一种用于压缩光谱检测的自适应编码光源及其自适应编码方法

本发明属于光电领域，具体涉及一种用于压缩光谱检测的自适应编码光源及其自适应编码方法。

背景技术：

1、cod即化学需氧量，它是指在一定条件下，水体中还原性物质被强氧化剂氧化时所消耗的氧化剂的量[1]。水中的还原性物质包括各种有机物、亚硝酸盐等，而化学需氧量能反映水中这些还原性物质的含量，其越大说明水中受到污染越严重。故化学需氧量是对工业和生活废水进行监测中的重要指标，对其进行实时快速在线检测对环境保护有着重大意义。目前我国、美国、英国等国家均采用化学需氧量来反映水体被有机物污染的程度[2]。

2、目前cod的在线检测主要有重铬酸钾回流消解滴定法、重铬酸钾快速消解光度法、高锰酸钾氧化法、电化学氧化法[3]等。其中重铬酸钾快速消解光度法因其氧化率高、再现性好的特点而被应用的最为广泛。其将适量的待测水样、硫酸银、重铬酸钾、浓硫酸放入消解杯中进行加热消解，在这一过程中六价的铬离子被待测水样中的还原性物质不断还原成三价的铬离子，同时用光线扫描消解杯并采集其吸收光谱。由于不同的物质的吸收光谱都有所不同，且一般都遵循朗伯-比尔定律[4]：吸光度与吸光物质的浓度具有较好的线性相关性。所以六价铬离子和三价铬离子的吸光度不同，随着消解过程的不断进行，吸收光谱也在不断变化，提取其中光谱数据特征加以分析换算便可以得到待测水样中cod的浓度。

3、为了获取吸收光谱从而提取数据特征，目前有两类技术方案：①用成像光谱仪直接获取全光谱数据②利用压缩光谱成像原理重构出全光谱数据：

4、(1)成像光谱仪

5、成像光谱仪主要是由聚光镜、光栅、探测器等组成，其工作原理是通过移动光栅将光分成不同波长的波段，然后再由聚光镜聚集到探测器中，然后将这些不同波段的光组成一个全光谱，因此其光栅的移动精度要求非常高。例如：专利cn201621339918.x、cn201910070456.8。

6、但是，成像光谱仪存在以下缺点：

7、①结构复杂：其通过移动光栅位置把全光分为不同波段的光，实现结构非常复杂，出故障率大，体积也非常大，而微型光谱仪也是牺牲了其精度从而缩小了体积。

8、②价格昂贵：因其极复杂的结构和极高要求的精确度导致其研发和制作成本非常高，现市面上微型光谱仪售价平均4-5万一台，大型高精度光谱仪平均10万以上一台，其昂贵的售价非常不利于大规模安装应用。

9、③抗干扰能力弱：因为其原理是改变光栅的位置从而进行分光，其光栅的移动的精确都在微米级，轻微的震动都可能会对其产生非常大的影响，尤其是当用于工厂里的机床上时影响效果最为明显，很大地限制了其应用范围。

10、(2)压缩光谱检测

11、压缩感知理论[5]指出：如果被测信号是稀疏的，那么信号可以从远低于奈奎斯特频率[6]的采样中被高概率地精确重构。压缩光谱成像技术就利用了压缩感知理论的原理进行采样，其与传统采样的本质区别为：传统采样方法是先采样再压缩，这样在压缩后任有较大数量级的数据，且数据解压和重构过程十分困难；而压缩感知采样是先压缩再采样，数据在采样前就被已经压缩，采集效率得到了极大地提升，重构的时候计算量大幅度减小。

12、压缩光谱检测技术的原理是利用全光谱信号的稀疏性，通过光学硬件将高维的物体信息投影到低维的空间进行测量，再经算法重构得到的物体信息远多于在物理测量中探测器所记录的信息[7]。其中光学硬件可以是硅光电池、摄像头等，如果选用硅光电池，那么它将物体信息投影成电动势，通过测量电动势后得到的变化曲线，经过重构算法便可以重构出全光谱图像，其数学模型为：

13、g＝φf＝φψθ＝aθ

14、g：观测值，f：原始信号，φ：观测矩阵，ψ：稀疏基，θ：稀疏系数，a：感知矩阵

15、其中观测值g是硅光电池将全光谱信号转换后的电动势，也就是电压值；原始信号f是全光谱信号，也就是待测水样的吸收光谱；观测矩阵φ是将全光谱信号编码的编码矩阵，可在原始信号f中取其中的几个波段；稀疏基ψ是将全光谱信号经过ksvd[8]算法计算出的，也可以理解为这一物质的特征；稀疏系数θ是稀疏矩阵，在稀疏基ψ得到后，可以通过omp[9]算法计算出，其和稀疏基ψ相乘近似等于原始信号f；感知矩阵a是由观测矩阵φ和稀疏基ψ相乘得到的。

