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光電傳感器信息融合技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用研究
摘 要 在數(shù)據(jù)信息理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)二者相互融合的作用下，光電傳感器對(duì)目標(biāo)分類(lèi)及識(shí)別的能力也隨之加強(qiáng)，課題研究方向也開(kāi)始從理論方法轉(zhuǎn)移到實(shí)際應(yīng)用這一方面。本文就光電傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用必要、概念優(yōu)點(diǎn)、工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域等方面進(jìn)行簡(jiǎn)單論述。
關(guān)鍵詞 光電傳感器；信息融合技術(shù)；實(shí)際應(yīng)用研究
中圖分類(lèi)號(hào)TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2013）100-0209-02
光電傳感器因其靈敏輕便等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備檢測(cè)裝置中。20世紀(jì)80年代，美國(guó)軍事領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用光電傳感器信息融合技術(shù)；2013年3月15日，美國(guó)國(guó)防先期計(jì)劃研究局（DARPA）公布了在阿靈頓召開(kāi)的已進(jìn)入第二階段的MIST-LR項(xiàng)目會(huì)議，指出在未來(lái)的第三階段，將開(kāi)發(fā)出能夠提升飛行器性能的原型系統(tǒng)傳感器，極大發(fā)揮其在民用和軍事兩個(gè)方面的助推器作用。
1 應(yīng)用必要
第一，光電傳感器獲取信息的過(guò)程實(shí)際是一個(gè)多對(duì)一的對(duì)應(yīng)抽樣過(guò)程，在將客觀世界空間的信息傳輸至傳感器這一過(guò)程中信息丟失的問(wèn)題難以避免；第二，軍事領(lǐng)域中光電傳感器的數(shù)量龐大，急需處理的信息量也繁多冗雜，這些都會(huì)給人工處理帶來(lái)一定困擾，而光電傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用巧妙地解決了這一信息綜合處理的難題；第三，應(yīng)用環(huán)境決定了光電傳感器性能發(fā)揮的好壞，但截至目前尚未有一個(gè)國(guó)家可以開(kāi)發(fā)出適用于任何環(huán)境下且性能優(yōu)于其他類(lèi)型的光電傳感器。
2 概念優(yōu)點(diǎn)
光電傳感器信息融合的過(guò)程正是為了完成目標(biāo)分類(lèi)、識(shí)別及跟蹤等任務(wù)而進(jìn)行信息自動(dòng)分析綜合處理的過(guò)程。軍事領(lǐng)域中的目標(biāo)識(shí)別及跟蹤可以實(shí)現(xiàn)光電傳感器目標(biāo)屬性中的監(jiān)視功能，有利于精確定位與預(yù)估判決。我國(guó)航天技術(shù)的高速發(fā)展離不開(kāi)當(dāng)前最熱門(mén)的技術(shù)之一——航天技術(shù)上光電傳感器信息融合技術(shù)，它能夠有效提高空間的分辨率和系統(tǒng)的可靠性，無(wú)疑成為我國(guó)GDP增長(zhǎng)的“助推器”。
3 工作原理
光電傳感器能夠有效檢測(cè)到光強(qiáng)度變化的情況并將光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。通常情況下，光電傳感器這種小型電子設(shè)備由三部分組成：發(fā)送器、接收器與檢測(cè)電路。發(fā)送器負(fù)責(zé)向目標(biāo)發(fā)射來(lái)源于發(fā)光二極管、激光二極管及紅外射二極管等的光束，不間斷發(fā)射出的光束經(jīng)過(guò)像光圈、透鏡這種光學(xué)元件后達(dá)到由光電二極管、光電三極管及光電池構(gòu)成的接收器中，接收器接收到光束后會(huì)將其傳輸至能夠過(guò)濾該信號(hào)是否有效并決定是否應(yīng)用的檢測(cè)電路。詳細(xì)流程見(jiàn)下圖所示。
需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是發(fā)射板和光導(dǎo)纖維作為光電傳感器結(jié)構(gòu)元件的一種也獨(dú)具特色。眾所周知，三角形的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，因此由極細(xì)小的三角錐體反射材料組成的三角反射板是一種能保證光束可以準(zhǔn)確無(wú)誤地從反射板返回的發(fā)射裝置，其結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)固且具有極強(qiáng)的實(shí)用性。
