SE2030308A1 - Avbildande materialanalysator samt förfarande för att använda denna - Google Patents

Abstract

Avbildande materialanalysator (114), avsedd för klassificering och karakterisering av ytors (101) ingående material, innefattande minst en strålningsavgivande anordning (104,402) samt minst en mottagare (115). Strålningsavgivande anordning (104) avger ljuspulser, som modulerats av minst en modulator (106), mot minst en yta (101) samt att det reflekterade ljuset från ytan (101) registreras av minst en kamera (102) i mottagaren (115). Kameran (102) genererar videosignaler (103) vilka överförs till minst en demodulator (109) som demodulerar de genererade videosignalerna (103) och avger digitala signaler (R1) till (RN) vilka är proportionerliga till intensiteten av det reflekterade ljuset från ytan (101). De strålningsavgivande enheternas (113) avgivna ljus styrs av sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler (105) som modulerats av modulatorn (106), samt att modulatorn (106) innefattar en synkroniseringsfunktion som synkroniserar starttiden för de avgivna pulser (105) och ljuspulser från de strålningsavgivande enheterna med starttidpunkterna för kamerans (102) exponeringar. Patentansökan innefattar även ett förfarande för användning av materialanalysatorn.

Description

Avbildande materialanalysator samt förfarande för att använda denna Tekniskt områdeDen föreliggande uppfinningen avser en avbildande materialanalysator, vilken är avsedd attanvändas för klassificering och karakterisering av ytors material i enlighet med patentkraven, samt ett förfarande för att använda denna i enlighet med patentkraven.

Teknikens ståndpunkt Tekniker för klassificering och karakterisering av material genom avbildande spektral analys avreflekterad elektromagnetisk strålning är sedan tidigare kända. Det är exempelvis känt att när ettmaterial bestrålas med elektromagnetisk strålning inom det våglängdsområde som föreliggandeuppfinning avser, kommer materialets molekyler och dess moln av elektroner att oscillera på grundav den kemiska bindningsenergin mellan molekylernas atomer. Detta fenomen kan approximerasmed en mekanisk harmonisk svängning som i sin tur sänder ut elektromagnetisk strålning, vilketresulterar i en spridd reflektion av inkommande strålning. Vid fotonenergier som matcharmolekylernas motsvarande resonansfrekvens eller dess övertoner antar i stället molekylen enkvantifierad högre energinivå. Detta fenomen resulterar därför i en kraftig absorption avelektromagnetisk strålning i materialet för de våglängder molekylerna uppvisar resonans. På så visblir den spektrala fördelningen av den reflekterade strålningen ett fingeravtryck av det analyserade materialet [1].

Via en vetenskaplig artikel av H. Jiang et.al [2] är det vidare känt att några få karakteristiskavåglängder kan väljas utifrån hyperspektralt data med hjälp av bland annatprincipalkomponentanalys. Syftet är att kunna klassificera material utifrån reflektionen av ljus medendast ett fåtal olika våglängder. Metoden kan användas för att välja ljussändarnas våglängder i enapplikationsspecifik materialanalysator. Applikationen ijust detta fall handlar om att detektera tryckskador på frukt.

På liknande sätt beskriver Patrik Jonsson i en doktorsavhandling från Mittuniversitetet [3] hur enkamera, känslig för ljus inom det nära infraröda våglängdsområdet kan användas för att klassificeraväglag: is, snö, våt, torr asfalt. Systemet kan ge vägledning för bättre underhåll av vintervägar.Tekniken bygger på att en sekvens av fyra bilder exponeras. För vart och ett av de fyra bildernaanvänds noga utvalda optiska bandpassfilter som möjliggör användning av Al där en efterföljandeklassificerare (KNN) identifierar vilka områden inom kamerans avsyningsområde som är belagda medsnö, vatten, is eller torr asfalt. Tekniken fungerar väl för avsyning av statiska områden, dvs inga rörelser i bilden, detta på grund av den långa tid det tar att byta filter och exponera fyra bilder. Den mekaniska filterbytaren är en dyr lösning, har en tveksam funktion i kyla samt att den är långsam.Den beskrivna tekniken är en applikationsspecifik materialanalysator men som av beskrivna anledningar endast fungerar för statiska ytor.

Guterman et.al beskriver i ett patent [4] en teknik för avbildning med hjälp av osynkroniseratamplitudmodulerat ljus. Det faktum att det modulerade ljuset inte synkroniserats med kameraninnebär att ljusets utstrålning inte går att tidsmässigt koncentrera till de perioder då bildsensornexponerar bilder. Detta leder i sin tur till lågt signal-brus-förhållande (SNR) vid exempelvis inverkanfrån ett oönskat starkt solljus. Tekniken är exemplifierad för videoapplikationer även om den teoretiskt skulle gå att tillämpa för spektral materialanalys.

Sten Löfving beskriver i ett patent [5] en sensor för detektion av väglag. Denna sensor använder sigav modulerat laserljus men är inte avbildande, dvs mäter i en begränsad punkt. När sensornmonteras på ett fordon sker mätningen i flera punkter längs den linje som följer fordonetsfärdriktning. Beskriven utrustning är en applikationsspecifik materialanalysator men som skulle behöva en skannande rörelse i två dimensioner för att bli avbildande.

