По следам астроботаников

Александр Калачев (г. Барнаул)

Эта история начинается с поступления задачи на разработку прибора для измерения отраженных потоков излучения от природных поверхностей (так называемых ландшафтных образований/ ландшафтов) для мониторинга и оценки природных изменений северных территорий в связи с деятельностью человека. По сути, нужен был спектрофотометр для оценки коэффициентов отражения подстилающих поверхностей и измерения потоков отраженного от них излучения оптического диапазона. Полученные данные планировалось использовать и для составления каталогов коэффициентов отражения природных образований, и как опорные данные для привязки к данным спутникового дистанционного зондирования.

Основные требования к прибору были следующие:

• прибор должен быть мобильным и/или переносным;
• необходимо производить замеры отраженного от поверхности излучения в нескольких спектральных диапазонах (на нескольких длинах волн);
• должно осуществляться сохранение данных/ ведение лога действий.

Отраженное излучение будет в достаточно сильной степени зависеть от падающего излучения, и в частности – от его спектра. Например, если наблюдения ведутся при мутной атмосфере, на закате/восходе, спектр падающего излучения будет существенно отличаться от обычного солнечного спектра. Поэтому было принять логичное решение о параллельном мониторинге и падающего, и отраженного излучения.

Первоначальная мысль об организации нескольких параллельных спектральных каналов на фотодиодах с узкополосными фильтрами оказалась неудачной вследствие двух моментов:

• стоимость узкополосных фильтров, удовлетворяющих условиям, на текущий момент весьма высока, что на порядок повышает конечную стоимость прибора и в итоге делает его практически непригодным для дублирования;
• в лаборатории оказалось достаточно сложно обеспечить уровни засветки, характерные для «полевых» условий.

Последующий переход на интегральные цифровые датчики освещенности (в этом секторе обычно представлены 3-4-канальные датчики; каналы: красный, зеленый, синий и в ряде случаев ИК) позволил уйти от проблем с динамическим диапазоном, но количество спектральных каналов – всего четыре. Такое количество позволяет оценивать некоторые параметры подстилающей поверхности, например, вегетативный индекс NDVI, но для более детальной картины нужно лучшее разрешение по каналам или большее их число.

Интегральные спектральные датчики

Выход в 2016 году 6-канальных интегральных анализаторов спектра AS7262 и AS7263 производства австрийской компании ams существенно упростил решение задачи по созданию бюждетного спектрофотометра. Обе микросхемы сочетают в одном корпусе различные оптические и электронные элементы, в том числе фотодиодную сборку и вычислительное ядро анализатора спектра. Микросхема AS7262 предназначена для работы с видимой частью спектра (450…650 нм), а AS7263 – с инфракрасным диапазоном (610…860 нм).

Датчики ориентированы на применение в таких областях, как:

• оценка температуры металла при выплавке, ковке, термообработке;
• сортировка семян по цвету в сельском хозяйстве;
• бесконтактный анализ тканей в медицине;
• анализ состава веществ в химии;
• контроль свежести продуктов;
• контроль качества воды;
• прецизионная подстройка цвета при выборе красок (например, в областях строительства и автомобилестроения);
• оценка температуры и состава небесных тел (звезд, комет и прочего) в астрономии и других областях;
• оценка состояния растительного покрова в сельском хозяйстве и экологии;
• анализ спектрального состава источников освещения.

Спектральные характеристики датчиков представлены на Рис. 1.

Рис. 1.	Спектральные характеристики датчиков AS7262, AS7263.

Ключевые характеристики датчиков AS7262|AS7263:

• по 6 спектральных каналов;
• I²C/ UART-интерфейс (поддержка АТ-команд);
• программируемые источники тока для внешних светодиодов подсветки;
• 16-битный АЦП;
• конфигурация времени интегрирования и коэффициента усиления сигнала.

Поддержка текстовых команд управления и чтения данных существенно упрощает освоение датчика – первое подключение можно осуществлять напрямую к ПК через преобразователь USB-UART, к тому же управление посредством АТ интуитивно и в программном коде воспринимается несколько проще.

Схема включения датчиков AS726x достаточно проста и требует нескольких резисторов для подтягивания линии сброса, задания режима интерфейса (вывод I²C_ENB– 0 – UART, 1- I²C), подтягивающих резисторов для линий шины I²C, если она задействована, фильтрующих конденсаторов по питанию, двух светодиодов (один – для индикации режима, второй – для подсветки исследуемого образца), SPI-Flash-памяти (Рис. 2).

Рис. 2.	Внешний вид датчиков AS726x, схема их включения и пример печатной платы с установленным датчиком.

SPI-Flash-память должна содержать образ прошивки, соответствующий установленному датчику. Возможны два варианта установки памяти:

• память устанавливается с заранее запрограммированной прошивкой, тогда схема включения датчика полностью соответствует представленной на Рис. 2;
• устанавливается чистая микросхема памяти.