16、在整个压缩光谱检测过程中分为预备阶段和检测阶段：在预备阶段中，首先用全光谱信号也就是原始信号f去训练出稀疏基ψ和稀疏系数θ，然后设定好观测矩阵φ，观测矩阵φ和稀疏基ψ相乘得到感知矩阵a。在检测阶段中，首先用硅光电池采集得到观测值g，然后与感知矩阵a通过omp算法计算出现在的稀疏系数θ，最后用稀疏基ψ相乘现在的稀疏系数θ，便可以重构出原始信号f，至此整个压缩光谱检测过程结束。

17、而在相同条件下，不同的观测矩阵φ也会导致信号重构的效果不同。且观测矩阵φ和稀疏基ψ的相干性越大，压缩感知过程的采样效率也越高[10]，重构效果也越好，所以观测矩阵φ的选取十分关键。因此需要将输入光源进行编码从而达到构成观测矩阵的效果，即射入不同波长的光可以改变观测矩阵φ，故需要一个能够输出不同波长光的光源。

18、例如：专利cn202210275664.3、cn202011120613.0、cn201922169718.4。

19、但是，压缩光谱检测中采用的多波段光源存在以下缺点：

20、①输出波段单一：其能输出的波段太有限，且出厂即固定无法改变。

21、②体积大：体积庞大，不便携带与安装。

22、③无法自动切换波段：需手动操作才能改变输出的波段，无法按设定自动变换输出波段，更无法满足自动编码的要求。

23、④无法同时输出不同波段：波段虽然能够切换，都是只能同时输出一种波长的光，这相当于观测矩阵φ中只有一个值为1，其余全为0，重构效果差。

24、⑤无法根据检测环境、检测物质的不同而自适应对波段进行编码，从而达到更好的重构效果。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于压缩光谱检测的自适应编码光源及其自适应编码方法，输出波段种类多且可以自动切换输出波段，结构紧凑，体积小，方便携带与安装，而且抗干扰能力强，稳定性好。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于压缩光谱检测的自适应编码光源，包括聚光部分(1)和发光部分(2)，发光部分(2)包括若干led灯，且所有led灯发出多个不同波长段的光；所述发光部分(2)根据压缩光谱检测对象自适应地产生观测矩阵，以及根据观测矩阵对所有led灯的开关状态进行编码控制；所述聚光部分对led灯发出的光进行聚光输出。

4、进一步地，所述聚光部分(1)包括准直镜(3)、准直镜安装座(4)、双凸透镜(5)、双凸透镜安装座(6)和聚光筒(7)；

5、聚光筒(7)安装于发光部分(2)的上部；

6、准直镜安装座(4)安装于双凸透镜安装座(6)之上，且准直镜安装座(4)和双凸透镜安装座(6)均插于聚光筒(7)中；

7、双凸透镜安装座(6)的中间设置通孔，双凸透镜(5)安装于双凸透镜安装座(6)的通孔内；

8、准直镜安装座(4)中间设置通孔，准直镜(3)安装于准直镜安装座(4)的通孔内；

9、聚光筒(7)的内壁为反光材料，使发光部分(2)发出的光汇聚于双凸透镜(5)；双凸透镜(5)对汇聚光的发散角进行压缩，使光打入准直镜(3)中；准直镜(3)对打入的光进行耦合聚焦，进一步对光的发射角进行压缩以将光传入连接于准直镜(3)上部的光纤。

10、进一步地，所述发光部分(2)包括主控电路板、5块led板以及由四周挡板和底板构成的外壳，led灯设置于led板上；主控电路板设置于底板上，第1块led板设置于主控电路板的上方，另外4块led板设置于第1块led板的四周正方形边沿上且与第1块led板呈预设角度。

11、进一步地，每块led板均设置9个led灯；第1块led板的中心设置1个led灯，另外8个led灯均匀分布于中心led灯的外侧圆周上；另外4块led板设置3排led灯，靠近第1块led板的一排设置2个led灯，中间一排和顶端一排分别设置3个和4个led灯，每相邻两排的led灯相互错位设置。

