CN117330191A - 一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法，属于红外光谱遥感探测技术领域，将软件层的搜索循环下放致板卡芯片中实现，如此大幅度降低软硬件中的通信频次并减少传输开销对硬件时序的约束。本发明包括以板卡芯片的硬件逻辑函数和上位机应用软件分类型调用的上下层设计；通过底层硬件实现对特定频率点附近的可调步长和搜索范围；上位机应用软件可根据***不同的工作状态灵活设置参数及调用次数。本发明能够显著缩短辐射谱测量***预备调整状态的时间，且应对不同的***状态实现合理的调制方式，平衡探测***的响应速度，有助于产品的智能化升级改进。

Description

一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法

技术领域

本发明属于红外光谱遥感探测技术领域，具体涉及一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法。

背景技术

在红外辐射谱测量***中，对点目标辐射信号的提取与处理是其核心技术，主要难点在于：抑制环境噪声和对目标的精确定位。故而对点目标的有效测量，必须考虑大气状态对***探测能力的影响，另外包括各类背景辐射噪声、***电磁环境和工作发热也可能对目标的红外辐射信号产生严重干扰。对于这些现实问题，当前主要的解决方案为采用振动反射镜对输入光信号进行调制。

光谱探测器设计为材质、尺寸完全相同的A、B两列，依据色散效应设置多个不同的采集通道，包含目标信息的光信号将随着振动反射镜的振动而在A、B两列的探测单元上来回切换，如图1所示。对A、B列探测单元转换的电信号以差分放大的形式输出，则能扣除掉大气背景辐射的背景信号，实现对目标辐射信号的高灵敏度探测。由此可见，由振动反射镜对光信号的精确切换是整个辐射测量***的关键与核心，因此需要振动反射镜的振动频率与参考信号保持同步以实现谐振状态的能量极大。然而，一方面，由于设备所处环境涉及的季节和天气变化导致设备工作状态的差异；另一方面，由于反射镜本身的高频振动，将导致其本身及周围辅助器件的热环境偏移。因此，保证红外辐射谱测量***实现高精度测量性能的关键问题转化为：如何实现振动反射镜的谐振频率快速搜索与调制。

对于基础的搜索逻辑，需要振动器件本身对一定范围内的多个频点进行遍历并查看响应参数，传统方法中仅以上位机的软件算法进行来回的命令控制对底层器件的IO资源占用较大且耗时较长，甚至因环境影响容易造成时序错位，因此采用在底层芯片内的FPGA实现遍历搜索更为合理；但完全的硬件实现方式也存在灵活性不足的缺陷，相对单一的运行逻辑不足以应对***实际工作中所面临的各种不同工况条件。

传统的谐振频率遍历搜索方法一般是在上位机应用软件中实现，底层硬件包括底层硬件控制板，只提供基础的设置、查询等API接口。单次搜索需要对每一个频率点都进行反复的操作控制，经过设置频率、查询振幅、返回振幅等反复操作，对比振幅，……/>，找出最大值的振幅/>对应的频率/>，而且底层硬件中调用GPIO所占用资源的开销远大于FPGA中的单次逻辑计算；即便在最理想的情况下，对n个频率采样点的遍历都需要进行共计4n次的IO传输，如图2所示；况且由于底层硬件在调用IO资源时的延迟效应容易导致丢帧或时序错位的情况，则更需要对单条命令进行多次重发和成败判断，资源占用和延时则会进一步提升。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明在红外光谱辐射信息采集***中，基于振动反射镜工作频率（谐振状态）的实时调整需求，提供一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法。该方法一方面是将原本在上位机软件中实现的遍历搜索功能移植到底层FPGA中，使得单次遍历搜索功能对IO传输的开销由4n次降为2次；同时区别于传统底层功能函数的固化运行方式，为上位机应用软件提供了参考频点f、搜索步长s、搜索点数n三个可调参数，以实现对搜索流程的灵活控制。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法，包括如下步骤：