T. Hyvärinen et.al från det finska företaget Specim beskriver i en vetenskaplig artikel [6] hur enavbildande spektral kamera med hög spektral upplösning konstruerats. Den grundläggande teknikenär allmänt känd under namnet "push-broom" vilket innebär att optiska komponenter så som gittereller prisma används för att sprida det ljus som passerat genom en smalspaltig öppning. Längs denena av den två-dimensionella detektorns dimensioner fås en linjeavbildning medan den andradimensionen ger en spektral fördelning av ljuset, dispersion. Tekniken medger endast avbildning aven linje och ej avbildning i två dimensioner likt den teknik Patrik Jonsson beskriver. Men om detobjekt som skall avbildas har en linjär rörelse i förhållande till kameran kan dock 2 dimensioneravbildas som en sekvens av linjer. Det föreligger också ett problem med ljuskänsligheten som blirmycket låg för denna teknik då det infångade ljuset måste passera genom en smal spaltformadöppning. Kostnaden för en sådan kamera blir i regel hög då de optiska komponenterna som behövsför att åstadkomma ljusets dispersion är dyra. Utrustningen blir även ofta stor och tung på grund avde optiska komponenterna. I kombination med exempelvis en halogenbelysning kan denna kamera användas som en materialanalysator.

Johan Casselgren et.al beskriver i en vetenskaplig artikel [7] en metod för spektral avbildning ochklassificering av väglag. Det föreligger problem att utomhus skapa en kontrollerad ljusmiljö med hjälpav aktiv belysning. Dagtid finns ett kraftigt bidrag av bakgrundsljus från solen med mycket storavariationer. Denna artikel beskriver därför en metod för hur bidraget från den aktiva belysningen kan separeras från bakgrunden. Laserljus moduleras binärt, på eller av, synkront med bildtagning på ett sådant sätt att en sekvens av sex bilder exponeras: bakgrundsljus, belysning med laser 1,bakgrundsljus, laser 2, bakgrundsljus samt laser 3. Laser 1, 2 och 3 sänder ut ljus med olikavåglängder. Metoden medger därmed spektral kodning av ljuset och att bakgrundsljus kanundertryckas för statiska scener men nackdelen är att minsta rörelse i bilden kommer att generera ett felaktigt resultat på grund av den tid det tar att exponera sex gånger.

S. Bhattacharyya et.al beskriver i en vetenskaplig artikel [8] hur en superheterodyne lock-in-förstärkare kan implementeras digitalt. Metoden är mycket effektiv för att separera svagasinusformade signaler från övrigt oönskat brus. Genom att välja olika frekvenser på referenssignalenkan också signaler med olika frekvenser detekteras. Denna teknik kan därför med fördel användas förspektral avkodning av en sekvens av bilder där aktiv belysning med olika våglängder modulerats med olika frekvenser.

M. Lakka et.al beskriver i en vetenskaplig artikel [9] hur en generator för sinusformadepulsbreddsmodulerade signaler (SPWM) används som metod för att konvertera elektrisk energi frånDC till AC-spänning. Vidare beskrivs hur generatorn implementerats digitalt på en krets med programmerbar logik, FPGA.

Det föreligger problem med existerande tekniker för materialanalys. Spektrala kameror enligttekniken "push-broom" kan endast avbilda en linje, de är stora, tunga och dyra, har en lågljuskänslighet samt saknar funktion för att undertrycka det omgivande ljuset. Behovet attundertrycka inverkan av det omgivande passiva ljuset blir extra påtagligt för de tillämpningar dåmaterialanalysen görs i utomhusmiljö under inverkan av starkt och varierande solljus. Utanundertryckning av det passiva omgivande ljuset blir den spektrala fördelningen av det totala ljusetvarierande över tid, vilket i sin tur kräver repetitive kalibreringar. För att undvika dessa upprepadekalibreringar bör den totala ljusmiljön domineras av den aktiva belysningen som är avsevärt stabilareöver tid. De existerande tekniker som använder modulerat ljus kan förvisso delvis undertryckaomgivande passivt ljus men är i vissa fall dåliga på att hantera realtidsegenskaper, dvs rörelse iavbildningen eller de har inbyggda begränsningar i förmågan att nyttja utstrålad aktiv belysning så attSNR maximeras. Tekniker där flera exponeringar används i kombination med mekanisk filterbytare blir dyra, långsamma och har tveksam mekanisk pålitlighet. Ändamålet med den föreliggande uppfinningen är att eliminera eller väsentligen reducera minst ettav de tidigare nämnda, eller i den följande beskrivningen nämnda, problemen. Ändamålet löses med en anordning och ett förfarande i enlighet med den föreliggande patentansökan.

Kortfattad beskrivning av figurer I den följande detaljerade beskrivningen av den föreliggande uppfinningen kommer hänvisningar ochreferenser till figurer att ske. Respektive figur beskrivs kortfattat i den följande figurförteckningen.Figurerna är schematiska och detaljer kan vara utelämnade. De i figurerna exemplifieradeutföringsformerna av den avbildande materialanalysatorn är därför inte begränsande för skyddsomfånget för den föreliggande patentansökan.Figur 1 visar hur övergripande komponenter sammankopplats till en avbildande materialanalysator.

Figur 2 visar en sinusformad pulsbreddsmodulerad signal som används för att styra utstrålning av elektromagnetisk strålning. Bilden visar vidare hur pulserna synkroniserats med bildupptagningen.

Figur 3 beskriver de huvudsakliga komponenter och de beräkningar som utförs i den spektrala demodulatorn.Figur 4 visar en föredragen exemplifierad utföringsform av materialanalysatorn.Figur 5 och 6 visar alternativa utföringsformer av den avbildande materialanalysatorn.

