УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА СРЕДЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЯИЦ
DEVICE FOR ENVIRONMENTAL ANALYSIS AND CORRELATED DEVICE AND METHOD FOR EGG IDENTIFICATION

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к устройствам для идентификации свойств анализируемой среды. Более конкретно, настоящее изобретение относится к излучательной-детекторной системе и соответствующему способу, используемому для идентификации свойств среды, которые в некоторых случаях могут использоваться для определения жизнеспособности или присутствия эмбриона в птичьем яйце.
Предпосылки создания изобретения
При промышленном выращивании домашней птицы известной и долго используемой практикой является сортировка яиц домашней птицы на основе некоторого наблюдаемого качества. Общим названием для одного такого технического решения является «просвечивание» - термин, корни которого уходят в исходную практику осмотра яйца с использованием света от свечи. Как известно тому, кто имеет дело с яйцами, хотя скорлупа яйца кажется непрозрачной при большинстве условий освещения, в действительности она полупрозрачна, и, когда яйцо помещено перед направленным светом, можно видеть содержимое яйца.
Яйца, предназначенный для выведения птенцов домашней птицы, как правило, просвечивают в период эмбрионального развития, чтобы отделить бесплодные, тухлые и мертвые яйца (все вместе называемые здесь «неживыми яйцами»). Неживые яйца (также называемые нежизнеспособными яйцами) удаляют, чтобы увеличить доступное пространство инкубатора. Во многих случаях желательно произвести инъекцию некоторого вещества непосредственно в живое яйцо (также называемое жизнеспособным яйцом) до начала выведения. Инъекцию различных веществ в птичьи яйца используют в коммерческом производстве домашней птицы для уменьшения смертности после вылупления или для повышения скорости роста выведенной птицы.
При коммерческом производстве домашней птицы в инкубаторе выводится лишь часть коммерческих бройлерных яиц. Яйца, которые не выводятся, включают яйца, которые не были оплодотворены, а также оплодотворенные яйца, которые погибли. Ввиду наличия неживых яиц, с которым приходится сталкиваться при коммерческом производстве домашней птицы, использования автоматизированных способов для инъекции в яйцо и стоимости веществ для обработки, желательно иметь автоматизированный способ идентификации живых яиц (или идентификации неживых яиц) и либо удаления неживых яиц, либо проведения выборочной инъекции только в живые яйца.
Яйцо может быть «живым»: это означает, что в нем имеется жизнеспособный эмбрион. На фиг. 1 показан пример живого яйца домашней птицы 1 приблизительно в первый день инкубации. На фиг. 2 показано живое яйцо 1 приблизительно на одиннадцатый день инкубации. У яйца 1 имеется узкий конец 10 и противоположный широкий или тупой конец 20. На фиг. 1 в желтке 3 показан эмбрион 2. Яйцо 1 содержит воздушную камеру 4 рядом с широким концом 20. Как показано на фиг. 2, развились крылья 5, ноги 6 и клюв 7 молодого цыпленка.
Яйцо может быть «бесплодным» или «неоплодотворенным»: это означает, что в нем нет эмбриона. Более конкретно, «бесплодное» яйцо - это неоплодотворенное яйцо, которое не протухло. Яйцо может быть «мертвым на ранней стадии», это означаем, что в нем имеется эмбрион, который умер, прожив приблизительно от одного до пяти дней. Яйцо может быть «мертвым на средней стадии», это означает, что в нем имеется эмбрион, который умер, прожив приблизительно от пяти до пятнадцати дней. Яйцо может быть «мертвым на поздней стадии», это означает, что в нем имеется эмбрион, который умер, прожив приблизительно от пятнадцати до восемнадцати дней.
Яйцо может быть «тухлым», это означает, что яйцо содержит протухший неоплодотворенный желток (например, в результате трещины в скорлупе яйца) или, альтернативно, протухший мертвый эмбрион. Хотя термины «мертвый на ранней стадии», «мертвый на средней стадии» и «мертвый на поздней стадии» могут относиться и к тухлому яйцу, термины, используемые в настоящем описании, относятся к таким яйцам, которые не протухли. Бесплодное, мертвое на ранней стадии, мертвое на средней стадии и мертвое на поздней стадии яйца могут также быть отнесены к категории «неживых» яиц, потому что не содержат живого эмбриона.
В некоторых известных устройствах для просвечивания используется системы идентификации непрозрачности, в которых множество источников света и соответствующих фотоприемников установлено в виде массива, при этом яйца перемещаются в плоскости между источниками света и фотоприемниками. Однако эти системы ограничены по своей способности отличать живые и неживые яйца, в частности тухлые яйца. Тухлое же яйцо может содержать вредные болезнетворные микроорганизмы, способные поразить ближайшие к нему жизнеспособные яйца.
Соответственно, желательно иметь систему идентификации яиц, способную точно различать живые и неживые яйца, в частности для идентификации тухлых яиц. Кроме того, желательно иметь соответствующий способ, который облегчает такую идентификацию живых и неживых яиц при высокой пропускной способности и точности.
Сущность изобретения
Вышеуказанные и другие задачи решены в аспектах настоящего изобретения, которое, согласно первому аспекту, представляет собой устройство для исследования анализируемой среды. Устройство содержит излучательный узел для излучения света в некоторую среду. Излучательный узел содержит первый источник излучения для излучения первого светового сигнала и второй источник излучения для излучения второго светового сигнала. Первый и второй световые сигналы передаются через среду с квадратурным фазовым сдвигом. Детекторный узел сконфигурирован для обнаружения первого и второго световых сигналов, переданных через указанную среду. Кроме того, детекторный узел сконфигурирован для определения относительной или абсолютной амплитуды каждого из первого и второго световых сигналов. Процессор сконфигурирован для обработки обнаруженного сигнала и идентификации свойства среды с использованием по меньшей мере одной из относительных или абсолютных амплитуд первого и второго световых сигналов.
Другой аспект изобретения относится к способу анализа среды. Способ включает передачу через анализируемую среду первого светового сигнала и второго светового сигнала с квадратурным фазовым сдвигом. Кроме того, способ включает обнаружение первого и второго световых сигналов, переданных через среду, и определение относительной или абсолютной амплитуды каждого из первого и второго световых сигналов. Кроме того, способ включает определение свойства среды с использованием по меньшей мере одной из относительной или абсолютной амплитуд первого и второго световых сигналов.
