第9章 新型检测技术与仪表

刘玉长第九章新型检测技术与仪表第一节虚拟仪器技术第二节图像检测技术第三节软测量技术刘玉长第一节虚拟仪器技术一、概述虚拟仪器(VirtualInstrument，简记为VI)是指在通用计算机上由用户设计定义，利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以完成信号的采集、测量、运算、分析、处理等功能的计算机仪器系统。刘玉长虚拟仪器特点强调“软件即仪器”的新概念。功能由用户定义，可方便设计、修改测试方案，构成各种专用仪器。可方便地同外设、网络及其他设备连接，可以将信号的分析、实现、存储、打印和其他管理均由计算机完成。系统功能、规模可通过软件修改、增减，简单灵活。价格低廉，可重复使用。技术更新快，开发周期短。采用软件结构、功能化模块，节省硬件开发和维护费用。面向总线接口控制，用户通过软件工具组建各种智能检测系统。刘玉长二、虚拟仪器的构成虚拟仪器通常包括：计算机、应用软件和仪器硬件三部分，其中计算机与仪器硬件又称为虚拟仪器的通用硬件平台。虚拟仪器基本框图刘玉长(一)虚拟仪器的通用硬件平台硬件平台是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、传输和测量结果显示。虚拟仪器的硬件平台主要包括计算机和信号采集调理。计算机包括微处理器、存储器和显示器等，它主要用来提供实时高效的数据处理性能；信号采集调理部分可以是GPIB仪器模块、VXI仪器模块、PXI仪器模块或数据采集卡，主要用来采集、传输信号。常用的虚拟仪器系统是数据采集(DAQ)系统、通用接口(GPIB)仪器控制系统、VXI仪器系统、PXI仪器系统以及它们之间的任意组合。刘玉长1、PC-DAQ测量系统PC-DAQ测量系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为硬件平台配以专用软件组成的测试系统，是构成虚拟仪器的基本构成方式。其中插入式数据采集板(卡)是虚拟仪器中常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给被控对象，用数据采集板(卡)配以计算机平台和虚拟仪器软件便可构成各种数据采集控制仪器系统。目前，插入式数据采集板(卡)技术主要应用于高采样速率及直接控制方面。刘玉长2、通用接口(GPIB)仪器控制系统通用接口GPIB(GeneralpurposeInterfaceBus)是仪器系统互连总线规范，通用接口总线能够把可编程仪器与计算机紧密的联系起来，使电子测量由独立的手工操作的单台仪器向组成大规模智能检测系统的方向迈进。GPIB通用接口仪器系统刘玉长3、VXI总线仪器系统VXI(VEMBusExtensionsforInstrument)总线仪器系统是基于VXI总线平台技术的自动检测系统，是结合GPIB仪器和数据采集板(DAQ)的最先进技术发展起来的高速、开放式工业标准。具有互操作性好、数据传输速率高、可靠性高、体积小、重量轻、可移动性好等特点。一个基本的VXI仪器系统可以由三种不同的配置方案：GPIB控制方案、嵌入式计算机控制方案和MXI总线控制方案刘玉长(1)GPIB控制方案：包括插于通用计算机的GPIB接口板、位于VXI零槽的GPIB-VXI/C模块、连接两者的GPIB电缆、VXI机箱以及若干VXI仪器模块。传输速率约为1Mb/s，如果使用HS488协议，可使GPIB的数据传输速率提高到1.6Mb/s(ISA总线)和3.4Mb/s(EISA总线)，最高可达8Mb/s。其中零槽模块起GPIB和VIX总线翻译器作用。优点在于可利用熟悉的GPIB技术，如同控制一台仪器一样来控制VXI仪器系统，且系统造价较低。缺点是由于GPIB总线的数据传输速率远远低于VXI总线，形成整个系统的数据交互瓶颈。刘玉长(2)嵌入式计算机控制方案：该控制方案的组件包括一个VXI机箱、嵌入式计算机模块、若干VXI仪器模块以及VXI软件开发平台。一个嵌入式计算机模块除具有VXI系统控制功能外，还具有一台通用PC机的全部功能。