Figur 7 visar ett förfarande för att välja våglängder Ål, bestycka den strålningsavgivande anordningen med strålningsavgivande enheter samt konfigurera modulator/demodulator.Figur 8 visar exempel på tre olika situationer för hur den avbildande materialanalysatorn används.Figur 9 visar en schematisk exemplifiering av videosignalens temporala signalspektrum.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Med hänvisning till figurerna och i enlighet med föreliggande patentansökan visas en anordningbenämnd som avbildande materialanalysator 114 samt ett förfarande för användning ochapplikationsanpassning av den avbildande materialanalysatorn 114. En eller flera ytor 101 antasbestå av minst två olika material och/eller minst ett material med varierande egenskaper. Denavbildande materialanalysatorn medger att materialen som ytorna består av kan klassificeras ochkarakteriseras med kontaktlös mätteknik och där avbildningen ger information om materialensfördelning över ytorna. Den kontaktlösa mättekniken innebär att ytorna bestrålas medelektromagnetisk strålning samt att den reflekterade strålningens spektrala fördelning utgörunderlag för klassificering och karakterisering av materialen. Typiska tillämpningsområden föruppfinningen är exempelvis: sortering av material för återvinning, karakterisering av råvara så somexempelvis fukthalt i biomassa eller klassificering och karakterisering av grödor över stora områden.Utmärkande för den avbildande materialanalysatorn är att den behöver anpassas och tränas för den uppsättning olika material den skall känna igen och/eller karakterisera.

Den mest signifikanta sifferpositionen i de numrerade referenserna anger alltid figurernas nummer 1till 9. Den avbildande materialanalysatorn 114 består av minst två huvudkomponenter: minst en strålningsavgivande anordning 104, samt minst en mottagare 115.

Figur 1 visar den tvådimensionella ytan 101 som analyseras genom att en strålningsavgivandeanordning 104, bestående av minst två eller flera strålningsavgivande enheter 113.1-113.N Ifigurerna visas strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N, som belyser ytan 101. N antalstrålningsavgivande enheterna sänder ut elektromagnetisk strålning med våglängder från minimalt100 nm till maximalt Sum men där varje enskild strålningsavgivande enhet karakteriseras av maximalintensitet vid våglängderna Ål till ÄN. I denna patentansökan kan i förekommande fall ordet ljusanvändas synonymt med elektromagnetisk strålning inom givet våglängdsintervall. Andravåglängdsintervall än 100 nm till 3um kan förekomma i alternativa utföringsformer. N och Ål till ÄN ärparametrar vars värde tilldelas i enlighet med det förfarande som föreliggande patentansökanbeskriver. I förekommande fall kan resterande teknisk beskrivning och patentkrav komma attreferera till dessa parametrar. Värdet av parametern N anger antalet strålningsavgivande enheteroch är samtidigt styrande för dimensioneringen av modulator 106, demodulator 109 samt AI-enhet111. I den exemplifierande utföringsformen utgörs de strålningsavgivande enheterna av LED-lasraroch/eller LED-dioder. En LED-laser avger ett nära monokromatiskt, koherent ljus emedan en enklareLED-diod avger ljus med ett bredare våglängdsområde än för LED-lasern. I alternativautföringsformer kan blixtrande xenonlampor i kombination med optiska bandpassfilter användas. Enkamera 102 avbildar en yta 101 genom registrering av den elektromagnetiska strålningen somreflekteras i ytan under repetitiva tidsintervall kallad exponeringstid. Kameran innefattar minst enbilddetektor. Dessa bilddetektorer kan vara av typen en-dimensionella för linjeavbildning eller två-dimensionella för area-avbildning, vars pixlar är känsliga för alla förekommande våglängder Ål till ÄN.Kameran 102 genererar minst en digital videosignal 103 samt minst en trigg-signal 107 vars pulsersignalerar början av repetitiva bildexponeringar. Trigg-signaler är ofta förekommande i digitalakonstruktioner där de används för att samtidigt "avfyra" händelser i fler än en modul, vanligtvis kallatsynkronisering. En modulator 106 genererar N stycken sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler105 vars pulser bestämmer när de N st. strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N skall avge strålning.