Еще один аспект изобретения относится к устройству для бесконтактной идентификации текущего состояния яйца. Устройство содержит излучательный узел для излучения света в направлении яйца. Излучательный узел содержит первый источник излучения для излучения первого светового сигнала и второй источник излучения для излучения второго светового сигнала. Первый и второй световые сигналы передают через яйцо с квадратурным фазовым сдвигом. Детекторный узел сконфигурирован для обнаружения первого и второго световых сигналов, прошедших через яйцо. Кроме того, детекторный узел сконфигурирован для определения относительной или абсолютной амплитуды каждого из первого и второго световых сигналов. Процессор сконфигурирован для обработки обнаруженных первого и второго световых сигналов для идентификации текущего состояния яйца с использованием по меньшей мере одной из относительной или абсолютной амплитуд первого и второго световых сигналов.
В еще одном аспекте предложен способ анализа текущего состояния яйца. Способ включает передачу через анализируемое яйцо первого светового сигнала и второго светового сигнала с квадратурным фазовым сдвигом. Кроме того, способ включает обнаружение первого и второго сигналов, прошедших через яйцо, и определение относительной или абсолютной амплитуды каждого из первого и второго световых сигналов. Кроме того, способ включает определение текущего состояния яйца с использованием по меньшей мере одной из относительной или абсолютной амплитуд первого и второго световых сигналов.
Различные аспекты настоящего изобретения обеспечивают преимущества, которые подробно описаны ниже.
Краткое описание чертежей
Таким образом, после краткого описания различных вариантов выполнения настоящего изобретения, ниже будут описаны сопровождающие чертежи, которые не обязательно вычерчены в масштабе и на которых:
на фиг. 1 показано живое куриное яйцо приблизительно в первый день инкубации;
на фиг. 2 показано живое куриное яйцо приблизительно на одиннадцатый день инкубации;
на фиг. 3 схематично показан вид в перспективе устройства для идентификации яиц согласно одному из аспектов настоящего изобретения;
на фиг. 4 схематично показан вид в перспективе кассеты для яиц, способной удерживать яйца в фиксированном положении;
на фиг. 5 иллюстрируется система идентификации яиц согласно одному из аспектов настоящего изобретения;
на фиг. 6 и 7 показаны диаграммы, поясняющие часть методологии идентификации яиц согласно одному из аспектов настоящего изобретения;
на фиг. 8 показан график усиления детектора в зависимости от частоты вариаций мощности обнаруженного света согласно методологии, используемой для идентификации среды согласно одному из аспектов настоящего изобретения;
на фиг. 9 показан график усиления детектора в зависимости от частоты вариаций мощности обнаруженного света в течение более длительных времен выборки по сравнению с показанными на фиг. 8, согласно одному из аспектов настоящего изобретения;
на фиг. 10 показано аналоговое исполнение согласно настоящему изобретению;
на фиг. 11 показан цифровой вариант выполнения преобразователя с понижением частоты согласно настоящему изобретению;
на фиг. 12 поясняются аспекты методологии настоящего изобретения в отношении подавления соседнего канала и распределения частот;
на фиг. 13 иллюстрируется влияние квадратурной ошибки как часть методологии настоящего изобретения;
на фиг. 14 показан график оптической плотности различных типов яиц в зависимости от длины волны прошедшего света;
на фиг. 15 и 16 показаны диаграммы мощности сигнала в зависимости от угла фазового сдвига для идентификации живых яиц и неживых яиц без интерференции света;
на фиг. 17 и 18 показаны измеренные зависимости между шириной полосы фильтра и уровнем шума для системы, показанной на фиг. 5; и
на фиг. 19-22 показаны диаграммы мощности сигнала в зависимости от угла фазового сдвига для идентификации живых яиц и неживых яиц, и иллюстрируются эффекты самоинтерференции света.
Подробное описание изобретения
Ниже различные аспекты настоящего изобретения описаны более полно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых показаны некоторые, но не все аспекты изобретения. Действительно, это изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное сформулированными здесь аспектами; напротив, эти аспекты даны лишь для того, чтобы описание изобретения удовлетворяло определенным юридическим требованиям. Одинаковые позиции везде относятся к одинаковым элементам.
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для определения или идентификации одного или более признака анализируемой среды. Настоящее изобретение может быть использовано в импульсной гемоксиметрии, анализе газов или других анализируемых объектов или сред. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройствам и способам для улучшенного определения жизнеспособности эмбриона внутри яйца. В некоторых случаях настоящее изобретение может быть реализовано для определения жизнеспособности множества яиц с высокой пропускной способностью. В некоторых случаях яйца могут проходить через систему неконтактной или бесконтактной идентификации, в то время как в других случаях с яйцами может войти в контакт механическое световое уплотнение, чтобы уменьшить паразитные сигналы (например, рассеянный свет). В контексте настоящего описания термины, «неконтактный» и «бесконтактный» относятся к обеспечению пространственного разделения между яйцом и некоторыми компонентами системы идентификации яиц, раскрытыми здесь, во время работы пары излучатель-детектор при определении жизнеспособности яйца.
Кроме того, настоящее изобретение относится к устройствам и способам, в которых для определения жизнеспособности яйца используются режимы пропускания (так называемый «сквозной луч»). При работе в режиме пропускания излучатель и детектор устройства для идентификации яиц могут быть помещены вдоль общей продольной оси так, чтобы устройство можно было сконфигурировать в рабочее состояние. Таким образом, излучательный узел и детекторный узел могут быть помещены с противоположных сторон яиц, так что яйца могут легко проходить между ними для оценки и идентификации.
Способы и устройства согласно аспектам настоящего изобретения могут быть использованы для точной идентификации живых и неживых яиц на любом сроке эмбрионального развития (также называемого инкубационным периодом). Аспекты настоящего изобретения не ограничены идентификацией только в особый день (например, одиннадцатый) или период во время эмбрионального развития. Кроме того, способы и устройства согласно аспектам настоящего изобретения могут использоваться для любых типов птичьих яиц, включая, но этим не ограничиваясь, куриные, индюшачьи, утиные, гусиные, перепелиные, фазаньи яйца, яйца экзотических птиц и т.д.