步骤一，将上位机应用软件实现的遍历搜索逻辑下放至板卡芯片中，通过硬件逻辑函数的遍历搜索来实现振动反射镜的谐振频率调制；

步骤二，在硬件逻辑函数留出参数输入接口，所述输入参数分别为参考频点f、搜索步长s、搜索点数n，即在的搜索范围内每隔搜索步长s查询一次振动反射镜的反馈响应电压，最终输出反馈响应电压最大位置的频率值；

步骤三，上位机应用软件根据红外辐射谱测量***不同的工作状态灵活设置不同的搜索步长s和搜索范围，并调用下层的硬件逻辑函数找出振动反射镜的谐振频率。

进一步地，还包括步骤四，步骤四中，当搜索点数n大于阈值时，通过上位机应用软件设置不同量级的搜索步长s并调用硬件逻辑函数进行分级搜索，以优化搜索效率。

进一步地，所述步骤二中，由底层芯片内的FPGA实现硬件逻辑函数的遍历搜索，硬件逻辑函数通过调节输入参数，以参考频点f为中心、每隔搜索步长s进行-n到+n的共计(2n+1)次搜索。

进一步地，所述步骤三中，在自动模式下，待机状态时每隔2分钟调用一次硬件逻辑函数；在测量任务中不进行搜索且记录任务运行时间，任务后的待机状态中根据前一次的任务的运行时间换算增加的搜索点数n；在手动模式下，在界面设置每次的搜索间隔、搜索步长s和搜索点数n，或者关闭搜索功能。

进一步地，所述步骤四中，根据初始工作频率，设置频率搜索范围为，以频率间隔1Hz对振动反射镜进行第一级搜索；然后根据第一级搜索的极值频率/>，设置频率搜索范围为 />，以频率间隔0.1Hz对振动反射镜进行第二级搜索，最终以第二级搜索的极值频率/>为谐振频率。

有益效果：

随着光电科技的进步与发展，且考虑到观测站点大多处于自然条件恶劣的地理位置，如今对遥感探测设备的要求，越来越趋于远程化、智能化和自动化。因此，对于探测***的最优工作状态调试也要求由传统的旋钮式人工判定改变为无人操控的自动运行流程。本发明可以通过软件程序实现对当前工作环境下振动反射镜谐振频率的快速搜索，以及在环境参数有所改变时对其最优工作状态的跟随调整，使得原本需要操作人员持续判断和操控的测量工作得以实现自动化处理。同时本发明可大幅缩短辐射谱测量***预备调整状态的时间，并且提高***的稳定性。本发明能够支持对振动反射镜最优工作状态的选择和调整，分上下层综合设计的搜索方式也能够在保障搜索准确度的前提下大幅度缩减搜索谐振频率点的时间和空间开销。

附图说明

图1为振动反射镜工作示意图；

图2为传统的遍历搜索过程的IO传输示意图；

图3为本发明的一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法的流程示意图；

图4为本发明的一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法的实现步骤示意图；

图5为振动反射镜对不同工作频率的幅值响应示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合用例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施用例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明通过探测器反馈的信号振幅的最大值判定选取振动反射镜的谐振频率，考虑到设备本身高频振动造成的发热现象和环境状态（温度、湿度、气压等）可能的改变造成设备谐振点的偏离，需要对振动反射镜的谐振频率进行实时调制和校准。基于调制器可响应的颗粒度和搜索范围采用上下层综合设计的方式，将相对复杂的遍历搜索过程下放至底层芯片内的FPGA中实现并提供参考频点f、搜索步长s、搜索点数n三个输入参数，有利于在保障搜索范围和精度的同时快速定位到谐振点，并且可以根据设备运行的不同状态采取较灵活的搜索策略。