Med hänvisning till figur 2 visas en exemplifierande sinusformad pulsbreddsmodulerad signal. Pulser22 startas synkront med den triggsignal 107, 21 som kommer från kameran 102. Triggsignalenmedger därför att pulserna 22 startar samtidigt med kamerans 102 bildexponering men därpulsernas bredd 24 bestäms av modulatorn 106. När pulserna 22 i den exemplifierade utföringsformen har högre relativ signalnivå än 80 % avger motsvarande strålningsavgivande enheter 113.1-113.N elektromagnetisk strålning, vilket innebär att elektromagnetisk strålning strålar ut frånde strålningsavgivande enheter 113.1-113.N endast under de tider då kameran 102 exponerar bilder.Andra gränsvärden än 80 % för hög signalnivå kan förekomma i alternativa utföringsformer.Repetitionsfrekvensen för bildexponeringar i kameran 102 anges av FC 27. Exponeringstiden förkameran 102 bör idealt väljas till den maximala tiden under vilken någon av de strålningsavgivandeenheterna 113.1-113.N avger elektromagnetisk strålning, dvs maximal pulsbredd 24. Pulsernasbredder 24 är modulerade så att dess bredd står i direkt proportion till en tid- och amplitud-diskretsinusformad signal 23, allmänt känd som SPWM. De tid- och amplitud-diskreta värdena 25 utgördärför en digital representation av den sinusformade signalen 23. N antal sinusformadepulsbreddsmodulerade signaler genereras på så sätt i modulatorn 106 med olika frekvenser fl till fN26 som får styra de strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N, karakteriserad av våglängderna Ål tillÅN. Frekvenserna fl till fN är parametrar vars värde tilldelas i enlighet med det förfarande somföreliggande patentansökan beskriver. I förekommande fall kan resterande teknisk beskrivning ochpatentkrav komma att referera till dessa parametrar. De digitala signalerna 108 står i proportion tillpulsbredderna 24 och representerar på så sätt de tids- och amplitud-diskreta sinusformadesignalerna Sl till SN samt motsvarande cosinustermer Cl till CN. Cosinustermerna har enfasförskjutning av 90 grader i relation till den sinusvåg 23 som styr pulsbredderna 24. De digitalasignalerna 108 används tillsammans med videosignalen 103 i den spektrala demodulatorn 109 för attgenera en serie digitala signaler Rl till RN, proportionerliga till intensiteten av den elektromagnetiskastrålning som karakteriseras av våglängderna Ål till ÅN. Signalerna Rl till RN utgör tillsammans signaturer för de material som ytan 101 består av.

Den spektrala demodulatorn utgörs av en digital implementation av en superheterodyn lock-in-förstärkare och är schematiskt avbildad i figur 3. Sinus- och cosinus-termerna, 31 och 32 multiplicerasmed videosignalen V 33 i digitala multiplikatorer 39. De resulterande signalerna, 34 och 35 filtrerasdärefter i en bank av linjära digitala lågpassfilter 36. Dessa filter opererar temporalt, dvs filtreringendast i tidsdomänen för respektive pixel. Tidsdomänen för en pixel beskriver hur pixelns värdeförändras över tid för den sekvens av bilder som den digitala videosignalen utgör. Slutligen görs enaritmetisk beräkning 37 av den reflekterade elektromagnetiska strålningens intensitet Rl till RN, 38för respektive våglängd Ål till ÅN. Det faktum att sinus- och cosinustermerna, 31 och 32 har sammafrekvens fl 26 som för motsvarande utsända sinusformad pulsbreddsmodulerade elektromagnetiskstrålning 22 med våglängd Ål gör att resultatet av den aritmetiska beräkningen 37 motsvarar intensiteten av reflekterad elektromagnetisk strålning med motsvarande våglängd Ål.

I den exemplifierande utföringsformen används artificiell intelligens som utgörs av minst ett datorprogram iAl-enheten 111. I sin enklaste form används algoritmen "K Nearest Neighbor" (KNN) för klassificering och karakterisering av ytans 101 ingående material. Exempel på alternativaalgoritmer för artificiell intelligens som kan förekomma i alternativa utföringsformer är neurala nätverk eller "Support Vector Machine" (SVM).

Figur 8 visar exempel på tre olika situationer där: materialanalysatorn 81 monterats på ett fordoneller autonom farkost 82 för analys av ytor 83 över stora områden, materialanalysatorn 84 monteratsstationärt över ett transportband 85 för kontinuerlig analys av objekt 86 som passerar, materialanalysatorn 87 används manuellt av en brukare 88 för analys av valt objekt 89.

Den föreliggande uppfinningen, en avbildande materialanalysator 114 behöver anpassas till denvalda uppsättning olika material som användaren önskar analysera. En förutsättning för attmaterialanalysen skall vara möjlig är att reflekterad elektromagnetisk strålning inom det spektralavåglängdsområdet inom vilken mottagaren 115 är känslig också är bärare av information om valdamaterial. Denna information är oftast koncentrerad till några få enstakavåglängder/våglängdsområden inom mottagarens känslighetsområde. Därför beskrivs iföljandestycken ett förfarande för att välja dessa enstaka våglängder/våglängdsområden. Därefter bestyckasden strålningsavgivande anordningen i enlighet med valda våglängder/våglängdsområden samt attmodulator och demodulator konfigureras för motsvarande signalbehandling. Därefter vidtar ettförfarande där materialanalysatorn lär sig att klassificera valda material samt lär sig att karakteriseramaterialens egenskaper. Detta lärande erhålls genom träning av en enhet för artificiell intelligens 111.

