CN109374131A - 一种基于dmd编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪，包括匀光片、望远物镜、棱镜、DMD、准直透镜、闪耀光栅、聚焦透镜和CCD相机，入射光经由所述匀光片匀光后经由所述望远物镜聚焦在所述DMD上进行编码；编码后的光线经过所述棱镜反射再经过所述准直透镜准直，经过所述准直透镜之后的平行光线入射到所述闪耀光栅；色散后的叠加光谱经过所述聚焦透镜聚焦后由所述CCD相机采集，记录整个哈达玛循环矩阵的所有色散叠加后的光谱矩阵测量值。本发明的基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪有更好的信噪比和响应速度，可以采集面阵光谱，采用可更换光栅设计有更好的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪。
背景技术
焊接是制造业的重要加工工艺方法之一，被广泛的应用于各种材料和结构件的加工制造。由于焊接过程中电弧是一种无规律且存在较大时变性的气体放电现象，具有很高的温度，同时对外辐射出强烈的弧光，这研制了大部分常用的检测方法。另外电弧具有复杂的相互作用过程且受多种因素影响，使得检测更加困难。国内外学者一直在寻找方法对电弧焊的物理特性进行研究。光辐射是电弧焊等离子体最基本、最重要的物理现象之一，这一辐射特性表征了电弧丰富的光谱信息，因此，光谱法成为最常用、最便捷的方法。光谱法是借助光谱仪将电弧光辐射分解为一系列波长的谱线且保存着这些谱线的强度信息，选择出其中的特征谱线，由于电弧内部的局部热力学状态，可以根据选择出的特征谱线的强度信息与电弧等离子体内部的温度、压力、粒子浓度和成分等因素的关系来反映电弧内部的物理状态等信息。与其他焊接探测方法相比，光谱法有着许多优点：
1、信息丰富。从紫外覆盖到红外谱段的范围，包括了等离子体各种粒子的特征波段的谱线信息，而且特征谱线数量还不止一根。另外还包括了熔池金属、保护气等辐射谱。所以，光谱不仅能反映检测物质的种类，还包括有电弧内部各物理参量的信息。
2、灵敏度高，选择性好。元素特征谱线在整个谱线范围内所在位置不会受外界条件的影响而改变，而且即使是浓度为百万分之一的粒子，也能准确的通过元素的特征谱线找到。同时可以根据元素在某个频域分布的情况来分析焊接情况。不同的元素可以选择不同的谱线进行检测，选择性好。
3、无介入性，抗干扰能力强。电弧光光谱信息的获取过程不需要与焊接系统进行接触，对电弧不产生干扰，同时也不受被测物体电磁场的影响，移动的选择性强，同时具有很好的客观性。
4、时空分辨率高。借助于聚焦成像和扫描采集系统，因此可以获得较高的时间、空间分辨率。
传统的商用的光纤光谱仪，虽然便于携带但是每次只能测量单点的光谱，无法对于更宽视场范围的光谱进行测量，限制了其应用。同时其无法更换任何器件，限制了其可扩展性与应用场景。
为了获得瞬态和高光通量的光谱，人们提出了一些有创造性的比如基于压缩感知、计算狭缝和逆卷积的光谱仪。这些光谱仪使用数值计算的方法是提升信噪比，然而与基于编码的光谱仪相比，这些数值计算的方法受到算法和信号结构的限制。而且这些重建算法属于病态问题，也就是说这些算法无法保证一个稳定的信噪比提升。
因此，需要提出一种反应速度快和信噪比高的新的光谱仪以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪，包括匀光片、望远物镜、棱镜、DMD、准直透镜、闪耀光栅、聚焦透镜和CCD相机，
入射光经由所述匀光片匀光后经由所述望远物镜聚焦在所述DMD上进行编码；
编码后的光线经过所述棱镜反射再经过所述准直透镜准直，经过所述准直透镜之后的平行光线入射到所述闪耀光栅；
色散后的叠加光谱经过所述聚焦透镜聚焦后由所述CCD相机采集，记录整个哈达玛循环矩阵的所有色散叠加后的光谱矩阵测量值。
更进一步的,所述DMD的编码区域上对应的光强分布为：
