SE544814C2 - 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 spektrai demodulator (109) som demodulerar de genererade videosignalerna (103) och avger digitala signaler (Ri) 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 område Den föreliggande uppfinningen avser en avbildande materialanalysator, vilken är avsedd att användas 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 av reflekterad elektromagnetisk strålning är sedan tidigare kända. Det är exempelvis känt att när ett material bestrålas med elektromagnetisk strålning inom det våglängdsområde som föreliggande uppfinning avser, kommer materialets molekyler och dess moln av elektroner att oscillera på grund av den kemiska bindningsenergin mellan molekylernas atomer. Detta fenomen kan approximeras med en mekanisk harmonisk svängning som i sin tur sänder ut elektromagnetisk strålning, vilket resulterar i en spridd reflektion av inkommande strålning. Vid fotonenergier som matchar molekylernas motsvarande resonansfrekvens eller dess övertoner antar i stället molekylen en kvantifierad högre energinivå. Detta fenomen resulterar därför i en kraftig absorption av elektromagnetisk strålning i materialet för de våglängder molekylerna uppvisar resonans. På så vis blir 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 karakteristiska våglängder kan väljas utifrån hyperspektralt data med hjälp av bland annat principalkomponentanalys. Syftet är att kunna klassificera material utifrån reflektionen av ljus med endast ett fåtal olika våglängder. Metoden kan användas för att välja ljussändarnas våglängder i en applikationsspecifik 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 en kamera, känslig för ljus inom det nära infraröda våglängdsområdet kan användas för att klassificera väglag: 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 bilderna används noga utvalda optiska bandpassfilter som möjliggör användning av Al där en efterföljande klassificerare (KNN) identifierar vilka områden inom kamerans avsyningsområde som är belagda med snö, 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 osynkroniserat amplitudmodulerat ljus. Det faktum att det modulerade ljuset inte synkroniserats med kameran innebär att ljusets utstrålning inte går att tidsmässigt koncentrera till de perioder då bildsensorn exponerar bilder. Detta leder i sin tur till lågt signal-brus-förhållande (SNR) vid exempelvis inverkan från 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 sig av modulerat laserljus men är inte avbildande, dvs mäter i en begränsad punkt. När sensorn monteras på ett fordon sker mätningen i flera punkter längs den linje som följer fordonets färdriktning. 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 en avbildande spektral kamera med hög spektral upplösning konstruerats. Den grundläggande tekniken är allmänt känd under namnet "push-broom" vilket innebär att optiska komponenter så som gitter eller prisma används för att sprida det ljus som passerat genom en smalspaltig öppning. Längs den ena av den två-dimensionella detektorns dimensioner fås en linjeavbildning medan den andra dimensionen ger en spektral fördelning av ljuset, dispersion. Tekniken medger endast avbildning av en linje och ej avbildning i två dimensioner likt den teknik Patrik Jonsson beskriver. Men om det objekt som skall avbildas har en linjär rörelse i förhållande till kameran kan dock 2 dimensioner avbildas som en sekvens av linjer. Det föreligger också ett problem med ljuskänsligheten som blir mycket låg för denna teknik då det infångade ljuset måste passera genom en smal spaltformad öppning. Kostnaden för en sådan kamera blir i regel hög då de optiska komponenterna som behövs för att åstadkomma ljusets dispersion är dyra. Utrustningen blir även ofta stor och tung på grund av de 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 och klassificering av väglag. Det föreligger problem att utomhus skapa en kontrollerad ljusmiljö med hjälp av aktiv belysning. Dagtid finns ett kraftigt bidrag av bakgrundsljus från solen med mycket stora variationer. 