Figur 7 är en flödesgraf av arbetsmoment som schematiskt sammanställer ett förfarande där denstrålningsavgivande anordningen 104 bestyckas med en uppsättning strålningsavgivande enheter113.1-113.N samt att modulator 106 och demodulator 109 konfigureras. Förfarandet innebär att denavbildande materialanalysatorn 114 anpassas för analys av den begränsade uppsättning olikamaterial som den avbildande materialanalysatorn 114 skall kunna analysera. Initialt behövs enspektrograf, hyperspektral kamera eller liknande instrument för att samla in data 71 för denspektrala fördelningen av den elektromagnetiska strålning som reflekteras i ytor av en begränsaduppsättning olika material och där några av materialen kan ha varierande egenskaper. Därefterutförs principalkomponentanalys 72 (en välkänd statistisk analysmetod) för det insamlade datavarvid projicerat data och projektionens koefficienter beräknas. Koefficienterna ger därefter godledning om vilka våglängder/våglängdsområden karakteriserade av Å; 73 inom det totala analyseradespektrala området som har störst betydelse för att kunna klassificera och/eller karakterisera de olikamaterialen som ingår i analysen. Data insamlat vid 71 filtreras därefter med simulerade optiska filter 74 enligt de val som gjordes vid 73. Resultatet efter filtreringen blir en spektral beskrivning av materialen med avsevärt lägre spektral upplösning än den som inhämtats med spektrografen 71.Hälften av det filtrerade data används därefter för att träna en klassificerare och/eller förregressionsanalys av dess egenskaper, medan andra hälften av data används för en simuleradklassificering av material och/eller simulerad karakterisering av materialens egenskaper 75. Ävenandra alternativa fördelningar för uppdelning av filtrerad data än hälften-hälften kan förekomma.Blev klassificeringen eller karakteriseringen undermålig måste arbetsmomenten 73, 74 och 75upprepas varvid andra våglängder Å; och möjligen fler strålningsavgivande enheter N väljs. Blevdäremot resultatet av klassificeringen och/eller karakteriseringen godtagbar blir nästa steg 76, attbestycka den strålningsavgivande anordningen 104 med en uppsättning strålningsavgivande enheter113.1-113.N som karakteriseras av de Å; tidigare valda vid 73. Frekvenserna 26, f; för N antaletsinusformade signaler 108 skall därefter väljas och modulatorn konfigureras motsvarande.Demodulatorn 109 konfigureras för 2N antalet lågpassfilter 36 samt 2N signalvägar för övrigaberäkningar 39, 37. Konfigurationen av modulator och demodulator innebär modifiering av källkodför programvara och/eller firmware, varefter den avbildande materialanalysatorn 114 uppdateras med ny maskinkod och/eller nya konfigurationsfiler för programmerbar logik.

I figur 9 ges en schematisk illustration av videosignalens 103 temporala amplitudspektrum 91. Medtemporalt menas ett amplitudspektrum efter analys i tidsdomänen för ett enskilt bildelement (pixel).De triangelformade areorna 92 utgör dubbel bandbredd B för den videosignal som en enskildstrålningsavgivande enhet 113.1-113.N ger upphov till. B är en parameter vars värde tilldelas ienlighet med det förfarande som här beskrivs. I förekommande fall kan resterande tekniskbeskrivning och patentkrav komma att referera till parametern B. B kan beräknas enligt formel 93,där N är antal strålningsavgivande enheter 113.1-113.N. FC 27, 97 är repetitionsfrekvensen förbildexponeringar i kameran 102. De N frekvenserna f; som modulerar respektive strålningsavgivandeenheter 113.1-113.N kan i den exemplifierande utföringsformen väljas enligt formlerna 95 och 96.Andra val av frekvenser f; kan förekomma i alternativa utföringsformer. Ekvationen 93 anger ettsamband mellan bildexponeringarnas repetitionsfrekvens FC 97, antalet strålningsavgivande enheterN 113.1-113.N samt bandbredden B 92. Högre repetitionsfrekvens för bildexponeringar FC 97 ellerfärre antal strålningsavgivande enheter N 113.1-113.N medger större bandbredd B 92. Det som avgörbehovet av bandbredd B är förekomsten av rörelse i bilden, snabbare rörelser kräver störrebandbredd B för korrekt återgivning. Bandbredden B är samma bandbredd som idenexemplifierande utföringsformen lämpligen väljs för demodulatorns 2N stycken lågpassfilter 36.

Alternativa utföringsformer kan ha lågpassfilter 36 med annan bandbredd än B.

Föreliggande patentansökan beskriver i detalj en anordning samt ett förfarande. Anordningen är en avbildande materialanalysator 114 för klassificering och/eller karakterisering av de material som en yta består av. Med klassificering avses beslut om vilka material, utifrån en begränsad uppsättningolika material en yta består av. Förmågan att klassificera material utifrån spektrala data skapasgenom en föregående träning av artificiell intelligens. Med karakterisering avses beräkning av eneller flera mätetal som kvantifierar ett materials egenskaper enligt ett matematiskt samband sombestämts med regressionsanalys. Med regressionsanalys avses en statistisk metod för att utifrånträningsdata bestämma ett matematiskt samband mellan spektral information och en ytasegenskaper. Både klassificering och karakterisering är resultatet av beräkningar utförda med enenhet för artificiell intelligens kallad Al-enhet 111. Träning och regressionsanalys är också resultatetav beräkningar utförda med artificiell intelligens men genom exekvering av programvara i separat dator.

Analys av material sker genom att anordningen 114 bestrålar en yta med spektralt moduleradelektromagnetisk strålning och samtidigt kvantifierar reflekterad strålning. Anordningen 114demodulerar kvantifierad reflektion vilket ger en spektral fördelning av reflekterad strålning för varjebildelement (pixel). Ett förfarande, schematiskt avbildat i figur 7, används för att anpassaanordningen 114 till den begränsade uppsättning olika material den skall kunna klassificera och/eller karakterisera, där uppsättningen av olika material är beroende av applikation.

Exemplifierande utföringsform I det följande beskrivs en föredragen utföringsform av den föreliggande materialanalysatorn där denanvänds för att klassificera de olika material som en två-dimensionell yta 401 består av. Figur 4 visaren avbildande materialanalysator som består av två huvudkomponenter: (1) en strålningsavgivandeanordning 402, bestående av en grupp av strålningsavgivande enheter 413 samt (2) en mottagare403. Dessa två enheter är elektriskt sammankopplade via en kabel 404, försedd med kontakt ochsom i huvudsak överför signalerna T1 till TN, se 104 i figur 1. Detta medger att analysatorn kanutrustas med en utbytbar strålningsavgivande enhet 402, bestående av alternativa grupper avstrålningsavgivande enheter 413. Strålningsavgivarna karakteriseras av våglängderna Ål till ÄN somvalts utifrån vilka material som behöver klassificeras. Mekaniskt är komponenterna 402 och 403 sammanfogade men löstagbara.