В последнем случае необходимо предусмотреть небольшой блок коннекторов, позволяющих отключить память от AS726x на время ее программирования (по крайней мере, необходимо временно отключать линии CS и MOSI памяти от AS726x).

На этапе включения и инициации светодиод, подключенный к выводу LED_IND, играет роль индикатора статуса датчика:

• однократное мигание (светится примерно 0.7…1 с) после включения – успешная загрузка образа;
• периодическое мигание раз в секунду – пустая загрузочная память или ее отсутствие;
• парное мигание примерно раз в секунду – ошибка при загрузке образа;
• постоянное свечение диода – ошибка на линиях MISO/MOSI: короткое замыкание друг на друга или на общий провод.

Структура спектрофотометра

Для максимально полного охвата оптического спектрального диапазона в переносной спектрофотометр было решено включить и датчики AS7262 и AS7263. Таким образом перекрывается диапазон 450…860 нм. Было решено также задействовать инфракрасный датчик температуры TMP007 для регистрации температуры поверхности изучаемых объектов. В качестве помощи для ведения журнала наблюдений в структуру прибора вошли часы реального времени с I²C-интерфейсом, карта памяти, а в качестве бонусной опции предусмотрена возможность регистрации координат GPS- или ГЛОНАСС-приемником.

Общая структурная схема полевого спектрофотометра представлена на Рис. 3.

Рис. 3.	Структурная схема спектрофотометра.

AS726x в текущей версии прошивки поддерживают UART-интерфейс с настройками 8 бит, 1 стоп-бит, без проверки четности, скорость 115200 бит/с. Управление датчиками в режиме интерфейса «UART» – достаточно простое и заключается в передаче им в текстовом виде (ASCII-кодировка) команд (так называемых AT-команд) управления и в анализе отклика на них.

Перечень основных AT-команд приведен в Таблице 1.

Таблица 1. Основные АТ-команды управления датчиками AS726x

Команда Ответ датчика Описание ATDATA <..>, <..>, <..>, <..>, <..>, <..> OK Значения спектральных каналов с 1-го по 6-й, разделенные запятыми (16-битные целые) ATCDATA <..>, <..>, <..>, <..>, <..>, <..> OK Значения спектральных каналов с 1-го по 6-й, разделенные запятыми c учетом заводской калибровки (32-битные в формате с плавающей точкой) ATINTTIME=1 OK Установка времени интегрирования: value= [0; 255], время интегрирования = 2.8 мс×value ATGAIN=1 OK Установка коэффициента усиления датчика: value= (0; 1, 2, 3), коэффициент усиления – 1; 3.7; 16; 64) ATTEMP OK Возвращает температуру датчика в градусах Цельсия ATTCSMD=1 OK Задает режим работы датчика ATLED0=1 OK Вкл/выкл тока светодиода индикации: 100 = ON, 0 = OFF ATLED1=1 OK Вкл/выкл тока светодиода подсветки: 100 = ON, 0 = OFF ATLEDC=1 OK Задание уровня тока светодиодов: LED_IND: bits 3:0; LED_DRV: 7:4 bits LED_IND: ‘b00=1mA; ‘b01=2mA; ‘b10=4mA; ‘b11=8mA LED_DRV: ‘b00=12.5mA; ‘b01=25mA; ‘b10=50mA; ‘b11=100mA

1) Выполнение команд без параметров возвращает текущие настройки и «OK»

По умолчанию датчики AS7262 работают в режиме 3 (измерения идут по всем каналам) со временем интегрирования чуть более 0.5 секунд и коэффициентом усиления 1. Чтение данных осуществляется посредством команд ATDATAили ATCDATA. В ответ датчик присылает строку с шестью значениями в виде целых чисел или в формате с плавающей точкой:

Host- ATCDATA

AS726x- 319.1 662.7 1325.7 1581.9 1874.6 1650.3 OK

Для большинства задач, связанных с измерениями потоков излучения светильников или потоков, отраженных от поверхностей, данного режима вполне хватает.

При работе в условиях слабой освещенности, в сумерках возникает необходимость усиления сигнала, как для повышения его уровня, так и для получения более подробной картины спектра. Сделать это можно при помощи изменения коэффициента усиления:

Host- ATGAIN=3

AS726x- OK

Указанная выше строчка команды установит коэффициент усиления равным 64. Пример регистрации спектра с усилением, равным 1 и 64:

Коэффициент усиления по умолчанию (1)

Host - ATCDATA

AS7262 - 0.0 1.4 2.4 6.3 8.3 4.0 OK

AS7263 - 5.6 1.1 1.2 1.1 2.1 1.2 OK

Устанавливаем коэффициент усиления = 64

Host- ATGAIN=3

OK

AS7262 - 43.6 68.9 167.6 359.5 531.6 234.1 OK

AS7263 - 379.7 83.8 42.8 44.3 151.8 46.7 OK

Макетная версия спектрофотометра предусматривает размещение датчиков на выносном модуле, отдельный блок управления, интерфейс пользователя с несколькими кнопками. Внешний вид макета спектрофотометра представлен на Рис. 4.