На фиг. 3 показано устройство 100 идентификации яиц, способное реализовать различные аспекты настоящего изобретения. Устройство 100 идентификации яиц может содержать раму 120 и конвейерную систему 140, сконфигурированную для перемещения множества яиц, содержащихся в кассете 50 для яиц (фиг. 4), к системе 160 идентификации яиц. В некоторых случаях устройство 100 идентификации яиц может содержать дисплей 180 для связи с оператором, способный показывать информацию, относящуюся к устройству 100 идентификации яиц, и/или яйца, проходящие через систему 160 идентификации яиц для их анализа. Устройство 100 идентификации яиц может содержать один или большее количество контроллеров для управления различными аспектами работы устройства, включая возможность включать и выключать определенные компоненты системы 160 идентификации яиц. Устройство 100 идентификации яиц может быть мобильным и, в некоторых случаях, может быть сконфигурировано в виде модулей, чтобы его можно было связать с другими ассоциированными устройствами, такими как, например, устройство для инъекции в яйцо, устройство для сортировки яиц, устройство для перемещения яиц, устройство для удаления яиц или устройство идентификации пола. В некоторых случаях система 160 идентификации яиц может быть непосредственно связана с устройством для инъекции в яйцо, устройством для сортировки яиц, устройством для перемещения яиц, устройством для удаления яиц или устройством для идентификации пола.
Как показано на фиг. 4, кассета 50 для яиц может содержать корпус 52, имеющий множество концов 54. Корпус 52 может задавать множество открытых гнезд 56, при этом каждое гнездо 56 способно принять конец соответствующего яйца. В некоторых случаях узкий конец 10 (фиг. 1 и 2) яйца может быть принят в пределах гнезда 56 так, что тупой конец 20 оказывается выше кассеты 50 для яиц. В гнездах 56 может иметься множество выступающих элементов 58, удерживающих яйцо в вертикальном положении. Хотя яйца можно переносить в кассетах 50 для яиц, можно использовать любые средства для постепенной подачи множества яиц в систему 160 идентификации яиц для идентификации текущего состояния яиц.
На фиг. 5 схематично показана система 160 идентификации яиц для неинвазивной идентификации текущего состояния яйца согласно аспектам настоящего изобретения. Системы и способы, описанные здесь, могут также называться неразрушающими, поскольку во время изучения яйца структура оболочки яйца остается неповрежденной. Для использования при классификации яиц может иметься пара 500 излучатель-детектор. Показанная пара 500 излучатель-детектор может содержать излучательный узел 200 и детекторный узел 300. При работе множество пар 500 излучатель-детектор может быть размещено в виде массива и использовано для классификации соответствующего массива яиц, поддерживаемых кассетой 50 для яиц (фиг. 4). Излучательный узел 200 может содержать корпус излучателя. Аспекты настоящего изобретения не ограничены показанной конфигурацией корпуса излучателя. Корпус излучателя может иметь различную форму, размеры и конфигурации без каких-либо ограничений. Массив излучательных узлов 200 может удерживаться рамой или другим несущим элементом системы 160 идентификации яиц. Поскольку система 160 идентификации яиц может работать неинвазивно, когда с яйцами физически не входят в контакт, излучательные узлы 200 могут быть размещены в стационарном положении.
Яйцо 1 может быть освещено светом из первого и второго источников 210, 220 излучения в излучательном узле 200, расположенном вблизи тупого конца 20 яйца 1. В некоторых случаях световые лучи из двух источников 210, 220 излучения могут быть скомбинированы и сколлимированы в единственный луч, представленный комбинированным сигналом. В некоторых случаях свет, излучаемый из источников 210, 220 излучения, можно коллимировать и/или фокусировать. В соответствии с различными вариантами выполнения настоящего изобретения, объекты можно освещать светом длин волн в диапазоне приблизительно между 400 и 2600 нанометров. Для приложения, связанного с птичьими яйцами, каждый соответствующий источник 210, 220 излучения может, в частности, освещать яйца светом с длинами волн в пределах видимого спектра, инфракрасного спектра, ближнего инфракрасного спектра или ультрафиолетового спектра. Первый и второй источники 210, 220 излучения излучают свет с различными длинами волн. Первый и второй источники 210, 220 излучения могут излучать свет в диапазоне приблизительно между 750-950 нм, а предпочтительно приблизительно между 800-910 нм. В некоторых случаях первый источник 210 излучения может излучать свет в диапазоне приблизительно 800-810 нм, а более предпочтительно - в диапазоне приблизительно 805-809 нм. Этот диапазон обеспечивает хорошую селекцию птичьих яиц, обеспечивая хорошую прозрачность для первой длины волны излучателя. Второй источник излучения может излучать свет в диапазоне приблизительно 900 910 нм, а более предпочтительно - в диапазоне приблизительно 905-910 нм. Этот диапазон также обеспечивает хорошую селекцию птичьих яиц, обеспечивая хорошую прозрачность для второй длины волны излучателя. Для других типов яиц и материалов могут потребоваться другие длины волн.
Излучательный узел 200 может быть сконфигурирован для максимизации испускания электромагнитного излучения вдоль продольной оси яйца 1, так чтобы испускаемый свет был направлен к яйцу 1 когерентно. Таким образом, излучательный узел 200 может быть сконфигурирован так, чтобы спроецировать свет из источника 210 излучения на заданную область яйца 1. Согласно некоторым аспектам, источники 210, 220 излучения могут быть сформированы, например, из светодиода (LED) или лазерного диода (LD), линзы, экранов и комбинирующих средств, сконфигурированных для излучения света в различных областях электромагнитного спектра. Однако аспекты настоящего изобретения не ограничены использованием светодиодов или лазерных диодов. Различные типы источников излучения можно использовать без ограничений. В частности, можно использовать любой источник, испускающий узкий спектр света.
