然后把a带入公式（1）、（2）并单位化得：

（6）

三、硬件设计

（一）Labview设计

labview[21-26]实现的功能是与单片机进行串口通信，处理单片机传过来的数据，再在电脑上面显示单片机传送过来的数据显示在电脑上面。具体过程：通过数据采集板接受单片机发来的数据，当串口状态为真时，调用串口属性节点”Bytes at Port”，如果串口缓冲区有X字节的数据就接收X字节的数据。最后，用一个状态机来实现相邻两个字符串的判断。如果串口在相邻两个字符串之间接收时间大于50ms，则判断为两个独立的字符串；如果小于50ms，则自动拼接前后两个字符串。

（二）Proteus设计

硬件的设计由以下几个部分组成：稳压源模块，红外发射模块，红外接收模块，51单片机模块和信号放大模块，0808A/D转换模块以及液晶显示模块。

（1）红外发射/接受模块：

本章选用的是配对的940nm波段红外发射与接受二极管，利用红外发射管的光电特性，VI特性，和环境温度特性，再利用所选取相对简单的一个测量量，然后推出其余的变量。

（2）0808A/D转换模块：

ADC0808是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。在本实验中选择IN0通道作为信号输入，ADC0808的OUT口作为信号的数字输出。

（3）单片机模块

本文选用的是STC89C52RC单片机，单片机的作用是控制0809A/D转换和labview进行串口通讯。具体的管脚连接为：单片机的P3管脚和A/D0809的信号输出端连接。

四、数据分析

在红外发光，接收管两端电压为1.2V（这个时候发射的光线940nm红外，接收头接收红外是最好的），发光管与接收管之间的距离<1cm的情况下测量了以下两种数据。

表1 光子晶体消光系数

时间（分钟） labview测量值（10-6） 理论值（10-6）

10 11.601 11.602

15 11.608 11.603

20 11.608 11.602

25 11.611 11.603

30 11.606 11.602

表1测量的是光子晶体的消光系数，系统在不同时间对玻璃片的消光系数测试结果，其中每组数据都测量了10次，取其平均值得出下面列表。在测量的过程中，Labview系统稳定的测量，从表中数据可以看出，测量值与理论值之间的误差在，根据通用误差判断标准10%*10-6，，系统满足系统有良好的可靠性。满足测量的要求。

五、总结

对红外消光测试系统进行了消光仿真，与测量对比，验证了系统的可行性与可靠性以及稳定性，为后续的仿真和控制打下了良好的基础。依据串口通信原理建立了单片机和Labview之间的联系，实现了基于接口方式的多领域交互式仿真设计环境的构建[27]。Labview软件强大的前面板功能设计作为人机交互界面。整个过程可视化了电压变化，完成精确的压力需求分析。Labview和单片机的联合能够实现电路、控制等领域的综合仿真设计[28-30]。本系统实现了电动化测量红外消光系数，以及可以对数据进行实时的测量，有良好的稳定性与可靠性。

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