如图3所示，本发明一方面是将原本在上位机应用软件中实现的遍历搜索功能移植到底层FPGA中，使得单次遍历搜索功能对IO传输的开销由4n次降为2次；同时区别于传统底层功能函数的固化运行方式，为上位机应用软件提供了参考频点f、搜索步长s、搜索点数n三个可调参数，以实现对搜索流程的灵活控制。其中，通过上位机应用软件将参考频点f、搜索步长s、搜索点数n输入FPGA接口函数H（f，s，n），获得最优频点F和对应振幅A，输入上位机应用软件。

如图4所示，本发明的一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法包括如下具体步骤：

步骤一，将传统的以上位机应用软件实现的遍历搜索逻辑下放至板卡芯片中（即下放搜索逻辑），通过硬件逻辑函数的遍历搜索来实现振动反射镜的谐振频率调制。上位机软件仅需要进行一次调用，硬件逻辑函数则在振镜控制板内部对设定范围内的频点进行遍历搜索，直到找出响应最大的频率采样点进行反馈。此上下层综合设计的方式一方面使得上下层级之间避免了反复多次的IO调用，大幅度降低了通信处理的难度和延迟等待时间；另一方面，由于仅有的调用和反馈逻辑分列遍历搜索逻辑的头尾两侧，使得IO端口的资源占用和延迟效应不会对遍历搜索逻辑造成影响，从而避免了时序错位的风险，提高了***的安全性。

步骤二，在硬件逻辑函数留出参数输入接口（即向上提供可调参数），三个输入参数分别为参考频点f、搜索步长s、搜索点数n，即在的搜索范围内每隔搜索步长s查询一次振动反射镜的反馈响应电压，最终输出反馈响应电压最大位置的频率值。此设计可以提升硬件逻辑函数进行遍历搜索的灵活性，使其对不同的频点位置、不同的搜索精度、以及不同的搜索范围均能够应对。

步骤三，上位机应用软件根据红外辐射谱测量***不同的工作状态灵活设置不同的搜索步长s和搜索范围，并调用下层的硬件逻辑函数找出振动反射镜的谐振频率点（即应用层依据工作状态选择不同参数并调用搜索函数）。比如，***的待机状态、工作状态、运行后状态以及手动运行状态所面临的调制要求和处理时间不一致，则可以通过不同的搜索步长s和搜索点数n来调整遍历搜索精度和中断时延。

步骤四，因下层的硬件逻辑函数中单次搜索的搜索点数n不宜太大，在某些特殊情况下（如***初始化）需要进行较大数据量（如n>100）搜索时，可通过上位机应用软件设置不同量级的搜索步长s复合调用硬件逻辑函数的方式进行分级搜索（即特殊情况下，采取复合调用的方式实现分级搜索）。复合调用的分级搜索方式相对于直接采用精细步长进行大范围搜索，所需的计算处理点数能够大幅下降；因此可以减小硬件资源的开销和处理延迟，以实现搜索效率的优化。

具体地，所述步骤二中，由硬件板卡的FPGA实现的硬件逻辑函数具有可调参数的特征，三个输入参数分别为参考频点f、搜索步长s、搜索点数n；即对以参考频点f为中心，每隔搜索步长s进行-n到+n的共计(2n+1)次搜索。可调的搜索点数n决定了底层硬件单次调用的时间开销，搜索步长s决定了频率测量的精度。考虑到振动反射镜的机械运动会造成发热现象，而工作温度的变化又会引起谐振频率的偏移，且对谐振频率的遍历搜索本身是对振动反射镜的机械运动状态的高频次操作，因此底层的搜索点数n不宜太大，否则将导致较高的延时和***稳定性的偏差。