经过所述匀光片匀光之后，所述DMD上各个像素的强度区域一致，使用光强的最大值对其进行归一化处理，得到归一化分布的光强分布SHTS，其中， SHTS为哈达玛循环矩阵S，即：SHTS＝S。
更进一步的,对采集到的光谱值进行编码：
f＝(SHTS)-1ηSnap
式中，SHTS为哈达玛循环矩阵，ηSnap为光谱矩阵测量值。
有益效果：本发明的基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪有更好的信噪比和响应速度，可以采集面阵光谱，采用可更换光栅设计有更好的适应性。
附图说明
图1基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪的结构示意图；
图2为瞬态HTS对采集到的光谱值的编码过程；
图3为使用传统单狭缝光谱仪、传统HTS和瞬态HTS在相同曝光条件下测得的信噪比；
图4为使用传统单狭缝光谱仪、传统HTS和瞬态HTS在相同曝光条件下测得的光谱曲线图；
图5为使用本瞬态HTS测量到的汞灯光谱图；
图6为瞬态HTS采集到了原始光谱图像，经过Matlab进行重建处理，最终得到了光谱谱线。
图1中，匀光片1、望远物镜2、棱镜3、DMD4、准直透镜5、闪耀光栅6、聚焦透镜7和CCD相机8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
焊接是制造业的重要加工工艺方法之一，被广泛的应用于各种材料和结构件的加工制造。光谱法是借助光谱仪将电弧光辐射分解为一系列波长的谱线且保存着这些谱线的强度信息，选择出其中的特征谱线，由于电弧内部的局部热力学状态，可以根据选择出的特征谱线的强度信息与电弧等离子体内部的温度、压力、粒子浓度和成分等因素的关系来反映电弧内部的物理状态等信息。与其他焊接探测方法相比，光谱法有着许多优点。
传统的商用的光纤光谱仪，虽然便于携带但是每次只能测量单点的光谱，无法对于更宽视场范围的光谱进行测量，限制了其应用。同时其无法更换任何器件，限制了其可扩展性与应用场景。
本发明基于传统的HTS，提出了一种新的瞬态HTS设计方法，射光经过云光片1匀光后入射到DMD4上，DMD4对入射光进行编码，编码后的光经过准直系统入射到闪耀光栅6，色散后的叠加光谱由CCD相机8采集。
(1)瞬态HTS的原理
如图1所示，入射光经过匀光片1匀光后，在DMD4上各个像素的强度区域一致，使用数字微镜器件(DMD)在入口处对入射光进行编码，数字微镜器件(Digital Micro-mirrorDevice，DMD)是一种由若干极小反射镜(即微镜) 空间组合而成的光电器件，微镜的偏转由数字集成电路控制，可产生±12°的偏转。由位移不变原理，入射光处的像素位移与光谱的移动的距离成线性关系。
以7×7的循环S-矩阵为例，如图2所示，我们可以看到在入射光色散后的光谱在同一行像素之间发生重叠，但是不同行的光谱不会发生叠加。为了实现瞬态，将整个循环S-矩阵映射到DMD4，用不同行的循环S-矩阵编码相应的入射光。通过使用合适的镜头，保证DMD4的每一个微镜均被一个或多个像素所成像。因此，CCD记录了不同行的色散叠加后的光谱，行与行之间相互不重叠。
图2介绍了瞬态HTS对采集到的光谱值的编码过程。传统的HTS每次只对一行数据进行编码，在瞬态HTS的编码过程中,会同时对所有行进行光谱，对光谱的第i行的测量过程，用公式表示可以表示为：
ηSnap(i,:)＝SHTS(i,:)×f+eSnap(i,:)
对于传统的HTS，其第i行的测量过程，可以表示为：
由传统HTS的性质可知m为固定值。
假设要测量的每一列都相同，因此瞬态HTS的测量过程可以重新写作：
ηSnap＝SHTSf+eSnap
因此f可以重建为：
f＝(SHTS)-1ηSnap
(2)瞬态HTS的光谱实验结果
首先我们使用哈达玛循环S矩阵去仿真瞬态HTS的降噪能力，使用归一化的太阳光谱作为入射光谱，使用高斯白噪声模拟探测器噪声，仿真实验的结果如图所示
