Обзор проекта

Передо мной стоит задача разработать микропроцессорное устройство, которое при включении может определять источник света (естественный свет, флуоресцентные лампы, светодиодные лампы, лампы накаливания, пламя - лесной пожар). На этом этапе рассматривается только видимый свет.

По моим исследованиям, единственный способ дифференцировать источник света - это анализ спектра излучения и сопоставление его с известными значениями . Пример:

Решения рассматриваются

Измерение RGB композиции соотношения света

Я подумал о том, чтобы пойти по этому маршруту, так как это не кажется слишком сложным, меньшее устройство может быть легко интегрировано в большой проект в качестве детектора лесных пожаров и даже предложено моим руководителем. Но я сомневаюсь, что это будет очень точно, так как некоторые источники света могут иметь близкие значения (интенсивность - это то, что измеряется на длине волны парка шариков).

Датчик, на который я сейчас смотрю, - это цветовой датчик S10917-35GT RGB Hamamatsu , чувствительный только к необходимым длинам волн.

Построение спектрографа высокого разрешения с дифракционной решеткой

Этот маршрут намного сложнее и требует внешней обработки изображений для определения источника света. По сути, вы строите спектрограф с дифракционной решеткой и камерой с высоким разрешением. Изображение обрабатывается с помощью компьютерной программы для построения графика спектра излучения, и вы можете проанализировать график, чтобы определить источник света. Руководство по развитию здесь

К сожалению, это не очень удобно, поскольку мы бы предпочли, чтобы основная задача устройства работала сама по себе без каких-либо сетевых подключений.

Итак, вопрос

• Есть ли недостаток в моем первом решении?
• Есть ли лучшее решение? Желательно может уместиться на автономном устройстве?
• Это, вероятно, было бы далеко, но есть ли датчик, который может анализировать излучение света и предоставлять значения интенсивности в диапазоне выбранных длин волн? Или, по крайней мере, что-то, что поможет мне создать устройство, которое делает такое.

Вы действительно ищете кого-то, кто уже решил это, я полагаю. Но я не знаю ни одного проекта, сам. Так что все, что я могу предложить, это несколько мыслей для рассмотрения.

На спектрометрах:

1. Для устройства спектрометра DVD-RW (не используйте DVD-R, поскольку он будет поглощать значительные полосы в красной области) обеспечивает 1350 , так что это очень дешево и легко доступно.$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$
2. Маленькие мегапиксельные цифровые камеры также дешевы. Можно также использовать массив, но в наши дни кажется, что вся 2D-камера дешевле и более доступна. Так что я бы не стал беспокоиться о массиве.
3. Используя DVD-RW, вы можете фактически отделить желтые спектральные линии ртути при 577 нм и 579 нм. (Но не с компакт-диском.) Я сам сделал это, используя DVD-RW и ртутно-аргоновую лампу.
4. Калибровка длины волны дешево. Просто возьмите ртутно-аргоновую лампу. Вы получите аргоновые линии в первую минуту или около того, затем ртутные линии будут доминировать позже. Из их комбинации вы можете легко откалибровать пиксели вашей камеры в зависимости от длины волны. Лампы Hg-Ar, используемые для калибровки, стоили мне около 8 долларов, но я ожидаю, что сейчас они стоят дороже.
5. Калибровка интенсивности дорогая. Вам нужна стандартная лампа, соответствующая стандартам NIST, и она должна быть откалибрована после использования в течение 100 часов или около того. Это дешевые лампочки, некалиброванные. Но процесс калибровки стоит настоящих денег. Тогда вам также необходимо настроить правильное оптическое устройство. Но это единственный способ выяснить, как каждый из ваших пикселей реагирует на каждую из волн, с которыми он сталкивается. Честно говоря, я попытался бы избежать всего этого и надеюсь, что мне это не нужно или я могу просто применить базовое шаблонное приближение стандартной лампы и не тратить деньги на фактическую калибровку, надеясь, что то, что я получил, было достаточно хорошим. Или просто не заморачивайтесь и используйте подстроенное уравнение и цифру «ну, хорошо», и посмотрите, как это происходит. Скорее всего, вы можете сделать этот шаг и по-прежнему получить полезные результаты, если просто подумать.
6. Вы, вероятно, можете рассмотреть переход от 450 нм до 750 нм, но вы не можете надеяться, что вы превысите октаву с одной решеткой. Возможно, вам понадобится какой-то фильтр, чтобы не смешивать спектральные энергии на одних и тех же пикселях. Или просто не беспокойтесь об этом и поэкспериментируйте.
7. Оптическая перегородка будет желательна, чтобы избежать попадания постороннего света туда, где он не нужен.
8. Тони только что напомнил мне ... тебе понадобится узкая щель - настолько узкая, насколько ты можешь это сделать. Я предпочитаю использовать два лезвия в старинном стиле, которые можно регулировать. Один фиксированный, один подвижный. Но для бумажной коробки для карточек я просто очень осторожно использовал лезвие в точном виде, чтобы создать узкую и равномерно узкую щель.