Рис. 4.	Внешний вид макета спектрофотометра.

Примеры применения

Принятая конструкция спектрофотометра позволяет легко производить замеры падающего излучения, отраженного излучения, а также излучения, прошедшего сквозь объект. Кроме того, данная конструкция позволяет вести и полевые измерения, и работы внутри помещений (Рис. 5, 6 и 7). На данных рисунках показаны результаты замеров, которые производились в ясный день в сентябре с 14 до 16 часов. Гистограммы нормированы на полосу спектра с максимальной интенсивностью (Рис. 7).

Рис. 5.	Варианты полевого применения спекрофотометра.

Рис. 6.	Контроль спектрального состава источников освещения.

Рис. 7.	Примеры регистрации потоков отраженного излучения различных поверхностей.

Более информативны в плане оценки ландшафтных образований коэффициенты отражения поверхностей, получаемые в данном случае как отношение отраженного потока к падающему (Рис. 8). Соответственно, для получения коэффициентов отражения поверхностей необходимо измерить падающее на поверхность и отраженное от нее излучение. Показательно практическое совпадение коэффициента отражения газона, находящегося в тени, и газона на солнце. Видно также изменение отражения растительности в зависимости от ее состояния: линии «газон», «трава на аэродроме» и «пшеница» показывают, что газон состоит из практически одной молодой травы, пустырь на аэродроме имеет более высокую траву с примесью сухих стеблей, а пшеница находится практически на стадии полной зрелости.

В частности, мониторинг коэффициента отражения позволяет отслеживать состояние посевов. Рис. 9 иллюстрирует изменение отражения в зависимости от стадии прорастания травяного покрова (газонная трава).

Рис. 8.	Коэффициенты отражения подстилающих поверхностей.

Рис. 9.	Пример изменения коэффициента отражения в зависимости от стадии прорастания травяного покрова.

Регистрации спектрального состава различных источников освещения несколько проще – необходимо измерить непосредственно поток от светильника (Рис. 10).

Рис. 10.	Примеры регистрации спектрального состава различных источников освещения (гистограммы нормированы на полосу спектра с максимальной интенсивностью).

Одно из интересных побочных применений спектрофотометра – возможность его работы в качестве пирометра, в частности – пирометра спектрального отношения. В пирометре спектрального отношения температура самосветящегося нагретого объекта, также называемая цветовой температурой, определяется по отношению потоков излучения на двух различных длинах волн (Формула 1):

(1)

где:

I_i – удельная спектральная мощность на длине волны i, Вт мкм⁴см^-2;
λi – длина волны, мкм;
С₁ = 37417.4 Вт мкм⁴см²;
С = 14387.8 мкм К.

Для примера с регистрацией спектра лампы накаливания оценка ее цветовой температуры дает значение в районе 2405 °С (Рис. 11).

Рис. 11.	Оценка цветовой температуры нити лампы накаливания по парам значений мощности в неперекрывающихся спектральных каналах датчика AS7263.

Оценка температуры нити накаливания по изменению ее сопротивления в выключенном и включенном состоянии по Формуле 2 дает значение 2540 °С:

(2)

где:

t₂ – температура нити лампы накаливания во включенном состоянии, °С;
R₂ – сопротивление нити лампы накаливания во включенном состоянии, Ом;
R₁ – сопротивление нити лампы при комнатной температуре, Ом;
t₁ – начальная (комнатная температура) нити, °С;
α – температурный коэффициент сопротивления вольфрама, 5.1 × 10^-3 К^-1;

Расхождения в оценках температуры находятся в пределах всего 6%, что для косвенных методов, да еще и для оценки «на глаз», можно считать хорошим результатом.

Заключение

В статье были представлены далеко не все возможные применения интегральных спектральных датчиков серии AS726x и систем на их основе.

Среди очевидных преимуществ интегральных датчиков:

• малые габариты и вес;
• относительно низкая стоимость;
• большая, по сравнению с дискретными решениями или решениями на базе дифракционных решеток, устойчивость к механическим нагрузкам (удары/падения, вибрация);
• простой и удобный интерфейс управления.

Была установлена относительная устойчивость датчиков к отрицательным температурам и вибрации (автоперевозки и ночевки в автомобиле в периоды заморозков) и возможность работы с различными уровнями засветки.

Читать больше статей