2
Детекторный узел 300 может быть помещен рядом с узким концом 10 яйца 1 напротив излучательного узла 200 и может принимать свет, прошедший через яйцо. Детекторный узел 300 может дополнительно содержать детекторное устройство, такое как фотодиод, линзы, экраны, усилители и фильтры. Детекторный узел 300 может быть сконфигурирован для измерения целевой части потока излучения, переданного через среду или материал, в зависимости от длины волны. Относительно использования слова «интенсивность» для измерения света в данном описании, оно должно интерпретироваться как «поток излучения», когда речь идет об измерении мощности (Ватты), или «освещенность», если речь идет о мощности на единицу площади (Вт/м). Детекторный узел 300 может быть сконфигурирован (например, посредством микропроцессора) для преобразования величины интенсивности света для яйца 1 в пригодную для анализа информацию, позволяющую определить текущее состояние (то есть, жизнеспособность или нежизнеспособность) яйца. Аналогично, величины интенсивности света могут быть обработаны для использования при определении, является ли рассматриваемое яйцо мертвым на ранней стадии, мертвым на средней стадии, мертвым на поздней стадии, чистым, битым, тухлым и/или отсутствующим. Хотя показано и описано, что освещен тупой конец 20 яйца 1, положение излучательного узла 200 и детекторного узла 300 могут быть изменены так, что электромагнитное излучение направлено вверх в узкий конец 10 яйца 1, а прошедший свет детектируется на тупом конце 20.
Система 160 идентификации яиц может содержать один или большее количество контроллеров или подходящих аппаратных средств. Например, контроллер (контроллеры) 75, 80 могут быть драйверами, которые управляют источниками 210, 220 излучения. Предпочтительно может иметься интерфейс 180 оператора (например, дисплей), позволяющий оператору взаимодействовать с контроллером. Контроллер может быть сконфигурирован для генерирования управляющих сигналов, чтобы привести в действие или выключить один или большее количество источников 210, 220 излучения. Может иметься функциональный генератор, такой как, например, генератор 70 сигналов произвольной формы, для генерирования электрических сигналов в виде волн и управления их амплитудой, частотой и фазой. Генераторы сигналов произвольной формы способны генерировать периодический сигнал, форма которого задана пользователем. Контроллер может также содержать другие устройства, позволяющие управлять одним или большим количеством источников 210, 220 излучения в детекторном узле 300, обрабатывать или иначе оценивать сигналы из детекторного узла 300. Контроллер может содержать процессор или другую подходящую программируемую или непрограммируемую электрическую схему, содержащую соответствующее программное обеспечение.
Процессор 600 может быть функционально связан с детекторным узлом 300 и в некоторых случаях может принимать и обрабатывать сигналы из детекторного узла 300. Процессор 600 может также сравнивать набор данных, генерируемый для яйца, с данными, ассоциированными с известными состояниями яйца, и, используя эти данные для сравнения, классифицировать яйцо по типам (то есть, живое, чистое, мертвое, тухлое). Процессор 600 может быть сконфигурирован для: 1) приема и обработки сигналов из детекторного узла 300 и 2) обработки и хранения данных, ассоциированных с каждым яйцом.
Интерфейс 180 оператора может быть любым подходящим устройством пользовательского интерфейса и предпочтительно содержит сенсорный экран или клавиатуру. Интерфейс 180 оператора может позволить пользователю извлекать различную информацию из контроллера, устанавливать различные параметры и/или программировать/перепрограммировать контроллер. Интерфейс 180 оператора может содержать другие периферийные устройства, например, принтер и устройство связи с компьютерной сетью. Идентифицированное состояние каждого из множества яиц в кассете 50 может быть показано графически посредством интерфейса 180 оператора вместе с совокупной статистикой для группы или скопления яиц. Такая совокупная статистика может быть собрана, вычислена и/или оценена процессором 600 с использованием данных классификации. Совокупная статистика может включать, для каждой группы, скопления или кассеты, процент мертвых на ранней стадии, процент мертвых на средней стадии и процент мертвых на поздней стадии. Такие статистические данные могут быть полезными для мониторинга и оценки операций в инкубаторе или на инкубаторной станции, а также состояния и характеристики пород или стай.
Настоящее раскрытие относится к новым устройствам и способам для передачи двух различимых сигналов на одной и той же синусоидальной несущей, обнаружения переданного сигнала и определения относительной амплитуды каждого отдельного сигнала в детекторе. Комбинированный сигнал может быть передан через среду, которая воздействует на каждый сигнал (например, ослабляет) различным образом. Взаимодействие среды с двумя сигналами дает полезную информацию (сигнатуру) о среде. Обнаруженный сигнал своей как относительной, так и абсолютной амплитудой, обеспечивает средство идентификации свойств среды. Использование двух длин волн на единственной несущей является новым в области измерения оптического поглощения. Использование квадратурной амплитудной модуляции (QAM) является техническим решением, используемым в области систем связи для передачи цифровых данных. Амплитудная модуляция происходит при поглощении в изучаемых средах, а не в передатчике. Поглощение этих двух длин волн меняет амплитуду обнаруженного сигнала по-разному в зависимости от среды. Это упрощается тем, что нет никаких манипуляций с фазовым сдвигом (единственный квадрант) и никаких манипуляций амплитуды (плавные переходы). Этот новый способ обеспечивает очень точные измерения относительного поглощения, которые могут использоваться для идентификации свойств среды.
При передаче двух сигналов с квадратурным фазовым сдвигом (то есть, 90 градусов), ортогональность двух сигналов обеспечивает восстановление с высокой точностью амплитуды каждого сигнала, если известна фаза каждого сигнала. Для калибровки сигналов можно легко измерить фазу любого сигнала, беря только представляющий интерес сигнал и измеряя фазу принятого сигнала относительно опорного сигнала, используемого для генерирования переданного сигнала. При этом можно определить эталонную фазу первого сигнала и скомпенсировать управляющий сигнал для второго сигнала, чтобы привести на детекторе два сигнала в фазовую квадратуру.
Это техническое решение предпочтительно для выявления небольших изменений в амплитудах между двумя сигналами, поскольку усиление или ослабление на пути одинаково для обоих сигналов. Кроме того, поскольку сигналы могут быть переданы на одной частоте, частотные вариации при обработке сигналов, такие как реакция фильтра, воздействуют на оба сигнала одинаково.