En pixellerad bilddetektor 406 med en eller två dimensioner avbildar ytan 401. Avbildningen skergenom att ljus fokuseras med en löstagbar och utbytbar lins 405 så att bilden projiceras påbilddetektorn 406. Algoritmer och logik för 407 avbildning, 408 spektral demodulator och modulator,409 artificiell intelligens, samt 410 kommunikation är i den exemplifierade utföringsformenimplementerad på en "field programmable logic array" (FPGA) i kombination med mikroprocesssorer på en och samma integrerade krets. Trådad eller trådlös kommunikation 411 överför registrerade material och egenskaper till en persondator, industriell dator eller liknande plattform för mätdatainsamling 412.

Figur 5 visar en alternativ utföringsform där artificiell intelligens 52 flyttats från mottagarenheten 51 och i stället implementerats som programvara i datorn för mätdatainsamling 53.

Figur 6 visar ytterligare en alternativ utföringsform där den avbildande materialanalysatorn har enegen inbyggd grafisk display 62 och kan därmed operera självständigt utan anslutning till en dator 412. Grafik genereras i 61 för visualisering av analysresultat för en användare 63.

Fördelar med uppfinningenMed den föreliggande uppfinningen uppnås ett flertal fördelar. Den viktigaste är att minst ett av deangivna problemen i bakgrunden eller beskrivningen med kända tekniker har eliminerats eller reducerats.

Den föreliggande uppfinningen modulerar den aktiva elektromagnetiska strålningen med ensinusformad, pulsbreddsmodulerad vågform (SPWM) där pulserna synkroniserats medbildexponeringen. Detta medför därför att den aktiva elektromagnetiska strålningens energi kanstyras till endast de tidsintervall då bildexponeringen sker. Med moderna LED eller LED-laserdioderkan hög ljusintensitet skapas under tiden av mycket korta pulser, vilket i sin tur medger extremtkorta exponeringstider och därmed minimerat bidrag från omgivande elektromagnetisk strålning.Pulsbreddernas sinusformade variation medger en varierande ljusenergi som framträder som ensinusformad intensitet i en temporal sekvens av bilder. Den sinusmodulerade intensiteten kandärefter effektivt separeras från den omodulerade omgivande elektromagnetiska strålningen medhjälp av superheterodyne lock-in där den elektromagnetiska strålningens olika våglängdermodulerats med olika frekvenser 26. Undertryckning av omgivande elektromagnetisk strålning skerdärför i två steg: (1) genom synkroniserade ljuspulser i kombination med korta bildexponeringar, (2)genom demodulation med superheterodyne lock-in. Det första steget skyddar bilddetektorn frånmättnad exempelvis i fallet av stark elektromagnetisk strålning från solen. Det är enormt viktigt attinkludera ett sätt att skydda bilddetektorn från mättnad, därför att ingen känd teknik för demodulation klarar annars av att undertrycka den omgivande elektromagnetiska strålningen.

Vid demodulationen beräknas intensiteten av den reflekterade elektromagnetiska strålningen förrespektive strålningsavgivande enhet. Denna demodulation sker på basis av samma temporalamängd bilddata för alla spektrala kanaler och inte olika uppsättningar som i fallet av tidsmultiplexadmodulation beskriven av Johan Casselgren et.al. Därför har den föreliggande uppfinningen utmärktarealtidsegenskaper och ger goda resultat även där rörelse förekommer i bild samtidigt som den omgivande passiva elektromagnetiska strålningen undertrycks i två steg på ett synnerligen effektivt 11 sätt. Ingen annan känd teknik för avbildande materialanalys har lyckats kombinera dessa viktiga egenskaper.

Den föreliggande uppfinningen modulerar elektromagnetisk strålning med olika våglängder i ställetför att använda sig av optiska komponenter för dispersion eller mekaniska lösningar för filterbyte.

Materialanalysatorn blir därmed billigare, mindre och lättare än konkurrerande tekniker.

I den detaljerade beskrivningen av den föreliggande anordningen och förfarandet kan detaljer varautelämnade som är uppenbara för en fackman inom det område anordningen och förfarandet ingår i.Sådana uppenbara detaljer ingår i den omfattning som krävs för att en fullgod funktion för den föreliggande anordning och förfarandet skall erhållas. Även om vissa föredragna utföringsformer av anordningen och förfarandet beskrivits mera i detalj,kan variationer och modifieringar av anordningen och förfarandet komma att framgå för fackmänneninom det område uppfinningen avser. Samtliga sådana modifieringar och variationer anses falla inom ramen för de efterföljande patentkraven. 12 Referenser [1][2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] B. Stuart, Bio/ogical applications of infrared spectroscopy, Wiley, 1997 H. Jiang et.a|, "Wavelength Selection for Detection of Slight Bruises on Pears Based on Hyperspectral|maging", Applied Sciences, v. 6, no. 12, pp. 450, I\/|DP| 2016 P. Jonsson, Surface Status Classification, Uti/izing Image Sensor Technology and Computer Models,Doctoral thesis no. 219, Mid Sweden University, 2015.

