基于嵌入式技術的微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)

李 斌，李 莉，江 恒

(陸軍工程大學 軍械士官學校，湖北 武漢 430075)

微弱光電信號抗干擾能力更強，在許多領域得到了廣泛的應用，在微弱光電信號實際應用中，有時信號比較微弱，再加上噪聲的干擾，對微弱光電信號檢測結(jié)果產(chǎn)生不利影響[1-2]。當微弱光電信號發(fā)生變化時，使得微弱光電信號相關設備的工作狀態(tài)改變，這樣根據(jù)微弱光電信號檢測結(jié)果可以知道微弱光電信號檢測系統(tǒng)工作情況。因此，如何建立高精度的微弱光電信號檢測系統(tǒng)具有較高的實際應用價值，一直是人們關注的焦點[3]。

對于微弱光電信號檢測問題，許多學者投了大量的時間和精度進行了深入而廣泛的研究，取得了一定的研究成果[4]。微弱光電信號檢測技術可以劃分為2種類型[5]：硬件技術與軟件技術。其硬件技術的微弱光電信號檢測精度高，如基于單片機的微弱光電信號檢測系統(tǒng)，基于FPGA的微弱光電信號檢測系統(tǒng)等，但是這種基于硬件技術的微弱光電信號檢測系統(tǒng)成本相對較高，因此實際應用范圍比較窄[6-8]；軟件技術的微弱光電信號檢測成本較低，因此成為當前微弱光電信號檢測的主要研究方向[9-11]，如基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡的微弱光電信號檢測系統(tǒng)等，由于微弱光電信號變化越來越復雜，單一的軟件技術缺陷也越來越明顯，如微弱光電信號檢測的效率低，難以獲得高精度的微弱光電信號檢測結(jié)果[12]。

為了獲得理想的微弱光電信號檢測結(jié)果，本文提出了基于嵌入式技術的微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合硬件和軟件的優(yōu)勢，采用嵌入式技術設計微弱光電信號檢測的架構(gòu)，運用小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡設計微弱光電信號檢測模型，仿真實驗驗證了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1 微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)

1.1 本文系統(tǒng)的整體框架

基于嵌入式技術的微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)采用嵌入式技術對相關硬件進行控制，首先通過傳感器對微弱光電信號進行采集，對采集的微弱光電信號進行放大處理，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將微弱光電信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號；然后采用小波分析方法對微弱光電信號進行去噪處理，過濾掉微弱光電信號中的噪聲，改善微弱光電信號的質(zhì)量，最后采用神經(jīng)網(wǎng)絡對微弱光電信號進行檢測，并輸出微弱光電信號的檢測結(jié)果，具體如圖1所示。

圖1 嵌入式技術的微弱光電信號檢測原理Fig.1 detection principle of weak photoelectric signal based on Embedded Technology

1.2 微弱光電信號檢測的硬件模塊

微弱光電信號檢測的硬件模塊主要包括處理器模塊、信號采集和放大模塊、信號存儲模塊、信號傳輸模塊，具體描述如下。

(1)處理器是嵌入式技術的微弱光電信號檢測的核心，本文選擇S3C2410型處理器，該處理的運行速度快，能耗低，可以滿足微弱光電信號檢測要求。

(2)微弱光電信號是一種微弱的模擬信號，因此首先要通過數(shù)模電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時需要對其進行放大處理。一般采集設備易受到周圍環(huán)境因素影響，輸出光電流信號波動大。由于傳感器對周圍環(huán)境魯棒性高，不易受到周圍環(huán)境因素影響，本文選擇傳感器進行微弱光電信號采集。通過前置放大電路實現(xiàn)微弱光電信號放大處理。微弱光電信號放大電路采用了AD795和數(shù)字電位器進行設計，具有高增益的優(yōu)點。電阻與控制電壓對放大電路放大增益和微弱光電信號檢測的靈敏度進行控制，具體設計為采用二路數(shù)字電位器，其中一個作為反饋電阻，另一個用于對微弱光電信號靈敏度進行調(diào)節(jié)。每次信號采集前會對光傳感器工作狀態(tài)進行檢測與調(diào)整，控制器會先進行數(shù)模轉(zhuǎn)換中的信號分析，若信號幅度范圍處于合理范圍內(nèi)，就進行后續(xù)信號采集，若信號不在合理范圍內(nèi)，對放大電路的增益與光電倍增管的靈敏度進行調(diào)整。

(3)微弱光電信號存儲采用動態(tài)存儲器，其位寬為32位。

(4)微弱光電信號傳輸采用無線傳感網(wǎng)絡，解決當前普通無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸慢的缺陷。

1.3 微弱光電信號檢測的軟件模型

1.3.1 小波分析對微弱光電信號進行預處理

采集原始微弱光電信號通常存在一定的噪聲，這些噪聲會影響最終微弱光電信號檢測效果，因此在進行微弱光電信號檢測之前，采用小波分析對微弱光電信號進行去噪操作，過濾掉微弱光電信號中的噪聲，提高微弱光電信號的質(zhì)量。

設理想的微弱光電信號為f(k)，實際采集到的微弱光電信號為s(k)，噪聲為e(t)，那么可以得到：

s(k)=f(k)+e(k)

(1)

采用小波分析對采集到的微弱光電信號進行多尺度分解，得到不同大小的小波系數(shù)。為使微弱光電信號去噪能夠達到良好的效果，小波分析使用軟閾值法去除微弱光電信號的噪聲，軟閾值函數(shù)可以描述為：