В этом отношении в настоящем изобретении имеется первый периодический сигнал и второй периодический сигнал, передаваемые в среду с фазовым сдвигом 90 градусов. Комбинированный сигнал может быть передан через среду, которая по-разному взаимодействует с первым периодическим сигналом и вторым периодическим сигналом. Среда может ослаблять каждый из этих сигналов. Сигнал, выходящий из среды, может нести полезную информацию о свойствах материала в амплитудах первого периодического сигнала и второго периодического сигнала. В случае световых сигналов амплитуда на выходе фотодетектора представляет собой разность между максимальным и минимальным обнаруженными световыми потоками (потоками, попадающими в фотодетектор). Зная исходную фазу первого периодического сигнала и/или второго периодического сигнала, можно определить амплитуды каждого сигнала.
В некоторых случаях первый периодический сигнал и второй периодический сигнал могут быть светом, излучаемым с различными длинами волн. Световые сигналы могут быть обнаружены фотодетектором, помещенным напротив источника светового излучения. Среда может быть любым материалом, для которого пропускание через нее света с различными длинами волн выявляет ее свойства. В некоторых случаях среда может быть птичьим яйцом, таким как куриное яйцо.
Как сказано выше, первый и второй периодические сигналы могут быть переданы с квадратурным фазовым сдвигом (90 градусов). В векторном анализе скалярное произведение позволяет определить угол между двумя векторами следующим образом:
а ⋅ b=|| а || || b || cos (Θ)
Например, если а и b - векторы, отличные от нуля в трехмерном пространстве R3, и Θ - угол между ними, тогда а⋅b=0 тогда и только тогда, когда cos (Θ)=0. Полезный физический смысл заключается в том, что два вектора взаимно перпендикулярны, если их скалярное произведение равно нулю. Следовательно, скалярное произведение дает удобный способ, чтобы определить, являются ли два вектора перпендикулярными, или ортогональными. Векторы с нормой (длиной) 1 называются единичными векторами. Говорят, что единичные векторы нормализованы. Если группа векторов является взаимно ортогональной и нормализованной, говорят, что система является ортонормированной. Набор ортонормированных векторов образует систему отсчета. Плоскость х-у в Декартовской системе координат - это комплексная плоскость, описывающая действительную и мнимую переменные, а вектора i-j-k, описывающие трехмерную систему, являются примерами наборов ортонормированных базисных векторов, определяющих известные системы отсчета.
а
а
а
а
а
аа
а
аа
а
а
На фиг. 6 и фиг. 7 скалярное произведение обеспечивает критерий того, как вектор с «проецируется» на другой вектор . Предположим, что  - единичный (ненулевой) вектор, где || ||=1. Предположите, что b - второй единичный (ненулевой) вектор, где || b ||=1 и b - ортогонален к , то есть ⋅b = 0. Вектор с может быть описан как с = +βb, где  и β - скаляры. Произведение  называется компонентом с вдоль , или проекцией с на :
а⋅с=а⋅(αа+βb) = αа⋅а+βа⋅b (отметим: а⋅b=0)
α=(а⋅с) / (а⋅а) = (|| а ||⋅|| с || cos (Θ) / (|| а || | а || cos (0)) (отметим: || а ||=1)
α=а⋅с = || с | cos (Θ)
v
В разложении в ряд Фурье концепция ортогональности векторов обобщена на функции. Стандартное скалярное произведение двух действительных функций u(х) и (x) в интервале α≤х≤β определяется как
v
Говорят, что функции u и  являются ортогональными на интервале α≤х≤β, если их скалярное произведение равно нулю; то есть, если
Говорят, что набор функций является взаимно ортогональным, если каждая отдельная пара функций в наборе является ортогональной. Следующая теорема связывает эти концепции функциями sin(mπх/1) и cos(mπх/1). Функции sin(mπх/1) и cos(mπх/1), m=1, 2, ... формируют набор взаимно ортогональных функций в интервале - 1≤х≤1. Они удовлетворяют следующим уравнениям, известным как соотношения ортогональности:
Соотношения в уравнениях (1), (2) и (3) можно называть ортогональными по частоте, когда m≠n, в то время как зависимость в уравнении (2) можно назвать ортогональной по фазе при m=n. Два сигнала, которые ортогональны по частоте, могут использоваться в устройствах и способах согласно изобретению. Альтернативно, два сигнала, которые ортогональны по фазе, также могут использоваться в устройствах и способах согласно изобретению.
Как их векторные аналоги, набор взаимно ортогональных функций может формировать систему отсчета для описания других функций. Например, ряд Фурье, в котором используются синус, косинус или комплексные экспоненты, может использоваться для описания любой периодической функции.
Эти результаты могут быть получены прямым интегрированием. Например,
пока m+n и m-n не нули. Так как m и n положительны, m+n≠0. С другой стороны, если m-n=0, то m=n, и интеграл необходимо вычислять по-другому. В этом случае:
В связи с уравнениями (1) и (3) следует отметить, что значение интеграла, когда m=n, является функцией времени интегрирования. То есть «сила» выделяемого «сигнала» растет со временем интегрирования. В связи с уравнениями (1), (2) и (3) следует отметить, что частоты являются целым кратным 1/(21), иначе появляется член остаточной ошибки. Кроме того, следует отметить, что в результате прямого интегрирования, когда m≠n, второй член мал по сравнению с первым членом для больших величин m и/или n. Наоборот, первые члены становятся большими в области, где тип приближаются к одному значению.