Guterman et.a|, "Methods of producing video images that are independent of the background lighting",US Patent no. US 10.630.907. B2, 21th of April 2020.

Sten Löfving, "Optisk metod att uppskatta egenskaper för ett is- eller vattenbelagt mätobjekt", Svensktpatent, nummer SE 531 949 C2, 15 september 2009.

T. Hyvärinen et.a|, "Compact high-resolution VIS/NIR hyperspectral sensor", Proceedings of the SPIE -The International Society for Optical Engineering, v. 8032, Conference: Next-Generation SpectroscopicTechnologies IV, 25-26 April 2011, Orlando, FL, USA.

J. Casselgren et.a|, "Road condition analysis using NIR illumination and compensating for surroundinglight", Optics and Lasers in Engineering, v 77, pp. 175-82, Feb. 2016 S. Bhattacharyya et.a|, "Implementation of Digital Lock-in Amplifier", Journal of Physics: ConferenceSeries, v 759, 2016 l\l|.Lakka et.a|, "Development of an FPGA-Based SPWM Generator for High Switching Frequency DC/AC |nverters", IEEE Transactions on Power Electronics, v.29, no. 1, January 2014

Claims (3)

1. Avbildande materialanalysator (114), avsedd att användas för klassificering och karakterisering av material i minst en yta (101), vilken innefattar minst enstrålningsavgivande anordning (104,402) samt minst en mottagare (115), vilkenstrålningsavgivande anordning (104) avger pulser av elektromagnetisk strålning medmaximal intensitet vid våglängderna (A1 till ÄN), som modulerats av minst enmodulator (106), mot minst en yta (101) samt att den reflekterade elektromagnetiskastrålningen från ytan (101) registreras av minst en kamera (102) i mottagaren (115),vilken kamera (102) genererar videosignaler (103) vilka överförs till minst endemodulator (109) som demodulerar de genererade videosignalerna (103) och avgerdigitala signaler (R1) till (RN) samt att den strålningsavgivande anordningen (104)innefattar minst en första strålningsavgivande enhet (113.1) som avger moduleradelektromagnetisk strålning med en maximal intensitet vid en första våglängd (Ål)samt minst en andra strålningsavgivande enhet (113.2) som avger moduleradelektromagnetisk strålning med en maximal intensitet vid en andra väglängd (A2),kännetecknad av att de strålningsavgivande enheternas (113.1-113.N) avgivnaelektromagnetiska strålning styrs av pulser (105) som modulerats till sinusformade,pulsbreddsmodulerade vågformer av modulatorn (106), samt att modulatorn (106)innefattar en synkroniseringsfunktion som synkroniserar starttiden för de avgivnapulser (105) och pulserna av elektromagnetisk strålning från de strålningsavgivandeenheterna med starttidpunkterna för kamerans (102) exponeringar, samt att dedigitala signalerna (R1) till (RN) står i proportion till intensiteten av det ljus somreflekterats i ytan (101) och avgivits från de respektive strålningsavgivandeenheterna (113.1-113.N) med maximal utstrålad intensitet vid motsvarande våglängder (Ål) till (ÄN).

2. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad avatt de strålningsavgivande enheterna (11