在该方案中，所有的模块均直接插在VXI机箱的背板总线上，能实现高速的数据传输(40Mbps左右)，且体积紧凑，是实现VXI自动检测系统的最佳方案。但该方案的造价及升级费用较高。刘玉长(3)MXI总线控制方案：该方案包括VXI接口板、位于VXI零槽的VXI-MXI模块、连接两者的电缆、VXI机箱、插于通用计算机的MXI接口板、VXI仪器模块及VXI软件开发平台。在提高数据传输速率方面有很大优势。性价比较高，便于系统的扩散扩展和升级。典型的VXI总线系统配置。刘玉长4、PXI仪器总线系统PXI(PCIExtensionsforInstrumentation)是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，也是虚拟仪器的理想平台。VXI仪器系统和PXI仪器系统之间的主要差别源于它们各自的底层总线结构不同。VXI基于VME总线，而PXI基于PCI总线，PCI在台式PC中广泛应用。使用PCI总线还能够降低产品成本。PXI仪器系统设备尺寸小，它能够为便携式、台式(bench-top)与固定架式(rack-mount)装置提供一个通用平台。由于基于PCI总线结构，PXI仪器系统在性能和集成化上给使用者带来更多好处，例如，PXI设备能被操作系统自动识别。刘玉长(二)虚拟仪器的软件虚拟仪器的软件可以分为多个层次，其中包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设置特定参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常工作状态；应用程序用来对输入计算机的数据进行分析和处理，用户就是通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能；软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，用来显示测量结果等。刘玉长通常在编制虚拟仪器软件时可以采用两种编制方法。一种是传统的编程方法，采用高级语言，如C、C++等，另一种是采用可视化编程语言环境VisualC++、VisualBasic等。在虚拟仪器图形软件开发平台研究方面，LabVIEW是其中一种典型的图形化软件编程平台。刘玉长LabVIEW开发平台LabVIEW开发平台是一种编译性图形化编程语言，它把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成菜单或图标提示的方法选择功能(图形)，并用线条把各种功能(图形)连接起来的简单的图形编程方式。LabVIEW为编程、查错、调试提供了简单、方便、完整的环境和工具。所以，同传统的编程语言相比，采用LabVIEW图形编程方式可以节省大约80%的开发时间，但其运行速度几乎不受影响。LabVIEW除了编程方式与常规语言不同外，它具备常规语言的所有特性。由于LabVIEW采用的是图形化编程方式，所以又称为G语言。刘玉长G语言G语言是一种适合应用于任何编程任务和具有丰富的扩展函数库的图形化编程语言，是LabVIEW的核心。定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。丰富的扩展函数库为用户编程提供了极大的方便。包括常用的程序调试工具，比如允许设置断点、单步调试、数据探针和动态显示执行程序流程等功能。它与传统高级编程语言最大的区别在于编程方式：一般高级语言采用文本编程，而G语言采用图形化编程方式。刘玉长LabVIEW可以完成的主要功能数据采集。数据分析。数据显示。在网络上发布信息。使用MicrosoftOffice工具生成报告。交互式数据管理。刘玉长第二节图像检测技术一、图像检测系统的构成图像检测系统可以分为图像获取和图像处理两大部分。为了采集数字图像，需要两种设备：一是对某个电磁能量频谱段(如可见光、X射线、紫外线、红外线等)敏感的物理器件，二是数字化设备。此外，还要有计算机、图像显示和输出设备。