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 olika våglängder. Metoden medger därmed spektral kodning av ljuset och att bakgrundsljus kan undertryckas 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 svaga sinusformade signaler från övrigt oönskat brus. Genom att välja olika frekvenser på referenssignalen kan också signaler med olika frekvenser detekteras. Denna teknik kan därför med fördel användas för spektral 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 sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler (SPWM) används som metod för att konvertera elektrisk energi från DC 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 enligt tekniken "push-broom" kan endast avbilda en linje, de är stora, tunga och dyra, har en låg ljuskänslighet samt saknar funktion för att undertrycka det omgivande ljuset. Behovet att undertrycka inverkan av det omgivande passiva ljuset blir extra påtagligt för de tillämpningar då materialanalysen görs i utomhusmiljö under inverkan av starkt och varierande solljus. Utan undertryckning av det passiva omgivande ljuset blir den spektrala fördelningen av det totala ljuset varierande över tid, vilket i sin tur kräver repetitive kalibreringar. För att undvika dessa upprepade kalibreringar bör den totala ljusmiljön domineras av den aktiva belysningen som är avsevärt stabilare över tid. De existerande tekniker som använder modulerat ljus kan förvisso delvis undertrycka omgivande passivt ljus men är i vissa fall dåliga på att hantera realtidsegenskaper, dvs rörelse i avbildningen eller de har inbyggda begränsningar i förmågan att nyttja utstrålad aktiv belysning så att SNR 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 ett av 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 och referenser till figurer att ske. Respektive figur beskrivs kortfattat i den följande figurförteckningen. Figurerna är schematiska och detaljer kan vara utelämnade. De i figurerna exemplifierade utföringsformerna 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 anordning benämnd som avbildande materialanalysator 114 samt ett förfarande för användning och applikationsanpassning av den avbildande materialanalysatorn 114. En eller flera ytor 101 antas bestå av minst två olika material och/eller minst ett material med varierande egenskaper. Den avbildande materialanalysatorn medger att materialen som ytorna består av kan klassificeras och karakteriseras med kontaktlös mätteknik och där avbildningen ger information om materialens fördelning över ytorna. Den kontaktlösa mättekniken innebär att ytorna bestrålas med elektromagnetisk strålning samt att den reflekterade strålningens spektrala fördelning utgör underlag för klassificering och karakterisering av materialen. Typiska tillämpningsområden för uppfinningen är exempelvis: sortering av material för återvinning, karakterisering av råvara så som exempelvis 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 1 till 9. Den avbildande materialanalysatorn 114 består av minst två huvudkomponenter: minst en strålningsavgivande anordning 104, samt minst en mottagare Figur 1 visar den tvådimensionella ytan 101 som analyseras genom att en strålningsavgivande anordning 104, bestående av minst två eller flera strålningsavgivande enheter 113.1-113.N I figurerna visas strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N, som belyser ytan 101. N antal strålningsavgivande enheterna sänder ut elektromagnetisk strålning med våglängder från minimalt 100 nm till maximalt Sum men där varje enskild strålningsavgivande enhet karakteriseras av maximal intensitet vid våglängderna Ål till ÄN. I denna patentansökan kan i förekommande fall ordet ljus användas synonymt med elektromagnetisk strålning inom givet våglängdsintervall. Andra våglängdsintervall än 100 nm till 3um kan förekomma i alternativa utföringsformer. N och Ål till ÄN är parametrar vars värde tilldelas i enlighet med det förfarande som föreliggande patentansökan beskriver. I förekommande fall kan resterande teknisk beskrivning och patentkrav komma att referera till dessa parametrar. Värdet av parametern N anger antalet strålningsavgivande enheter och är samtidigt styrande för dimensioneringen av modulator 106, spektral demodulator 109 samt AI-enhet 111. I den exemplifierande utföringsformen utgörs de strålningsavgivande enheterna av LED-lasrar och/eller LED-dioder. En LED-laser avger ett nära monokromatiskt, koherent ljus emedan en enklare LED-diod avger ljus med ett bredare våglängdsområde än för LED-lasern. I alternativa utföringsformer kan blixtrande xenonlampor i kombination med optiska bandpassfilter användas. En kamera 102 avbildar en yta 101 genom registrering av den elektromagnetiska strålningen som reflekteras i ytan under repetitiva tidsintervall kallad exponeringstid. Kameran innefattar minst en bilddetektor. 