3.1-113.N) avger elektromagnetiska strålning med våglängder inom intervallet 100 nm till 3pm. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 eller 2kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) utgörs av LED- lasrar. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 till 2kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) utgörs av LED- dioder. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 till 2kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) utgörs av en kombination av LED-lasrar och LED-dioder. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av tidigare patentkrav 1 till 4kännetecknad av att den spektrala demodulatorn (109) utgörs av en digital implementation av en superheterodyn lock-in-förstärkare. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av tidigare patentkravkännetecknad av att den avbildande materialanalysatorn innefattar minst en Al- enhet (111) Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 7 kännetecknad avatt Al-enhet (111) innefattande minst ett datorprogram innefattande minst enalgoritm, med vilken ytans (101) ingående material klassificeras och enkarakterisering av en eller flera mätetal avseende egenskaper för de i ytan (101) ingående materialen utförs. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad avatt kameran (102) innefattar minst en endimensionell och/eller minst entvådimensionell bilddetektor vars pixlar är känsliga för alla förekommande våglängder Ål till ÄN Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad avatt de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) är utbytbara och/eller att den strålningsavgivande anordningen (104) är utbytbar. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad avatt den strålningsavgivande anordningen (104) och mottagaren (115), utgörs av separata enheter. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad avatt den strålningsavgivande anordningen (104) och mottagaren (115), är integrerade i en enhet. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av tidigare patentkravkännetecknat av att den avbildande analysatorn innefattar en bank av linjära digitalalågpassfilter (36) som arbetar temporalt det vill säga filtrering av tidsdomänen för varje pixeldata. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknat av att denna innefattar minst en grafikgenerator. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 1 till 14 kännetecknat av att den strålningsavgivande anordningen (104) bestyckas med ett erforderligt N antalstrålningsavgivande enheter (113.1-113.N), med maximal intensitet vid våglängderna(Ål till ÄN), valda för att möjliggöra klassificering av material i ytan (101) och/ellermöjliggöra karakterisering av de i ytan (101) ingående materialens egenskaper,varefter modulatorn (106) och demodulatorn (109) konfigureras efter den valda uppsättningen av strålningsavgivande enheter (113.1-113.N), att modulatorn (106) avger N antal sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler(105, 22) vars pulser 22 styr de strålningsavgivande enheternas (113.1-113.N) avgivna elektromagnetiska strålning mot ytan (101), 16. 17. 18. att kameran (102) vid varje exponering avger en triggsignal (107, 21) till modulatorn(106) som synkroniserar starttidpunkten för respektive puls (22) med starttidpunkten för kamerans (102) exponering, att kameran (102) registrerar den reflekterade elektromagnetiska strålningen ochgenererar minst en digital videosignal (103) vilken digital videosignal (103)demoduleras i demodulatorn (109) samt att demodulatorn (109) avger N antaldigitala signaler (R1) till (RN) vilka är proportionerliga till intensiteten vid motsvarandeN antal våglängder (Ål till ÄN) av den reflekterade elektromagnetiska strålningen frånytan (101), att de digitala signalerna (R1) till (RN) ligger till grund för en klassificering av ytans ingående material och en karakterisering av materialens egenskaper. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet medpatentkrav 15 kännetecknat av att de i modulatorn (106) genererade sinusformadepulsbreddsmodulerade signalerna (105, 22) genereras med N antal olika frekvenser f1 'till fN. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet medpatentkrav 16 kännetecknat av att de N antal olika frekvenserna f1 till fN beräknasenligt formeln (94) enligt nedan fi= 2iB där variabeln i definieras enligt formel (95) enligt nedan i = 1 ...N samt att bandbredden definieras enligt formeln (93) enligt nedan B=Fc/4(N+1) Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ettav patentkraven 15 till 17 kännetecknat av att när de av modulatorn (106) avgivnapulserna (105, 22) har en högre relativ signalnivå än 80 % avger motsvarande strålningsavgivande enheter (113.1-113.N) elektromagnetisk strålning, vilket innebär att elektromagnetisk strålning avges från de strålningsavgivande enheter (113.1- 113.N), endast under de tider då kameran 102 exponerar bilder. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet mednågot av patentkraven 15 till 18 kännetecknat av att exponeringstiden för kameran(102) idealt väljs till den tiden som motsvarar maximal pulsbredd (24), under vilkennågon av de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) avger elektromagnetisk strålning. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet medminst ett av patentkraven 15 till 19 kännetecknat av att anpassningen av denavbildande materialanalysatorn innefattar bestyckning av den strålningsavgivandeanordningen (104) med N antal strålningsavgivande enheter (113.1-113.N), där valetav antalet N strålningsavgivande enheter(113.1-113.N), samt valet avstrålningsavgivande enheters (113.1-113.N) våglängder (Ål till ÄN), sker med ettdelförfarande där spektrala data samlas in för de material som skall klassificeras medden avbildande materialanalysatorn med minst en spektrograf, alternativt minst enhyperspektral kamera eller liknande, varefter en principalkomponentanalys av deinsamlade spektrala datat (datamängden) genomför så att projicerade data ochprojektionens koefficienter beräknas, vilka koefficienter ger ledning om vilkavåglängder/våglängdsområden karakteriserade av Å; inom det totala analyserade spektrala området som har störst betydelse för klassificering av de olika materialen. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet medpatentkrav 20 kännetecknat av att den insamlade spektrala datamängden filtrerasmed simulerade optiska filter enligt de val som koefficienterna medförde vilketmedför att en spektral beskrivning av materialen med avsevärt lägre spektralupplösning än den som inhämtats med spektrografen erhålls varefter hälften av denfiltrerade datamängden används för att träna en klassificerare, medan andra hälften av data används för en simulerad klassificering av materialen. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 21 kännetecknat av att om klassificeringen blev undermålig måste arbetsmomenten (73, 74, 75) upprepas, blev resultatet av klassificeringen godtagbarblir nästa steg att bestycka den strålningsavgivande anordningen (104) med enuppsättning N strålningsavgivande enheter (113.1-113.N) som karakteriseras av de Å;tidigare valda data som filtreras med simulerade optiska filter våglängdskarakteristikför strålningsavgivande enheter, varefter en klassificering/simulering sker medartificiell intelligens till att ett godkänt resultat uppnåtts varefter denstrålningsavgivande anordningen bestyckas samt att modulatorn och demodulatorn konfigureras. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet medminst ett patentkraven 15 till 22 kännetecknat av att konfigurationen av modulator(106) respektive demodulator (109) sker genom modifiering av källkod förprogramvara och/eller firmware, varefter den avbildande materialanalysatorn 114uppdateras med ny maskinkod och/eller nya konfigurationsfiler för programmerbar logik. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet medminst ett patentkraven 15 till 24 kännetecknat av att vid demoduleringen av dedigitala signalerna (103) med demodulatorn (109) multipliceras sinus- och cosinus-termerna, (31) och (32) med videosignalen V (33) i digitala multiplikatorer (39) till deresulterande signalerna, (34) och (35) vilka därefter filtreras i en bank av linjäradigitala lågpassfilter (36) vars passband har en bredd som valts till B, vilka filteropererar temporalt, dvs filtreras i tidsdomänen för respektive pixeldata varefter enaritmetisk beräkning (37) av den reflekterade elektromagnetiska strålningens intensitet R1 till RN, (38) för respektive våglängd (Ål till ÄN ) utförs. Användning av den avbildande materialanalysatorn (114) i ett fordon alternativt en autonom farkost. Användning av den avbildande materialanalysatorn (114) stationär applikation. Användning av den avbildande materialanalysatorn (114) manuellt.