Я сделал все это, используя лист бумаги (карточный набор), который я распечатывал, а затем вырезал, складывал вкладки, использовал клей Элмера и создавал коробку с перегородками, сделанными по существу из бумаги. В перегородке используется специальное темное флокирование, которое помогает поглощать и блокировать странный свет. DVD вставляется под правильным углом, и на выходе помещается небольшая камера. Я использовал это собственными глазами, чтобы наблюдать за различным освещением в доме, и, на мой взгляд, оно работает ОТЛИЧНО. У меня нет проблем с разграничением ламп накаливания, люминесцентных ламп и светодиодов. И солнце, в этом отношении. Я попробовал DVD-R и сразу увидел огромную пропавшую группу в красном, поэтому я говорю вам, что вам нужен DVD-RW, если вам небезразличен этот регион.

Я мог бы опубликовать некоторые планы для всего этого, я полагаю. Расположение щели, угол DVD и т. Д. Хотя в моей конструкции коробки используется весь DVD-RW (потому что я хотел иметь возможность вставлять другие DVD-носители и / или CD (под другим углом, поэтому я сделал два разных Слоты для вставки для этой цели), только крошечная часть поверхности DVD-RW фактически задействована (если сбит с толку правильно). Поэтому мне также понравилось использовать весь DVD-RW по этой причине, потому что разрезание DVD на куски подчеркнуть это, и я тоже не хотел этого делать.

Просто для небольшого количества информации, коробка использовала наклон 70 мм против 40 мм для DVD (1350 ) и 50 мм против 40 мм для CD ( 625 .) Щель была расположена на 40-мм грани, на расстоянии около 10 мм от одного края в футляре для CD или DVD.$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$

По RGB:

Как я и ожидал, упомянутый вами датчик RGB имеет очень широкое признание длин волн в каждом из трех датчиков. Светодиоды, как правило, имеют очень широкий диапазон чувствительности (они излучают и принимают в широком диапазоне длин волн). Этот датчик имеет умеренно перекрывающиеся характеристики. Я думаю, насколько хорошо все это будет работать для вас, было бы вопросом экспериментов. Вместо этого вы можете применить некоторый компьютерный код, используя ваши кривые и функции отклика датчика, чтобы увидеть, будет ли он исправен. Но я не собираюсь даже пытаться написать это для вас. Возможно, лучше всего было бы, если вы соберетесь сесть, купите датчик и проведете некоторое тестирование с ним. Это может быть просто хорошо для ваших нужд. Но я не могу сказать вам, да или нет, от быстрого сканирования этого. Я также не пытался сделать это с RGB, так что это еще одна причина, по которой я могу

Мне понравился комментарий Евгения о частоте, тоже. Лампы накаливания (и я проверил это с помощью очень чувствительного прибора - с разрешением в десятки микрокельвинов и сотнями микрокельвиновых погрешностей, которые соответствуют стандартам NIST, когда я работаю над такими вещами) будут изменяться примерно на 3% от их амплитуды во время цикла переменного тока на 60 Гц. (Было бы иначе при 50 Гц.) Флуоресцентные лампы работают на частотах сети, а также на высоких частотах (как производятся, так и используются). Но их излучение происходит через люминофоры, которые часто имеют быстрое время отклика. (Некоторые люминофоры являются медленными, порядка миллисекундных тау из-за зависимости от запрещенных переходов триплета в синглет. Но многие из них довольно быстрые - микросекундные таусы.) Возможно, вам придется провести здесь некоторые эксперименты. Но я думаю, что это может быть плодотворно, потому что вы можете создавать электронные схемы для очень узких полос, если хотите. Вы' Я должен беспокоиться о том, чтобы сигнал был согласованным, чтобы вы не насыщали цепь усилителя. Но это выполнимо. Однако я не смотрел на частоты, используемые в современных светодиодных лампах. И я оставлю это вам, чтобы погуглить детали там. Все это говорит, я думаю, что точка зрения Юджина также заслуживает рассмотрения.

Лично? Я бы пошел с DVD-RW, потому что у меня большой опыт в этом, я знаю, что я могу сделать это легко, быстро и дешево, и потому что я думаю, что смогу избежать шага калибровки интенсивности, чтобы добраться туда, куда вам нужно идти. Камеры дешевы, как и лампа Hg-Ar для периодической калибровки длины волны. Это почти не работа вообще. Кроме того, я уже гулял по дому, проверяя различные источники света с помощью ручного бокса для карточек без всякой электроники, и был в состоянии видеть различия в различных источниках света на глаз. Так что я знаю, что могу добраться отсюда.