数字图像检测系统框图刘玉长(一)光学成像设备将某个电磁能量频谱段的信号转化为与接收电磁能量成正比的电信号的硬件设备主要有：(1)电子管摄像机；(2)CCD摄像机；(3)CMOS摄像机。在遥感中常用的图像获取设备：(1)光学摄影：摄像机、多光谱像机等；(2)红外摄影：红外辐射计、红外摄像仪、多通道红外扫描仪等；(3)MSS：多光谱扫描仪；(4)微波：微波辐射计、侧视雷达、真实空孔径雷达、合成孔径雷达(SAR)。刘玉长(二)数字化设备数字化设备是完成将光学成像设备得到的模拟电信号转化为数字信号的电路元器件。它可以集成在成像设备中，也可以独立在成像设备之外。前者就是目前流行的数字摄像机，后者即是各类图像采集卡(FrameGrabber或ImageCard)。刘玉长1、图像采集卡分标准和非标准视频图像采集卡两类:(1)标准视频图像采集卡可采集的标准视频信号有：黑白视频、复合视频(CompositeVideo)、分量模拟视频(ComponentAnalogVideo，CAV)和S-Video(Y/CVideo)等。(2)非标准视频图像采集卡可采集的非标准视频信号有：非标准RGB信号、线扫描信号和逐行扫描信号。刘玉长2、数字摄像机和数字图像信号采集卡数字式摄像机是将数字化转换功能集成在摄像机内，直接输出数字图像信号。数字摄像机的输出规格标准一般有：RS-422、RS-644和IEEE1394等数字输出接口标准，可以输出8～16位灰度或24位RGB数据。计算机为了接收数字图像信号，需要根据不同的数字摄像机的输出接口规格来选用不同的数字图像信号采集卡，有些采集卡采用DMA、多通道、多路信号同时传输等技术，可以达到100M/s的数据传输率，可以进行高分辨率图像的实时采集。刘玉长(三)图像存储设备图像存储设备用于暂时或永久存储摄像系统获取的数字图像。可进行数字图像存储的硬件有：(1)图像采集卡帧缓存。(2)计算机内存。(3)硬盘、光盘、磁带存储器。(4)闪存。刘玉长(四)计算机主机计算机用于对数字图像进行管理、分析和处理。这是图像系统应用的主要工作和核心。计算机可以是PC机、微处理器，也可以是工作站。在一些需要高速实时处理的图像板上可装有图像处理器、图像加速器、DSP等微处理器，另外还有一些专供图像处理的计算机。刘玉长(五)图像显示和输出设备将数字图像及其处理的中间过程和结果进行显示和输出的设备主要有：(1)电视图像监视器。(2)计算机显示器。(3)打印机和数码冲印设备。(4)胶片照相机。刘玉长二、图像的描述(一)连续图像设C(x,y,t,)代表像源的空间辐射能量分布，也称图像的光函数，其中(x,y)为空间坐标，t为时间，为波长。图像的光函数是实数并且非负。实际成像系统中，图像的亮度有最大值，因此设0≤C(x,y,t,)≤A式中A是图像的最大亮度。另一方面，实际图像对x,y和t都有限制:-Lx≤x≤Lx，-Ly≤y≤Ly，-T≤t≤T刘玉长标准观测者对图像光函数的亮度响应，通常用光场的瞬时光亮度计量，由下式定义：0d)(),,,(),,(sVtyxCtyxY式中Vs()代表相对光效函数，是人视觉的光谱响应。对于红、绿和蓝光，瞬时光亮度可分别定义为000(,,)(,,,)()d(,,)(,,,)()d(,,)(,,,)()dsssRxytCxytRGxytCxytGBxytCxytB式中Rs()、Gs()和Bs()所谓光谱三刺激值是匹配单位谱色光(波长为)时所要求的三刺激值。刘玉长在多光谱成像系统中，常将所观测到的像场模拟为图像光函数在光谱上的加权积分，因此第i个光谱像场可以表示为:d)(),,,(),,(iiStyxCtyxF式中Si()是第i个传感器的光谱响应。为了简单起见，选择单一的图像函数F(x,y,t)代表实际成像系统中的像场。另外，在许多成像系统中，图像是不随时间改变的，因而时变量可以从图像函数中略去。那么图像函数可以表示为F(x,y)，本节也以这样的函数作为主要研究对象。刘玉长(二)数字图像数字图像处理以连续图像转换为数字图像阵列为基础的。通过图像的抽样和量化，可以完成模拟图像到数字图像的转换。在设计和分析图像抽样系统和重建系统时，一般认为图像是确定的，然而在某些