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 pulser signalerar början av repetitiva bildexponeringar. Trigg-signaler är ofta förekommande i digitala konstruktioner där de används för att samtidigt "avfyra" händelser i fler än en modul, vanligtvis kallat synkronisering. En modulator 106 genererar N stycken sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler 105 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. Pulser 22 startas synkront med den triggsignal 107, 21 som kommer från kameran 102. Triggsignalen medger därför att pulserna 22 startar samtidigt med kamerans 102 bildexponering men där pulsernas 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 från de 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 för kameran 102 bör idealt väljas till den maximala tiden under vilken någon av de strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N avger elektromagnetisk strålning, dvs maximal pulsbredd 24. Pulsernas bredder 24 är modulerade så att dess bredd står i direkt proportion till en tid- och amplitud-diskret sinusformad signal 23, allmänt känd som SPWM. De tid- och amplitud-diskreta värdena 25 utgör därför en digital representation av den sinusformade signalen 23. N antal sinusformade pulsbreddsmodulerade signaler genereras på så sätt i modulatorn 106 med olika frekvenser fl till fN 26 som får styra de strålningsavgivande enheterna 113.1-113.N, karakteriserad av våglängderna Ål till ÅN. Frekvenserna fl till fN är parametrar vars värde tilldelas i enlighet med det förfarande som föreliggande patentansökan beskriver. I förekommande fall kan resterande teknisk beskrivning och patentkrav komma att referera till dessa parametrar. De digitala signalerna 108 står i proportion till pulsbredderna 24 och representerar på så sätt de tids- och amplitud-diskreta sinusformade signalerna Sl till SN samt motsvarande cosinustermer Cl till CN. Cosinustermerna har en fasförskjutning av 90 grader i relation till den sinusvåg 23 som styr pulsbredderna 24. De digitala signalerna 108 används tillsammans med videosignalen 103 i den spektrala demodulatorn 109 för att genera en serie digitala signaler Rl till RN, proportionerliga till intensiteten av den elektromagnetiska strålning 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 multipliceras med videosignalen V 33 i digitala multiplikatorer 39. De resulterande signalerna, 34 och 35 filtreras därefter i en bank av linjära digitala lågpassfilter 36. Dessa filter opererar temporalt, dvs filtrering endast i tidsdomänen för respektive pixel. Tidsdomänen för en pixel beskriver hur pixelns värde förändras över tid för den sekvens av bilder som den digitala videosignalen utgör. Slutligen görs en aritmetisk beräkning 37 av den reflekterade elektromagnetiska strålningens intensitet Rl till RN, 38 för respektive våglängd Ål till ÅN. Det faktum att sinus- och cosinustermerna, 31 och 32 har samma frekvens fl 26 som för motsvarande utsända sinusformad pulsbreddsmodulerade elektromagnetisk strålning 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 alternativa algoritmer 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 fordon eller autonom farkost 82 för analys av ytor 83 över stora områden, materialanalysatorn 84 monterats stationärt 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 Den föreliggande uppfinningen, en avbildande materialanalysator 114 behöver anpassas till den valda uppsättning olika material som användaren önskar analysera. En förutsättning för att materialanalysen skall vara möjlig är att reflekterad elektromagnetisk strålning inom det spektrala våglängdsområdet inom vilken mottagaren 115 är känslig också är bärare av information om valda material. Denna information är oftast koncentrerad till några få enstaka våglängder/våglängdsområden inom mottagarens känslighetsområde. Därför beskrivs iföljande stycken ett förfarande för att välja dessa enstaka våglängder/våglängdsområden. Därefter bestyckas den strålningsavgivande anordningen i enlighet med valda våglängder/våglängdsområden samt att modulator och spektral demodulator konfigureras för motsvarande signalbehandling. Därefter vidtar ett förfarande där materialanalysatorn lär sig att klassificera valda material samt lär sig att karakterisera materialens egenskaper. Detta lärande erhålls genom träning av en enhet för artificiell intelligens Figur 7 är en flödesgraf av arbetsmoment som schematiskt sammanställer ett förfarande där den strålningsavgivande anordningen 104 bestyckas med en uppsättning strålningsavgivande enheter 113.1-113.N samt att modulator 106 och spektral demodulator 109 konfigureras. Förfarandet innebär att den avbildande materialanalysatorn 114 anpassas för analys av den begränsade uppsättning olika material som den avbildande materialanalysatorn 114 skall kunna analysera. Initialt behövs en spektrograf, hyperspektral kamera eller liknande instrument för att samla in data 71 för den spektrala fördelningen av den elektromagnetiska strålning som reflekteras i ytor av en begränsad uppsättning olika material