Выше в уравнениях (1)-(3) положим:
o
m=cƒ/ƒ
o
n=cƒ/fo=С
x=t
где:
o
f - желаемая частота детектирования
o
с - целое число периодов ƒ в  Отметим, что время интегрирования равно
t - время.
o
Рассмотрим следующий пример, где ƒ=10 кГц, с=10 периодов или 2 мс.
m=10ƒ/10000=f/1000
n=10
В некоторых случаях можно использовать множество пар детектор-излучатель, чтобы увеличить пропускную способность в отношении яиц, проходящих через устройство 100 идентификации яиц. Согласно аспектам настоящего изобретения, в такой конфигурации излучатели могут передавать сигналы, имеющие ортогональные частотные соотношения в соответствии со схемой планирования частот.
o
График зависимости усиления детектора от частоты показан на фиг. 8. Видно, что сигнал проходит через нуль, когда т является целым числом (то есть ƒ/1000 - целое). Это может быть полезно при планировании частот, позволяя установить множество излучателей, излучающих на различных частотах. Управляя временем интегрирования или выборкой данных (размером и периодом захвата), детектор можно сделать в высшей степени нечувствительным к соседним излучателям, излучающим на этих частотных нулях. В этом примере детектор нечувствителен к набору соседних сигналов на границах 1000 Гц (исключая ƒ=10000 Гц, т.е. частоту обнаружения). Однако, когда m не является целым числом, имеется остаточный член усиления, который нужно учитывать в обнаруженном сигнале.
o
o
На фиг. 9 показывает, как на усиление влияет установка с=50 периодов или 10 мс. Хотя отношение усиления сигнала желательной частоты ƒ к усилению в первом боковом «лепестке» остается тем же самым, максимальное усиление в каждом лепестке притягивается ближе к ƒ. Например, последствия помехи на 12,5 кГц более серьезны в случае с=10/1 мс, чем в случае с=50/10 мс. С ростом времени интегрирования, усиление в этих лепестках становится менее значимым. Кроме того, количество подавляемых частот растет с временем интегрирования, учитывая более плотную частотную картину (то есть для размещения соседнего канала доступно больше нулей).
Обработка сигналов в рамках настоящего изобретения может быть выполнена с использованием фазочувствительного детектора, например, синхронного усилителя, такого как изделия SR510/SR530, SR810/SR830 и SR850, производимые компанией Stanford Research Systems. Синхронный усилитель - это такой усилитель, который способен извлечь сигнал с известной несущей частотой в чрезвычайно шумной окружающей среде. Такие синхронные усилители могут использоваться для выполнения преобразования с понижением частоты в цифровом виде. После аналогового блока усиления и стадии сглаживания эти системы могут немедленно выполнить аналого-цифровое преобразование (АЦП).
Для измерений с синхронным детектированием требуется сигнал опорной частоты. Как правило, исследуемый объект возбуждается опорным сигналом:
где:
REF
V - амплитуда опорного сигнала
0
ƒ - частота опорного сигнала в герцах
t - время в секундах
REF
θ - фаза опорного сигнала в радианах.
REF
Без потери общности, V можно принять равной единице. Все последующие амплитуды можно тогда рассматривать относительно опорного сигнала. Детектор усиливает сигнал, поступивший из системы. Выход этого процесса усиления можно представить как:
где:
SIG
V - амплитуда выходного сигнала
ƒ - частота выходного сигнала в герцах
t - время в секундах
SIG
θ - фаза выходного сигнала в радианах.
SIG
REF
Отметим, что в типичных приложениях, связанных с синхронным усилением V << V. Детектор может умножать усиленный сигнал на исходный опорный сигнал. Умножение может зависеть от фазы и может быть выполнено или в цифровом, или в аналоговом виде. На выходе фазочувствительного детектора (PSD) имеем произведение двух синусоид:
REF
Отметим, что мы положили V=1.
0
0
0
Для данной входной частоты выходной сигнал PSD-детектора - это два сигнала переменного тока (АС), один на разностной частоте (ƒ-ƒ), а другой - на суммарной частоте (ƒ+ƒ). Если выходной сигнал PSD-детектора проходит через фильтр нижних частот, член, соответствующий АС сумме (ƒ+ƒ), подавляется и остается только разностный член:
0
Когда ƒ=ƒ, сигнал PSD-детектора становится сигналом постоянного тока (DC):
SIG
REF
SIG
REF
PSD
REF
SIG
SIG
REF
SIG
REF
SIG
REF
_
Это последнее уравнение демонстрирует необходимость того, чтобы разность фаз между сигналами θ-θ не зависела от времени. В противном случае cos(θ-θ) изменится, и V уже не будет строго сигналом постоянного тока. Другими словами, опорный сигнал детектора должен быть привязан к фазе принятого сигнала. Подстраивая θ к θ, можно сделать θ-θ равной нулю и cos(θθ)=1. Эта корректировку можно сделать подстройкой фазы θ=θ-θ до смесителя, в результате чего:
REF
SIG
SIG
REF
SIG
REF
0
REF
0
REF
И наоборот, регулируя θ к θ - 90°, (θ-θ) можно сделать равным 90°. В этом случае cos(θ-θ)=0, и входной сигнал подавлен. Как правило, в приложениях с использованием синхронного усилителя, эту фазовую зависимость можно устранить, добавив второй PSD-детектор. Если второй PSD-детектор умножает сигнал при сдвиге опорного сигнала на 90°, т.е. опорный сигнал sin(2πft + 90 + θ) = cos(2πft + θ), соответствующий выходной сигнал после фильтра нижних частот будет:
Теперь имеются два выходных сигнала: один пропорционален cosθ, а другой пропорционален sinθ. Обозначив первый выходной сигнал I, а второй Q, имеем
Эти две величины представляют собой вектор относительно опорного сигнала. «I» называют «синфазным» компонентом, a «Q» - «квадратурным» компонентом. Как правило, в синхронном усилителе используется второй PSD-детектор, чтобы вычислить фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами в дополнение к снятию фазовой зависимости при вычислении амплитуды следующим образом:
0
1
2
Фазочувствительное детектирование, обеспечиваемое синхронным усилителем, может быть применено в оптических мультиспектральных измерениях, таких как импульсная оксигемометрия, что позволяет измерить сигналы двух длин волн при единственной опорной частоте f. Это техническое решение позволяет осуществить простое логометрическое сравнение между обнаруженной мощностью двух сигналов на длинах волн λ и λ
Свойство ортогональной режекции системы можно использовать для передачи и обнаружения двух сигналов на одной частоте при условии, что:
i) два сигнала сдвинуты по фазе на 90° (например, они ортогональны по фазе), и
ii) известен сдвиг фаз между этими двумя сигналами и опорным сигналом.