РЕДАКТИРОВАТЬ: пару изображений из старой флуоресцентной лампы. Один из них по всему спектру, а другой немного увеличен. Довольно крутое отделение ртутного дублета там!

Я специализировался на бинировании светодиодов для подразделения OSRAM компании Siemen несколько лет назад в качестве подрядчика. Так что этот материал частично основан на этом опыте. Сначала мы использовали дорогие спектрофотометры, но через некоторое время переключились на Ocean Optics (гораздо дешевле). Но в то же время я получал массу удовольствия от DVD и CD, которые использовались со всем этим фантастическим калибровочным оборудованием. (Включая калибраторы нитей накала, о которых я забыл упомянуть выше.) Я потратил МНОГО времени, изучая отчеты о человеческих реакциях до и после стандарта CIE 1931 года и более поздних в 1960-х годах. Также очень понравилась работа Эдвина Ленда в конце 1970-х и начале 1980-х - очень интересные вещи.

Я собираюсь согласиться с Джоном, но предложу более простой способ определения источников.

Создайте спектрометр с камерой (используя DVD или другую дифракционную решетку). Сделайте его механически твердым, чтобы камера, решетка и экран не могли двигаться друг относительно друга.

Не беспокойтесь о калибровке - вообще. Вы также можете отключить автоматический баланс белого в камере и использовать фиксированный баланс белого.

Предоставьте вашему детектору примеры различных источников света, которые вы хотите обнаружить, и запишите изображения.

Теперь вы можете использовать выбранные вами методы обработки сигналов, чтобы определить, какая из сохраненных спектрограмм наиболее соответствует текущей спектрограмме.

OpenCV или Gnu Octave или SciPy - все представленные работающие методы для обнаружения сходства.

Здесь уже есть много отличных ответов, но мы дадим несколько конкретных комментариев к вашим последним вопросам:

Есть ли недостаток в моем первом решении?

Недостатком является то, что у вас есть только три точки данных (r, g, b) для оценки цвета, и, в зависимости от различных источников света, которые вы пытаетесь различить, вы не сможете различить их. Это та же проблема, с которой сталкивается цифровая камера, когда она пытается установить баланс белого, и иногда камера угадывает и цвета фотографии искажаются. Однако, если вы позволите цифровой камере отображать известный объект, например, такой же белый лист бумаги, то он, скорее всего, сможет различать источник света большую часть времени.

есть ли датчик, который может анализировать излучение света и предоставлять значения интенсивности в диапазоне выбранных длин волн?

Спектрометр на основе решетки (или призмы) делает именно это; он обеспечивает интенсивность света как функцию длины волны.

В качестве альтернативы, если вам нужно всего несколько датчиков, вы можете просто взять кремниевый фотодетектор и поместить соответствующий оптический фильтр (цветное стекло) перед ним, чтобы позволить только интересующий диапазон длин волн проходить к фильтру. Преимущество этого подхода состоит в том, что отдельные фотодетекторы, вероятно, могут работать быстрее, чем матричный детектор, и могут позволить вам взглянуть на временную структуру характерных образцов света и пятна, таких как флуктуация 60 Гц лампочки или быстрое мерцание пламени.

Вам не нужно создавать свой собственный спектрометр, устройства уже доступны в продаже, как, например, этот ультракомпактный C12666MA от Hamamatsu .

Спектральное разрешение 15 нм вполне могло бы подойти для этой задачи.

Также неплохо отличать постоянный ток на частоте 50/60 Гц, возможно, с помощью отдельного датчика.

Камеры работают в некоторой степени именно так, как вы показываете датчики RGB. Если у вас был опыт попытки запечатлеть насыщенные цвета светодиодов при высокой плотности света, вы поймете, что это ограничения, но для фотографий широкого спектра, как мы знаем, это работает нормально.

Это зависит от того, что вы хотите измерить.

Например, белый свет - это только наше восприятие RGB-сенсоров в наших глазах, и падающий свет может обмануть нас, чтобы думать, что дневной свет - это просто баланс синего и желто-красного фосфорно-конвертированного света, так что пики равны (при преобразовании в коррекцию глаз CIE). уровни)

Но реальность совершенно иная, когда мы сравниваем источник галогена на широком поддоне отраженных цветов и сравниваем с дневным светом 4500-5000'K 81% CRI White LED. Теперь цвета выглядят по-разному из-за отсутствия спектра в источнике.