och där några av materialen kan ha varierande egenskaper. Därefter utförs principalkomponentanalys 72 (en välkänd statistisk analysmetod) för det insamlade data varvid projicerat data och projektionens koefficienter beräknas. Koefficienterna ger därefter god ledning om vilka våglängder/våglängdsområden karakteriserade av Å; 73 inom det totala analyserade spektrala området som har störst betydelse för att kunna klassificera och/eller karakterisera de olika materialen 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 för regressionsanalys av dess egenskaper, medan andra hälften av data används för en simulerad klassificering av material och/eller simulerad karakterisering av materialens egenskaper 75. Även andra alternativa fördelningar för uppdelning av filtrerad data än hälften-hälften kan förekomma. Blev klassificeringen eller karakteriseringen undermålig måste arbetsmomenten 73, 74 och 75 upprepas varvid andra våglängder Å; och möjligen fler strålningsavgivande enheter N väljs. Blev däremot resultatet av klassificeringen och/eller karakteriseringen godtagbar blir nästa steg 76, att bestycka den strålningsavgivande anordningen 104 med en uppsättning strålningsavgivande enheter 113.1-113.N som karakteriseras av de Å; tidigare valda vid 73. Frekvenserna 26, f; för N antalet sinusformade signaler 108 skall därefter väljas och modulatorn konfigureras motsvarande. Den spektrala demodulatorn 109 konfigureras för 2N antalet lågpassfilter 36 samt 2N signalvägar för övriga beräkningar 39, 37. Konfigurationen av modulator och spektral demodulator innebär modifiering av källkod för 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. Med temporalt 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 enskild strålningsavgivande enhet 113.1-113.N ger upphov till. B är en parameter vars värde tilldelas i enlighet med det förfarande som här beskrivs. I förekommande fall kan resterande teknisk beskrivning 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 för bildexponeringar i kameran 102. De N frekvenserna f; som modulerar respektive strålningsavgivande enheter 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 ett samband mellan bildexponeringarnas repetitionsfrekvens FC 97, antalet strålningsavgivande enheter N 113.1-113.N samt bandbredden B 92. Högre repetitionsfrekvens för bildexponeringar FC 97 eller färre antal strålningsavgivande enheter N 113.1-113.N medger större bandbredd B 92. Det som avgör behovet av bandbredd B är förekomsten av rörelse i bilden, snabbare rörelser kräver större bandbredd B för korrekt återgivning. Bandbredden B är samma bandbredd som iden exemplifierande utföringsformen lämpligen väljs för den spektrala 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 uppsättning olika material en yta består av. Förmågan att klassificera material utifrån spektrala data skapas genom en föregående träning av artificiell intelligens. Med karakterisering avses beräkning av en eller flera mätetal som kvantifierar ett materials egenskaper enligt ett matematiskt samband som bestämts med regressionsanalys. Med regressionsanalys avses en statistisk metod för att utifrån träningsdata bestämma ett matematiskt samband mellan spektral information och en ytas egenskaper. Både klassificering och karakterisering är resultatet av beräkningar utförda med en enhet för artificiell intelligens kallad Al-enhet 111. Träning och regressionsanalys är också resultatet av 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 modulerad elektromagnetisk strålning och samtidigt kvantifierar reflekterad strålning. Anordningen 114 demodulerar kvantifierad reflektion vilket ger en spektral fördelning av reflekterad strålning för varje bildelement (pixel). Ett förfarande, schematiskt avbildat i figur 7, används för att anpassa anordningen 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 den används för att klassificera de olika material som en två-dimensionell yta 401 består av. Figur 4 visar en avbildande materialanalysator som består av två huvudkomponenter: (1) en strålningsavgivande anordning 402, bestående av en grupp av strålningsavgivande enheter 413 samt (2) en mottagare 403. Dessa två enheter är elektriskt sammankopplade via en kabel 404, försedd med kontakt och som i huvudsak överför signalerna Tl till TN, se 104 i figur 1. Detta medger att analysatorn kan utrustas med en utbytbar strålningsavgivande enhet 402, bestående av alternativa grupper av strålningsavgivande enheter 413. Strålningsavgivarna karakteriseras av våglängderna Ål till ÄN som valts utifrån vilka material som behöver klassificeras. Mekaniskt är komponenterna 402 ochsammanfogade men löstagbara.