(2)

式中，Cj與λ分別為小波系數(shù)與設定的門限閾值。

使用軟閾值法對小波系數(shù)進行處理后，通過小波分析的重構(gòu)得到理想的微弱光電信號，將去噪后的微弱光電信號作為基礎，用于后續(xù)微弱光電信號檢測。

1.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡建立微弱光電信號檢測模型

(3)

傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡訓練時，使用隨機梯度下降法，易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，為防止出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，使用dropout技術，該技術與動量相結(jié)合改善卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練效果，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡訓練建立微弱光電信號檢測模型。

2 微弱光電信號的性能檢測與分析

2.1 測試對象

為了檢測嵌入式技術的微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)性能，采用Matlab 2019作為測試平臺。采集10個微弱光電信號作為測試對象，由于篇幅有限，只列出一個微弱光電信號波形圖，具體如圖2所示。

從圖2的微弱光電信號波形可以發(fā)現(xiàn)，該微弱光電信號中包含了一定的噪聲，噪聲淹沒了有用微弱光電信號。

圖2 微弱光電信號變化波形Fig.2 Weak photoelectric signal change waveform

2.2 微弱光電信號的檢測結(jié)果

為了使得嵌入式技術的微弱光電信號檢測結(jié)果具有可比性，增強微弱光電信號檢測結(jié)果的說服力，選擇文獻[11]的微弱光電信號檢測系統(tǒng)、文獻[12]的微弱光電信號檢測系統(tǒng)進行對比測試，對于圖2的微弱光電信號，3種系統(tǒng)的微弱光電信號檢測結(jié)果如圖3所示。對圖3的微弱光電信號檢測結(jié)果進行分析可以發(fā)現(xiàn)，對比系統(tǒng)的微弱光電信號檢測結(jié)果不理想，無法獲得真正的微弱光電信號，檢測結(jié)果存在不同程度的失真情況，而本文系統(tǒng)可以有效的抑制噪聲對微弱光電信號檢測結(jié)果的干擾，檢測到了有用的微弱光電信號，具有較強的抗噪能力，改善了微弱光電信號檢測結(jié)果。

圖3 不同系統(tǒng)的微弱光電信號檢測結(jié)果對比Fig.3 Comparison of weak photoelectric signal detection results of different systems

2.3 微弱光電信號的檢測精度比較

對于10個微弱光電信號樣本，采用3種系統(tǒng)分別對它們進行檢測，統(tǒng)計它們的微弱光電信號檢測精度，具體結(jié)果如圖4所示。對圖4的微弱光電信號檢測精度進行分析可以知道，文獻[11]的微弱光電信號檢測精度最低，使得微弱光電信號檢測誤差過高，無法描述微弱光電信號的變化特點；而文獻[12]的微弱光電信號檢測精度要高于文獻[11]，但是微弱光電信號檢測結(jié)果極不穩(wěn)定，波動范圍比較大，也難以高精度描述微弱光電信號變化特點，本文系統(tǒng)的微弱光電信號不僅檢測精度高，而且檢測結(jié)果十分穩(wěn)定，這表明了本文系統(tǒng)能夠克服當前微弱光電信號檢測系統(tǒng)存在的缺陷，提升了微弱光電信號檢測精度。

圖4 3種系統(tǒng)的微弱光電信號檢測精度比較Fig.4 Comparison of detection accuracy of weak photoelectric signal of three systems

2.4 微弱光電信號的檢測效率比較

由于微弱光電信號數(shù)量越來越多，因此微弱光電信號檢測效率成為一個重要評價指標，采用微弱光電信號檢測時間分析微弱光電信號效率，統(tǒng)計3種微弱光電信號檢測系統(tǒng)的檢測時間，結(jié)果如圖5所示。從圖5的微弱光電信號檢測時間可知，本文系統(tǒng)的微弱光電信號檢測時間明顯短于文獻[11]和文獻[12]的微弱光電信號檢測時間，提高了微弱光電信號檢測效率。

圖5 3種系統(tǒng)的微弱光電信號檢測時間比較Fig.5 Comparison of weak photoelectric signal detection time of three systems

2.5 微弱光電信號檢測系統(tǒng)的抗干擾能力比較

對一個微弱光電信號，加入不同程度的噪聲，統(tǒng)計3種系統(tǒng)的微弱光電信號檢測誤差，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以知道，對于不同程度的噪聲，本文系統(tǒng)的微弱光電信號檢測誤差最小，而對比系統(tǒng)的檢測誤差變化幅度比較大，這表明本文系統(tǒng)具有更優(yōu)的抗干擾能力，微弱光電信號檢測的魯棒性更強。

圖6 3種系統(tǒng)的噪聲微弱光電信號檢測誤差Fig.6 Detection error of noise weak photoelectric signal of three systems

3 結(jié)語

為了獲得理想的微弱光電信號檢測結(jié)果，本文提出了嵌入式技術的微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)，采用嵌入式技術設計微弱光電信號檢測的硬件模塊，引入人工智能技術中的神經(jīng)網(wǎng)絡設計微弱光電信號檢測的軟件模塊，并通過小波分析技術消除噪聲對微弱光電信號檢測結(jié)果的不利影響，與其他微弱光電信號檢測系統(tǒng)的對比測試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的微弱光電信號檢測效果要明顯優(yōu)于對比系統(tǒng)，檢測效率更優(yōu)，獲得了理想的微弱光電信號檢測結(jié)果。