В контексте настоящего описания термин «опорная частота» используется взаимозаменяемо с термином «канал». Концептуально, измерения мощности для отдельной длины волны могут быть дискриминированы в детекторе по их частоте. Сигналы двух длин волны могут быть далее дискриминированы в пределах опорной частоты или канала по их фазе.
На фиг. 10 показан аналоговый вариант выполнения настоящего изобретения. Квадратурные опорные тактовые сигналы
REF
можно генерировать с использованием прямого цифрового синтезатора (DDS) 1000. У этих двух опорных сигналов имеется произвольная абсолютная фаза θ, но друг относительно друга они сдвинуты по фазе на 90°. Примером устройства, способного генерировать требуемые сигналы, является изделие AD9854, производимое компанией Analog Devices, или генератор произвольной функции (AFG) AFG3022C, выпускаемый компанией Tektronics. Отметим, что имеются и другие способы для генерирования квадратурных опорных сигналов (например, система фазовой автоподстройки частоты с цифровым делителем). Можно использовать другие способы для генерирования квадратурных опорных сигналов без изменения сущности измерительной системы.
1
2
OPT
LED
OPT
LED
Опорный сигнал (А) и (F) используется для верного воспроизведения оптического сигнала мощности с использованием узкополосных источников освещения, таких как светодиоды (LED) или лазерные диоды (LD), на длинах волн λ и λ. То есть оптическая мощность излучателя может меняться линейно с входным сигналом. Как показано на фиг. 10, запускающая схема 1002 преобразует входной сигнал в ток, используемый для запуска светодиода 1004 так, чтобы P ≈ K * I, где P - оптическая мощность на выходе, I - ток через светодиод и K - константа. Светодиоды можно заменить на лазерные диоды.
Эти два источника света могут быть, но не обязательно, скомбинированы и коллимированы в единственный луч 1006. Использование единственного луча решает различные аспекты калибровки системы и управления рассеянным светом, который может интерферировать с детектируемым сигналом. Измерения можно производить без комбинирования и коллимирования лучей, но калибровка и детектирование усложняются. Луч, скомбинированный и коллимированный, может быть получен с использованием, но это не обязательно, дихроического зеркала, случайным образом объединенного оптоволоконного пучка, или двухцветного светодиода. Дихроическое зеркало (например, дихроическое зеркало с углом 45 градусов) могут комбинировать два луча, имеющие различные длины волн. Дихроические зеркала имеют прозрачное основание (из стекла или сапфира) с интерференционным оптическим покрытием на одной стороне и дополнительным антиотражающим покрытием с другой стороны. Если желательно точное перекрытие двух лучей, два светодиода с различными длинами волн могут быть расположены на некотором расстоянии, а их свет гомогенизирован с использованием случайным образом объединенного оптоволоконного пучка. У такого пучка имеется два ввода и один выход. Двуцветный светодиод может иметь две независимо управляемых матрицы в общей наборе.
Комбинированные и коллимированные лучи могут быть направлены на тестовый объект 1008. Свет, проходящий через тестовый объект 1008, поглощается и рассеивается. Излучение, прошедшее через тестовый объект 1008, может быть ослаблено на несколько порядков. Излучение, прошедшее через тестовый объект 1008, может, в качестве опции, быть собрано конденсором 1010, чтобы повысить оптическую мощность на детекторном узле 300 и обеспечить собранному свету пространственную избирательность. Как показано на фиг. 10, используется и кремниевый p-i-n диод 1020, который работает на длинах волн в видимом и ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне электромагнитного спектра.
Фототок, генерируемый p-i-n диодом 1020, может быть преобразован в сигнал напряжения. Преобразование напряжения в ток может быть достигнуто путем нагрузки р-i-n диода 1020 на сопротивление. Однако для приложений с большим усилением/малым шумом можно ввести трансимпедансный усилитель 1030. Для улучшения отношения сигнал/шум (SNR) усиление трансимпедансного усилителя может быть максимизировано в пределах ограничений, налагаемых шириной полосы системы.
Дополнительное усиление может быть обеспечено последующим усилителем 1040 напряжения. Эта вторая стадия может обеспечить масштабирование, если оно желательно, хотя за счет этой стадии масштабирования имеет место небольшое ухудшение отношения сигнал/шум.
До преобразования с понижением частоты может быть необходимо фильтрование 1050, чтобы обеспечить блокировку сигнала постоянного тока (аналоговое), сглаживание (цифровое) и/или уменьшение шумов в полосе (аналоговое/цифровое). В некоторых случаях вторая стадия 1040 усиления и стадия 1050 фильтрации могут быть объединены.
На выходе стадии фильтрации имеем:
где
SIG
θ - фаза сигнала на выходе фильтрующего блока,
А - усиление/ослабление на выходе квадратурного опорного сигнала I, пришедшего в эту точку,
В - усиление/ослабление на выходе квадратурного опорного сигнала Q, пришедшего в эту точку.
Выходные сигналы на стадиях 1060 задержки/вращения фазы:
Умножая 1070 сигнал с выхода стадии (Е) фильтрования на опорные сигналы с подстроенной фазой и вычитая высокочастотный компонент фильтром 1080, имеем:
SIG
Полагая θ=θ-θ, имеем:
0
0
Для f=f (или приблизительно f)
на входе I в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1090
и,
SIG
REF
Полагая θ=θ-θ, имеем:
0
0
для f=f (или рядом f)
0
0
Для f=f (или приблизительно f)
на входе Q в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1090.
В альтернативном аспекте, как показано на фиг. 11, заштрихованные блоки являются цифровыми. Эти блоки могут быть реализованы вычислительно (например, в программном обеспечении, выполняемом в цифровом сигнальном процессоре (DSP)) или в логике (например, в программируемой вентильной матрице (FPGA)). Фильтрующий блок 1050 может выполнять роль фильтра нижних частот и сглаживающего фильтра аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1090. Выходной сигнал АЦП 1090 представляет собой переведенную в цифровую форму версию (Е) выходного сигнала фильтра. Умножение 1100 может быть выполнено путем цифрового вычисления. Последующая функция фильтра нижних частот может быть осуществлена программно или в цифровых аппаратных средствах (например, фильтром с конечной импульсной характеристикой (FIR) или фильтром с бесконечной импульсной характеристикой (IIR) или непосредственным использованием быстрого преобразования Фурье (РРТ)/дискретного преобразования Фурье (DFT)).