En pixellerad bilddetektor 406 med en eller två dimensioner avbildar ytan 401. Avbildningen sker genom att ljus fokuseras med en löstagbar och utbytbar lins 405 så att bilden projiceras på bilddetektorn 406. Algoritmer och logik för 407 avbildning, 408 spektral demodulator och modulator, 409 artificiell intelligens, samt 410 kommunikation är i den exemplifierade utföringsformen implementerad 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 Figur 5 visar en alternativ utföringsform där artificiell intelligens 52 flyttats från mottagarenhetenoch i stället implementerats som programvara i datorn för mätdatainsamling Figur 6 visar ytterligare en alternativ utföringsform där den avbildande materialanalysatorn har en egen 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 Fördelar med uppfinningen Med den föreliggande uppfinningen uppnås ett flertal fördelar. Den viktigaste är att minst ett av de angivna problemen i bakgrunden eller beskrivningen med kända tekniker har eliminerats eller reducerats.

Den föreliggande uppfinningen modulerar den aktiva elektromagnetiska strålningen med en sinusformad, pulsbreddsmodulerad vågform (SPWM) där pulserna synkroniserats med bildexponeringen. Detta medför därför att den aktiva elektromagnetiska strålningens energi kan styras till endast de tidsintervall då bildexponeringen sker. Med moderna LED eller LED-laserdioder kan hög ljusintensitet skapas under tiden av mycket korta pulser, vilket i sin tur medger extremt korta exponeringstider och därmed minimerat bidrag från omgivande elektromagnetisk strålning. Pulsbreddernas sinusformade variation medger en varierande ljusenergi som framträder som en sinusformad intensitet i en temporal sekvens av bilder. Den sinusmodulerade intensiteten kan därefter effektivt separeras från den omodulerade omgivande elektromagnetiska strålningen med hjälp av superheterodyne lock-in där den elektromagnetiska strålningens olika våglängder modulerats med olika frekvenser 26. Undertryckning av omgivande elektromagnetisk strålning sker därför i två steg: (1) genom synkroniserade ljuspulser i kombination med korta bildexponeringar, (2) genom demodulation med superheterodyne lock-in. Det första steget skyddar bilddetektorn från mättnad exempelvis i fallet av stark elektromagnetisk strålning från solen. Det är enormt viktigt att inkludera 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 för respektive strålningsavgivande enhet. Denna demodulation sker på basis av samma temporala mängd bilddata för alla spektrala kanaler och inte olika uppsättningar som i fallet av tidsmultiplexad modulation 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 sätt. Ingen annan känd teknik för avbildande materialanalys har lyckats kombinera dessa viktiga egenskaper.

Den föreliggande uppfinningen modulerar elektromagnetisk strålning med olika våglängder i stället för 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 vara utelämnade 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 fackmännen inom det område uppfinningen avser. Samtliga sådana modifieringar och variationer anses falla inom ramen för de efterföljande patentkraven.Referenser [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] B. Stuart, Bio/ogical applications of infrared spectroscopy, Wiley,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|P. Jonsson, Surface Status Classification, Uti/izing Image Sensor Technology and Computer Models, Doctoral thesis no. 219, Mid Sweden University, 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 Sten Löfving, "Optisk metod att uppskatta egenskaper för ett is- eller vattenbelagt mätobjekt", Svenskt patent, nummer SE 531 949 C2, 15 september 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 Spectroscopic Technologies IV, 25-26 April 2011, Orlando, FL, USA.

J. Casselgren et.a|, "Road condition analysis using NIR illumination and compensating for surrounding light", Optics and Lasers in Engineering, v 77, pp. 175-82, Feb.S. Bhattacharyya et.a|, "Implementation of Digital Lock-in Amplifier", Journal of Physics: Conference Series, v 759,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/eller karakterisering av material i minst en yta (101), vilken innefattar minst en strålningsavgivande anordning (104) samt minst en mottagare (115), vilken strålningsavgivande anordning (104) är anordnad att avge pulser av elektromagnetisk strålning, som modulerats av minst en modulator (106), med maximal intensitet vid våglängderna (A1) till (AN) mot minst en yta (101), samt att mottagaren (115) innefattar minst en kamera (102) vilken är anordnad att registrera den reflekterade elektromagnetiska strålningen från ytan (101), samt att kameran (102) är anordnad att generera videosignaler (103) vilka överförs till minst en spektral demodulator (109) vilken är anordnad att demodulera de genererade videosignalerna (103) och avge digitala signaler (R1) till (RN), samt att den strålningsavgivande anordningen (104) innefattar minst en första strålningsavgivande enhet (113.1) som är anordnad att avge modulerad elektromagnetisk strålning med en maximal intensitet vid en första våglängd (A1) samt minst en andra strålningsavgivande enhet (113.2) som är anordnad att avge modulerad elektromagnetisk strålning med en maximal intensitet vid en andra våglängd (A2), kännetecknad av att modulatorn (106) är anordnad att avge pulser (105, 22) som modulerats till sinusformade, pulsbreddsmodulerade vågformer som styr de strålningsavgivande enheternas (113.1-113.N) avgivna elektromagnetiska strålning, samt att modulatorn (106) är anordnad att synkronisera starttiden för de avgivna pulserna (105, 22) och pulserna av elektromagnetisk strålning från de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) med starttidpunkterna för kamerans (102) exponeringar, samt att den spektrala demodulatorn (109) utgörs av en digital implementation av en superheterodyn lock-in-förstärkare och att de av den spektrala demodulatorn (109) avgivna digitala signalerna (R1) till (RN), står i proportion till intensiteten av det ljus som reflekterats i ytan (101) och avgivits från de respektive strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) med maximal utstrålad intensitet vid de motsvarande våglängderna (A1) till (AN).

2. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) är anordnade att avge elektromagnetisk strålning med våglängder inom intervallet 100 nm till 3pm. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 eller 2 kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) utgörs av LED- lasrar. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 till 2 kännetecknad av att de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) utgörs av LED- dioder. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 1 till 2 kännetecknad 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 minst ett av tidigare patentkrav kännetecknad av att den avbildande materialanalysatorn innefattar minst en Al- enhet (111) Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 6 kännetecknad av att Al-enhet (111) innefattande minst ett datorprogram innefattande minst en algoritm, vilken Al-enhet (111) är anordnad att klassificera ytans (101) ingående material och/eller karakterisera en eller flera mätetal avseende egenskaper för dei ytan (101) ingående materialen. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att kameran (102) innefattar minst en endimensionell och/eller minst en tvådimensionell bilddetektor vars pixlar är känsliga för alla de förekommande våglängderna (A1) till (ÄN). Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att 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 av att den strålningsavgivande anordningen (104) och mottagaren (115), utgörs av separata enheter. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 1 kännetecknad av att den strålningsavgivande anordningen (104) och mottagaren (115), är integrerade i en enhet. Avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av tidigare patentkrav kännetecknat av att den avbildande analysatorn innefattar en bank av linjära digitala lågpassfilter (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 13 kännetecknat av att den strålningsavgivande anordningen (104) bestyckas med ett erforderligt N antal strålningsavgivande enheter (113.1-113.N), med maximal intensitet vid våglängderna (Ål) till (ÄN), valda för att möjliggöra klassificering av material i ytan (101) och/eller möjliggöra karakterisering av de i ytan (101) ingående materialens egenskaper, varefter modulatorn (106) och spektrala 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), 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 och genererar minst en digital videosignal (103) vilken digital videosignal (103) demoduleras i den spektrala demodulatorn (109) samt att den spektrala demodulatorn (109) avger N antal digitala signaler (R1) till (RN) vilka är proportionerliga till intensiteten vid motsvarande N antal våglängder (A1) till (ÄN) av den reflekterade elektromagnetiska strålningen från ytan (101), samt att de digitala signalerna (R1) till (RN) ligger till grund för en klassificering av ytans ingående material och/eller en karakterisering av materialens egenskaper. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 14 kännetecknat av att de i modulatorn (106) genererade sinusformade pulsbreddsmodulerade signalerna (105, 22) genereras med N antal olika frekvenser f'till fN. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 15 kännetecknat av att de N antal olika frekvenserna f1 till fN beräknas enligt formeln (94) enligt nedan fi= 2iB där variabeln i definieras enligt formel (95) enligt nedan i = 1 ...N samt att bandbredden B för lågpassfiltren (36) definieras enligt formeln (93) enligt nedan B=Fc/4(N+1) där variabeln Fc motsvarar repetitionsfrekvensen för bildexponeringar i kameran (102). Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med ett av patentkraven 14 till 16 kännetecknat av att när de av modulatorn (106) avgivna pulserna (105, 22) har en högre signalnivå än 80 % relativt den maximala signalnivån som modulatorn (106) kan avge, 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 med något av patentkraven 14 till 17 kännetecknat av att exponeringstiden för kameran (102) väljs till den tiden som motsvarar maximal pulsbredd (24), under vilken någon av de strålningsavgivande enheterna (113.1-113.N) avger elektromagnetisk strålning. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 14 till 18 kännetecknat av att valet av antalet N strålningsavgivande enheter(113.1-113.N), samt valet av strålningsavgivande enheters (113.1-113.N) våglängder (A1) till (ÄN), sker med ett delförfarande där spektrala data samlas in (71) för de material som skall klassificeras och/eller karakteriseras med den avbildande materialanalysatorn och där insamlingen sker med minst en spektrograf, alternativt minst en hyperspektral kamera eller liknande, varefter en principalkomponentanalys (72) av de insamlade spektrala data genomförs så att projicerade data och projektionens koefficienter beräknas, vilka koefficienter ger ledning om vilka våglängder/våglängdsområden karakteriserade av Å; (73) inom det totala analyserade spektrala området som har störst betydelse för klassificering och/eller karakterisering av de olika materialen, vilket i sin tur ger ledning om hur den strålningsavgivande anordningen skall bestyckas (76) samt hur modulatorn (106) och den spektrala demodulatorn (109) skall konfigureras. 20. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkrav 19 kännetecknat av att den insamlade spektrala datamängden filtreras med simulerade optiska filter (74) enligt de val som koefficienterna medförde vilket medför att en spektral beskrivning av materialen med avsevärt lägre spektral upplösning än den som inhämtats med spektrografen erhålls varefter hälften av den filtrerade datamängden används för att träna en klassificerare och/eller för regressionsanalys av materialens egenskaper, medan den andra hälften av den filtrerade spektrala datamängden används för en simulerad klassificering och/eller ka ra kte risering (75) av materialen. 21. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med patentkraven 19 till 20 kännetecknat av att om klassificeringen och/eller karakteriseringen (75) ej blev godtagbar måste arbetsmomenten (73, 74, 75) upprepas, blev resultatet av klassificeringen och/eller karakteriseringen godtagbar bestyckas (76) den strålningsavgivande anordningen (104) med en uppsättning N strålningsavgivande enheter (113.1-113.N) som karakteriseras av de tidigare valda (73) våglängderna (A1) till (ÄN) samt att modulatorn (106) och den spektrala demodulatorn (109) konfigureras. 22. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 14 till 21 kännetecknat av att konfigurationen av modulator (106) respektive spektral demodulator (109) sker genom modifiering av källkod för programvara och/eller firmware, varefter den avbildande materialanalysatorn (114) uppdateras med ny maskinkod och/eller nya konfigurationsfiler för programme rbar logik. 2

3. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 14 till 22 kännetecknat av att vid demoduleringen av de digitala signalerna (103) med den spektrala demodulatorn (109) multipliceras sinus- och cosinus-termer, (31) och (32), vilkas gemensamma frekvens fi (26) motsvarar våglängden Åi för den utsända sinusformad pulsbreddsmodulerade elektromagnetisk strålning (22), med videosignalen V (33) i digitala multiplikatorer (39) till de resulterande signalerna, (34) och (35) vilka därefter filtreras i en bank av linjära digitala lågpassfilter (36) vars passband har en bredd som valts till B, vilka filter opererar temporalt, dvs filtrerar i tidsdomänen för respektive pixeldata varefter en aritmetisk beräkning (37) av den reflekterade elektromagnetiska strålningens intensitet (Rl) till (RN), (38) för respektive våglängd ((Å1) till (ÄN) utförs. Förfarande för användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 14 till 23 kännetecknat av att vid demoduleringen av de digitala signalerna (103) med den spektrala demodulatorn (109) multipliceras sinus- och cosinus-termerna, (31) och (32) med videosignalen V (33) i digitala multiplikatorer (39) till de resulterande signalerna, (34) och (35) vilka därefter filtreras i en bank av linjära digitala lågpassfilter (36) vars passband har en bredd som valts till B, vilka filter opererar temporalt, dvs filtrerar i tidsdomänen för respektive pixeldata varefter en aritmetisk beräkning (37) av den reflekterade elektromagnetiska strålningens intensitet (Rl) till (RN), (38) för respektive våglängd ((Å1) till (ÄN) utförs. Användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 1 till 13 i ett fordon alternativt i en autonom farkost. Användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 1 till 13 i en stationär applikation. Användning av avbildande materialanalysator (114) i enlighet med minst ett av patentkraven 1 till 13 kännetecknad av att den avbildande materialanalysatorn (114) används manuellt.