Для точности, ваша единственная надежда - откалиброванный дифракционный метод. Для грубых падающих цветов глазного яблока, отраженных от бумаги с градиентной шкалой с полноцветной гаммой, будет работать RGB камера. достаточно близко с откалиброванным блоком датчика / детектора RGB и программным обеспечением. Но это не то, как они делают это в промышленности, а именно то, как бумажные сканеры работают с внутренней калибровкой RGB + B / W до начала сканирования.

Профессиональные анализаторы спектра света измеряют x, y, u, v и многие другие параметры белого света.

Таким образом, это старый вопрос, и мне интересно, каково было решение, но просматривая ответы, я удивляюсь, что не вижу достаточно очевидного решения.

Во-первых, вам не нужно анализировать весь спектр. Просто попробуйте образец таким образом, чтобы максимально увеличить разделение источников. Учитывая, что у вас относительно мало источников, вы можете сделать это на глаз или фактически провести анализ PCA или ICA на дискретной версии ожидаемого спектра. Как только вы выбрали несколько спектральных областей, вы можете продолжить.

Во-вторых, я бы серьезно отнесся к инфракрасному региону. В первую очередь потому, что при пожаре там будет много выбросов, но самое главное, потому что датчики в этом регионе очень распространены.

В-третьих, выберите дискретный датчик или комбинацию датчик / фильтр, которая обеспечивает достаточно хороший спектральный отклик в вашей первой желаемой полосе. Обратите внимание, что существует множество недорогих фильтров, фотодиодов, фототранзисторов и PIR-устройств, которые можно выбирать по длине волны (даже одноцветные светодиоды могут работать в крайнем случае).

В-четвертых, если вы делаете это математически, спроецируйте ожидаемые ответы на отклик датчика / фильтра и вычтите их, чтобы вы могли повторить процедуру со следующей значимой полосой. Если нет, просто перекрыть и оценить, какой регион будет дальше.

Обратите внимание, что фильтры также могут быть использованы для удаления полос. Если два датчика покрывают идеальную область, но их отклики слишком сильно перекрываются, вычитание перекрывающейся полосы увеличило бы их различение. ,

После повторения этого два или три раза у вас будет небольшой набор недорогих датчиков, которые вы можете использовать. Поместите некоторые схемы вокруг них и откалибруйте свой ответ с несколькими известными источниками. Если вы правильно сделали разделение, вам потребуется только грубая калибровка для чувствительности вашего фильтра / датчика / схемотехники.

Это в основном идея датчика RGB, но с использованием правильно настроенных бинов длины волны, а не произвольных.

Если вам не нужна очень высокая радиометрическая чувствительность, коллимируйте ее, пропустите через решетку и поместите изображение в линейный сенсорный массив. Анализировать спектр легко, если у вас есть микропроцессор. Одно временное изменение вряд ли будет работать очень хорошо, поскольку потребительские системы освещения сильно различаются по частоте мерцания. Единственные вещи, которые будет трудно отличить от спектра, - это лампы накаливания и пламя. Для этого вы можете использовать временную вариацию, работая в предположении, что пламя будет довольно случайным, а лампа накаливания должна иметь отдельный компонент 60 Гц. Имейте в виду, что электроника имеет тенденцию принимать паразитные 60 Гц, поэтому вам нужно убедиться, что вы видите свет 60 Гц, а не шум 60 Гц. Линейные датчики - это дешевая и простая деталь, которую вы не должны У меня нет проблем с интерфейсом. Единственный способ увидеть это при работе с 3 каналами - это если вы только пытаетесь классифицировать пламя, и вы можете свалить все другие источники света в кучу «пофиг». В этом случае вы можете довольно разумно взять что-нибудь, скажем, с большим количеством NIR, чем синим излучением, в качестве лампы накаливания или пламени. Если вы готовы работать с детекторами MWIR, вы можете пропустить временные колебания и просто посмотреть на пик выбросов CO2. У лампы накаливания не должно быть этого. Это то, что используют многие коммерческие датчики. гораздо больше NIR, чем синего излучения, чтобы быть либо лампой накаливания, либо пламенем. Если вы готовы работать с детекторами MWIR, вы можете пропустить временные колебания и просто посмотреть на пик выбросов CO2. У лампы накаливания не должно быть этого. Это то, что используют многие коммерческие датчики. гораздо больше NIR, чем синего излучения, чтобы быть либо лампой накаливания, либо пламенем. Если вы готовы работать с детекторами MWIR, вы можете пропустить временные колебания и просто посмотреть на пик выбросов CO2. У лампы накаливания не должно быть этого. Это то, что используют многие коммерческие датчики.