为了更准确评估各系统的降噪能力，我们实际测量了单狭缝光谱仪、传统的HTS、和本文所提出的瞬态HTS在弱光环境下的重建光谱的信噪比。在实验中，使用中性减光片遮挡LED光源，得到一个相对比较弱的光源。先使用传统单狭缝光谱仪在长曝光下测量其光谱得到标准光谱曲线，然后分别使用传统单狭缝光谱仪、传统HTS和瞬态HTS在相同曝光条件下测量其光谱曲线，并计算其信噪比，实验结果所示如图3。图5为使用本瞬态HTS测量到的汞灯光谱，两个尖峰(577nm和579nm)分别位于480像素和485像素，光谱分辨率优于1nm/像素。
实验结果说明本瞬态HTS与传统的单狭缝光谱仪相比，其具有更高的灵敏度与鲁棒性，与传统的HTS相比具有几乎相同的降噪能力但是具有更高的响应速度。
(3)瞬态HTS的实际应用案例
由于在焊接过程中，焊接的熔池图像对于反映焊接的气体流量的变化存在不足，而光谱可以有效的反映这个问题。我们使用瞬态HTS采集电弧周围的光谱，用来反映焊接的气体流量的变化。
使用PAW工艺时，包含的气体有作为激发气体的离子气和作为保护气的 Ar气体。正常的保护气含量为25，正常的离子气含量为1.0，保护气含量为 3时偏低，离子气含量为0.8时偏低，为1.2时偏高。而使用CMT+P工艺时，焊接过程中的气体仅剩下保护气Ar，我们将保护气分为3档,分别是3,10和 25，保护气为25时是正常的保护气含量。
我们通过瞬态HTS采集到了原始光谱图像，经过Matlab进行重建处理，最终得到了光谱谱线，如图6所示。从得到的光谱看出PAW焊接时采集到的焊接电弧附近光谱在660nm到850nm之间响应非常明显。
我们用增加了两层卷积层的Lenet网络对得到的网络进行分类。在PAW 工艺中，我们将光谱分成了四个类别，不区分焊接电流只区分保护气和离子气浓度，得到的总的准确率在0.989。在CMT+P工艺下，我们分电流对其进行保护气浓度测试。在只区分有无保护气的情况下，无论高电流还是低电流，其准确率达到了接近1的水平。在区分三种浓度的保护气时，不同电流下的准确率又有所不同。高电流下的总体准确率达到的0.98，而低电流下的准确率达到0.93。
总体来说我们使用瞬态HTS采集的光谱在熔池气体监测中有很优异的性能，可以有效地避免由于气体因素导致的焊接质量问题。
Claims (3)
1.一种基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪，其特征在于，包括匀光片(1)、望远物镜(2)、棱镜(3)、DMD(4)、准直透镜(5)、闪耀光栅(6)、聚焦透镜(7)和CCD相机(8)，
入射光经由所述匀光片(1)匀光后经由所述望远物镜(2)聚焦在所述DMD(4)上进行编码；
编码后的光线经过所述棱镜(3)反射再经过所述准直透镜(5)准直，经过所述准直透镜(5)之后的平行光线入射到所述闪耀光栅(6)；
色散后的叠加光谱经过所述聚焦透镜(7)聚焦后由所述CCD相机(8)采集，记录整个哈达玛循环矩阵的所有色散叠加后的光谱矩阵测量值。
2.根据权利要求1所述的基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪，其特征在于：所述DMD(4)的编码区域上对应的光强分布为：
经过所述匀光片(1)匀光之后，所述DMD(4)上各个像素的强度区域一致，使用光强的最大值对其进行归一化处理，得到归一化分布的光强分布SHTS，其中，SHTS为哈达玛循环矩阵S，即：SHTS＝S。
3.根据权利要求1所述的基于DMD编码的瞬态哈达玛矩阵光谱仪，其特征在于：对采集到的光谱值进行编码：
f＝(SHTS)-1ηSnap
式中，SHTS为哈达玛循环矩阵，ηSnap为光谱矩阵测量值。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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