具体地，所述步骤三中，在红外辐射谱测量***的自动模式下，待机状态时每隔2分钟（以当前振镜反馈的频率为基准、0.1Hz为步长、搜索点数为5，如图3所示）调用一次硬件逻辑函数；而在测量任务中不进行搜索（振动反射镜状态不稳会影响测量数据）且记录任务运行时间，任务后的待机状态中根据前一次的任务运行时间合理换算增加的搜索点数n（如运行时间每超过3分钟，后续搜索点数+1且最大不超过10，再往后的搜索点数n逐次递减）。而在***的手动模式下，可界面设置每次的搜索间隔、搜索步长s和搜索点数n，甚至关闭搜索功能。

具体地，在所述步骤四中，根据初始工作频率，设置频率搜索范围为，以频率间隔1Hz对振动反射镜进行第一级搜索；然后根据第一级搜索的极值频率/>，设置频率搜索范围为/>，以频率间隔0.1Hz对振动反射镜进行第二级搜索，最终以第二级搜索的极值频率/>为谐振频率。单纯从算法理论上来说，递归式的二分法搜索（/>层级调用、N为总计算次数）能够获取最高的查找效率，但考虑到上位机应用软件与底层硬件传递信息的IO资源开销和延时，以及硬件芯片缓存的反复读写可能造成的反馈信号时序错位，实际工程中不建议采用/>层级调用，项目中一般以总数据量的大小选择2~3级分层为宜。

值得注意的是，在实际工程应用中，上位机应用软件通常需要多次发送读取状态参数（包括振幅、频率、相位等）的命令，将所得振幅数据剔除较大误差后求取平均值，以防止信号不稳或器件卡顿造成的***误差。为减小上下层之间IO资源的开销和延时，可在底层逻辑中实现多次读取求平均的功能，实现通信传输开销的最小化。另外，关于频率搜索范围是考虑到器件工作状态和工作环境不发生较大改变的前提下设置的，只有在谐振频率附近的振幅响应才有较明显的单调增/减现象，偏离较远的位置受噪声干扰较大，如图5所示，其中，A表示响应的振幅，Am则为与对应的特定振幅值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将上位机应用软件实现的遍历搜索逻辑下放至板卡芯片中，通过硬件逻辑函数的遍历搜索来实现振动反射镜的谐振频率调制；

步骤二，在硬件逻辑函数留出参数输入接口，输入参数分别为参考频点f、搜索步长s、搜索点数n，即在的搜索范围内每隔搜索步长s查询一次振动反射镜的反馈响应电压，最终输出反馈响应电压最大位置的频率值；

步骤三，上位机应用软件根据红外辐射谱测量***不同的工作状态灵活设置不同的搜索步长s和搜索范围，并调用下层的硬件逻辑函数找出振动反射镜的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法，其特征在于，还包括步骤四，步骤四中，当搜索点数n大于阈值时，通过上位机应用软件设置不同量级的搜索步长s并调用硬件逻辑函数进行分级搜索，以优化搜索效率。

3.根据权利要求1所述的一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法，其特征在于：所述步骤二中，由底层芯片内的FPGA实现硬件逻辑函数的遍历搜索，硬件逻辑函数通过调节输入参数，以参考频点f为中心、每隔搜索步长s进行-n到+n的共计(2n+1)次搜索。

4.根据权利要求1所述的一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法，其特征在于：所述步骤三中，在自动模式下，待机状态时每隔2分钟调用一次硬件逻辑函数；在测量任务中不进行搜索且记录任务运行时间，任务后的待机状态中根据前一次的任务的运行时间换算增加的搜索点数n；在手动模式下，在界面设置每次的搜索间隔、搜索步长s和搜索点数n，或者关闭搜索功能。

5.根据权利要求2所述的一种可调参数的谐振频率内置循环搜索方法，其特征在于：所述步骤四中，根据初始工作频率，设置频率搜索范围为/> ，以频率间隔1Hz对振动反射镜进行第一级搜索；然后根据第一级搜索的极值频率/>，设置频率搜索范围为/>，以频率间隔0.1Hz对振动反射镜进行第二级搜索，最终以第二级搜索的极值频率/>为谐振频率。