4 應(yīng)用領(lǐng)域
4.1研制抄表系統(tǒng)
為及時(shí)結(jié)算用戶的電費(fèi)，一般由電力部門(mén)派專(zhuān)門(mén)的抄表人員到有關(guān)用戶處定期走家串戶地查看、抄寫(xiě)設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)的電能表，通過(guò)人工讀取、記錄、計(jì)算和收費(fèi)。這不僅浪費(fèi)人力，而且還會(huì)因人工讀取造成不必要的誤差，給用戶帶來(lái)不必要的麻煩和損失，甚至?xí)l(fā)生不法分子假冒抄表人員入室作案而影響社會(huì)治安。因此，無(wú)論是電力部門(mén)還是用戶們均迫切要求改變當(dāng)前的落后狀態(tài)。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，可以利用光電傳感器來(lái)研制自動(dòng)抄表系統(tǒng)。
電能表的鋁盤(pán)受電渦流和磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，采用光電傳感器則可將鋁盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。如在旋轉(zhuǎn)的光亮的鋁盤(pán)上局部涂黑，再配以反射式光電發(fā)射接收對(duì)管，則當(dāng)鋁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)在局部涂黑處便產(chǎn)生脈沖，并可將鋁盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)采樣轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖數(shù)，并經(jīng)光電耦合隔離電路，送至CPU的T0端口進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。采用光電耦合隔離器可以有效地防止干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)，再結(jié)合其它傳輸方式便可形成自動(dòng)抄表系統(tǒng)。目前自動(dòng)抄表系統(tǒng)沒(méi)有大規(guī)模使用與當(dāng)前的技術(shù)有莫大關(guān)系，這套技術(shù)還有很多需要改進(jìn)之處，相信在未來(lái)幾年隨著技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)抄表將在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
4.2節(jié)能燈具設(shè)計(jì)
光敏傳感器、紅外傳感器、顏色傳感器已進(jìn)入各種自控節(jié)能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案之中，它們的自主控制、方便應(yīng)用使得不少公共照明LED燈具和居家照明燈具實(shí)現(xiàn)智能化。光電傳感器可以協(xié)助公共照明的LED燈具實(shí)現(xiàn)燈光的自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉，可以智能的感應(yīng)人和車(chē)輛進(jìn)出而自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈光，可以智慧的控制LED燈光開(kāi)啟的時(shí)間和控制亮度，甚至按人類(lèi)的意愿自動(dòng)調(diào)整光線的色溫，營(yíng)造人類(lèi)想要的光氛圍。
4.2.1光敏傳感器應(yīng)用
光敏傳感器中最簡(jiǎn)單的電子器件是光敏電阻，它能感應(yīng)光線的明暗變化，輸出微弱的電信號(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)單電子線路放大處理，可以控制LED燈具的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。對(duì)于遠(yuǎn)程的照明燈具，如街燈、庭院燈、草坪燈等都可經(jīng)濟(jì)而簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)節(jié)能自動(dòng)控制。太陽(yáng)能路燈本身是利用太陽(yáng)光發(fā)電、儲(chǔ)能的LED照明燈具，無(wú)需電網(wǎng)供電也就無(wú)需架設(shè)成本不菲的輸電線路，因此使用光敏傳感器可以實(shí)現(xiàn)極低成本、自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉的節(jié)能管理。
4.2.2紅外傳感器應(yīng)用