12、进一步地，所述主控电路板包括主控板以及设置于主控板上的主控芯片、外部电源接口、稳压模块、内部电源接口、外部通信接口和内部通信接口；

13、外部电源接口用于接入外部电源，稳压模块对接入的外部电源进行降压并对主控板供电，内部电源接口从稳压模块获取电源并对每块led板供电；

14、外部通信接口用于与外部上位机端通信连接，内部通信接口用于与led板通信连接；

15、主控芯片内置自适应编码算法，用于实现根据压缩光谱检测对象自适应地产生观测矩阵，以及根据观测矩阵对所有led灯的开关状态进行编码控制。

16、进一步地，所述主控电路板的主控芯片内置自适应编码算法，用于实现根据压缩光谱检测对象自适应地产生观测矩阵，以及根据观测矩阵对所有led灯的开关状态进行编码控制，具体地：

17、采用内置的ksvd字典学习算法计算压缩光谱检测对象的原始光谱信号的稀疏基ψ；

18、生成一个含n个元素，元素值分别为“0/1”随机的数组，构成初始观测矩阵φ；其中，n为led灯的数量，且数组的n个元素与n个led灯一一对应，元素值0/1对应led灯的开关两种状态；

19、将观测矩阵φ与稀疏基ψ的相干性、重构误差、观测矩阵φ的稀疏性作为三个优化目标，构建多目标优化问题，优化求解观测矩阵φ；

20、其中观测矩阵φ与稀疏基ψ的相干性为二者相乘组成的感知矩阵a中任意两列相乘的最大值，这个最大值越小表明相干性越小，最终的重构效果也会越好；重构误差为重构出来的全光谱信号f与实际原始信号f的误差，误差越小表示检测越精确，重构效果也就越好；观测矩阵φ的稀疏性为对观测矩阵φ求l1范数，其值越小表明稀疏性越好，检测过程中亮的灯也就越少；

21、通过多目标优化算法不断优化观测矩阵φ，对这三个目标同时寻最优解，同时使三个目标达到最优，满足最小的相干性、重构误差和观测矩阵φ的l1范数；

22、根据优化求解得到的观测矩阵φ中的n个元素，控制对应的n个led灯的开关状态。

23、进一步地，利用状态转移算法不断优化求解观测矩阵φ。

24、进一步地，根据需要的采样频率在主控芯片加入延时函数，按延时函数间歇式地控制点亮led灯。

25、进一步地，所有led灯均采用电功率为3w的大功率灯珠。

26、一种用于压缩光谱检测的光源自适应编码方法，应用于上述自适应编码光源，用于实现根据压缩光谱检测对象自适应地产生观测矩阵，以及根据观测矩阵对自适应编码光源中所有led灯的开关状态进行编码控制，具体地：

27、采用ksvd字典学习算法计算压缩光谱检测对象的原始全光谱信号的稀疏基ψ；

28、生成一个含n个元素，元素值分别为“0/1”随机的数组，构成初始观测矩阵φ；其中，n为led灯的数量，且数组的n个元素与n个led灯一一对应，元素值0/1对应led灯的开关两种状态；

29、将观测矩阵φ与稀疏基ψ的相干性、重构误差、观测矩阵φ的稀疏性作为三个优化目标，构建多目标优化问题，优化求解观测矩阵φ；

30、根据优化求解得到的观测矩阵φ中的n个元素，控制对应的n个led灯的开关状态。

31、与现在技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、①45个led紧凑安装在led安装座中，且led安装座呈花朵式结构，尽可能的减小了整体光源的体积，极大的方便了携带与安装。

33、②抗干扰能力强，稳定性好，光源的输出波段只与被点亮的led有关，无精密的机械结构，可以抵抗震动等干扰，在各种环境中均可使用。

34、③根据检测对象的不同自适应产生观测矩阵φ，降低观测矩阵φ和稀疏基ψ的相干性，从而提升了全光谱的重构效果与精度。

35、④主控板的内置算法中以观测矩阵φ的稀疏性为优化目标之一，可以使点亮led灯的数量尽可能的少同时保证检测效果，提高了光源整体的稳定性和可靠性，也很大的延长了光源的使用寿命。

36、⑤由于本光源只采用了stm32单片机和led灯等一些基础电子元器件，其搭配硅光电池和相应的重构算法便可以代替昂贵的光谱仪采集全光谱信号，成本低廉，可以规模生产投放使用。

37、⑥可以根据需要的采样频率设置相应的发光频率，节约电能的同时也延长了led灯的使用寿命。