紅外熱釋電傳感器（PIR）在LED照明中的應(yīng)用已有近十年的歷史。紅外傳感器的視角有限，需要搭配菲涅爾透鏡才能擴(kuò)大探測(cè)區(qū)，才能監(jiān)視移動(dòng)的熱源（人或車(chē)）。菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用：一是聚焦作用，將熱釋紅外信號(hào)折射在PIR上；二是將探測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)的人能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)。
4.3航天技術(shù)應(yīng)用
我國(guó)神舟十號(hào)發(fā)射成功后到與天宮一號(hào)的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，2000多項(xiàng)航天技術(shù)成果移植國(guó)民經(jīng)濟(jì)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展“倍增器”，其中光電傳感器技術(shù)發(fā)揮了重要作用。神舟十號(hào)和天宮一號(hào)對(duì)接機(jī)構(gòu)十分復(fù)雜，由上百個(gè)傳感器、上千軸承組合而成。對(duì)接任務(wù)要求嚴(yán)絲合縫且不能漏氣。另外考慮到飛行器在太空環(huán)境中失重要經(jīng)歷高低溫的變化，因此必須保證對(duì)接時(shí)不出現(xiàn)故障。手控交會(huì)對(duì)接時(shí)要有精確的傳感器測(cè)量設(shè)備，不斷測(cè)量?jī)蓚�(gè)飛行器之間的距離、相對(duì)速度和姿態(tài)等，稍有差池后果不堪設(shè)想。最后對(duì)接時(shí)，要求軸向誤差≤18cm。這些對(duì)航天員的身心都是極大的挑戰(zhàn)，要求他們具有極高的眼手協(xié)調(diào)性、操作精細(xì)性和過(guò)硬的心理素質(zhì)等。在交會(huì)對(duì)接的過(guò)程中，航天員需要緊盯電視圖像，根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)讓兩個(gè)航天器一點(diǎn)點(diǎn)逼近，根據(jù)仔細(xì)計(jì)算決定速度變化方案完成交會(huì)對(duì)接，其中傳感器起到?jīng)Q定性作用，為實(shí)現(xiàn)航天夢(mèng)奠定最強(qiáng)基礎(chǔ)。
4.4工業(yè)自動(dòng)化裝置
光電傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，在工業(yè)上常用于非接觸測(cè)量物位、距離和條碼等信息，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了很多新型的光電傳感器，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè)。相關(guān)應(yīng)用行業(yè)的系列產(chǎn)品如下：
1）光電式煙霧報(bào)警器。沒(méi)有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播，光電三極管沒(méi)有接收信號(hào)，沒(méi)有輸出；有煙霧時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號(hào)輸出，發(fā)出報(bào)警。如今頻遭吐槽的霧霾天氣說(shuō)明環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重，而光電式煙霧報(bào)警器則可通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程的變化檢測(cè)到煙道中的煙塵濁度；2）點(diǎn)鈔機(jī)的計(jì)數(shù)傳感器。具有結(jié)構(gòu)微型化、操作簡(jiǎn)便化、使用耐用型等特點(diǎn)的點(diǎn)鈔機(jī)在我們的日常生活中應(yīng)用頻繁，其不光在金融機(jī)構(gòu)中被大量使用，也逐漸成為一些大型企事業(yè)單位必備的辦公用品，成就其的正是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、精確度高的光電傳感器。點(diǎn)鈔機(jī)的技術(shù)傳感器采用兩組由一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)接收紅外光的光敏三極管組成的紅外光電傳感器，沒(méi)有鈔票時(shí)，接收管受光照導(dǎo)通而輸出為0；有鈔票時(shí)，接收管光通量不足而輸出為1且產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)電路輸入至負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)和顯示的單片機(jī)。只有不斷提升光電傳感器的性能，才能滿足商業(yè)經(jīng)濟(jì)和財(cái)務(wù)自動(dòng)化日新月異變化而產(chǎn)生的高要求。
參考文獻(xiàn)
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