Фазовую задержку 1060 также можно осуществить цифровым вычислением или как простое цифровое запаздывание. На практике можно, но не необходимо, подавать на детектор оба опорных сигнала I и Q. Если используется единственный опорный сигнал, можно восстановить второй.
В цифровом варианте преобразователя с понижением частоты, показанного на фиг. 11, есть несколько преимуществ перед аналоговым. Во-первых, при цифровом умножении нет ослабления сигнала (например, вследствие постоянного смещения, нарушения синхронизации и фазовой нестабильности), свойственного аналоговым умножителям. Ослабление сигнала в аналоговом умножителе может потребовать средств компенсации. Во-вторых, цифровая фазовая задержка может быть сбалансирована и устойчива к вариациям частоты и температуры. В-третьих, аналоговый умножитель может быть дороже, чем цифровой сигнальный процессор и программируемая вентильная матрица.
Отметим, что преобразование с понижением частоты, показанное на фиг. 10 и 11 и предназначенное для восстановления компонентов I и Q, где принятый сигнал (Е) умножается на опорные сигналы (В) и (G), используемые для генерирования прошедшего сигнала, представляет собой реализацию уравнений (1), (2) и/или (3), когда они проинтегрированы по подходящему интервалу. Амплитуда восстанавливаемого сигнала увеличивается, и отношение сигнал/шум (SNR) растет с ростом времени интегрирования. В цифровой форме интегрирование и последующее использование фильтра нижних частот (LPF) могут быть реализованы в блоке интегрирования и сглаживания, который используется при обработке сигналов. В этом отношении дискретное преобразование Фурье (DFT) представляет собой синхронный преобразователь с понижением частоты, когда начало выборок синхронизировано с принятым сигналом (Е). Коэффициенты для дискретного преобразования Фурье следует взять из нормализованного опорного сигнала, поскольку стандартное дискретное преобразование Фурье не восстанавливает правильную фазу. Точно так же, при использовании быстрого преобразования Фурье (FFT) коэффициенты можно оптимизировать, чтобы использовать фиксированные настраиваемые параметры, которые не дают правильную фазу для обнаруженного сигнала, если начало взятия выборки не синхронизировано с переходом опорного сигнала через нуль.
SIG
REF
1
2
1
1
2
1
2
2
2
1/2
и
Что касается калибровки фазы в системе, для извлечения сигналов I и Q, фазу опорного сигнала можно скорректировать до умножителя, так чтобы θ=θ-θ=0. Фазовая коррекция искажений - это процесс, в котором, отключая один источник (например, оставляя источник с длиной волны λ, и выключая источник с длиной волны λ) сводят систему к традиционному синхронному усилителю. Кроме того, фаза и амплитуда измеряемого источника λ теперь равна θ=arctg (Q/I) и R=(I+Q). В этом случае достаточно подстроить фазу, пока компонент Q не станет достаточно мал. Калибровку можно проверить, выключая источник λ, включая источник λ проверяя, что компонент I достаточно мал. Альтернативно, фазу опорного сигнала (Е) можно измерить, когда нет никакого тестового объекта (например яйца). Измеренную фазу можно использовать в качестве опорной. Поглощение излучения с λ относительно излучения с λ может быть определено количественно относительно этой начальной опорной фазы.
Что касается калибровки амплитуды, сигнал на выходе фильтрующего блока 1050 равен:
где:
А - усиление / ослабление на выходе I квадратурного опорного сигнала, пришедшего в эту точку,
В - усиление / ослабление на выходе Q квадратурного опорного сигнала, пришедшего в эту точку.
Величины А и В представляют собой произведение усилений в отдельных блоках, которое включает не только тестовый объект 1008, но и компоненты установки. Хотя тракты I и Q проходят в одной и той же физической среде, после того как источники света скомбинированы в оптическом объединителе/коллиматоре 1006 лучей, имеется некоторая степень нестабильности выходной мощности и освещенности в светоизлучательном узле 1004, а также в эффективности объединения в оптическом объединителе/коллиматоре 1006 лучей.
Для компенсации нестабильности в системе измерения можно измерить тестовый объект 1008 с известной реакцией на заданной длине волны и рабочие характеристики тестового объекта 1008 вычесть из измеренного ответного сигнала. Можно использовать нейтральный светофильтр с известным ослаблением на всех длинах волн. При использовании такого фильтра коэффициенты А и В должны быть равны. Результаты измерения с нейтральным светофильтром можно использовать для вычисления поправочных коэффициентов для всех последующих измерений. Например, если измеренное значение А равно 0,4, а В - 0,5, В можно скорректировать для всех последующих измерений путем умножения В на 0,5/0,4=1,25. Во время калибровки нейтральный светофильтр может ослабить мощность сигнала до уровней, аналогичных при излучении от выбранного тестового объекта, для получения наилучших результатов. Альтернативно, калибровка может быть сделана прямо с помощью детектора, обладающего достаточным динамическим диапазоном. Альтернативно, для получения достаточного динамического диапазона можно использовать второй детектор (с малым усилением).
В некоторых приложениях, таких как с использованием множества пар излучатель-детектор для использования при идентификации текущего состояния птичьего яйца при высокой пропускной способности, режекция соседних интерферирующих сигналов в многоканальной/многочастотной системе обнаружения может быть оптимизирована правильным выбором различных опорных частот. Интегрирование
0
0
0
0
в течение n/f секунд демонстрирует прекрасное подавление в идеальной системе, когда f=f/2n, где n - время интегрирования, выраженное в количестве периодов f. На фиг. 12 показан пример, где f=10 кГц и сигнал интегрирован в течение 500 мкс или n=5 периодов. В этом случае детектор может обеспечить высокий уровень режекции для сигналов на или около нулевых точек 2 кГц.
1
2
Калибровку можно сделать, вычисляя смещение с использованием нейтрального фильтра (ND) или по непосредственным измерениям. Измерение реакции на длинах волн λ и λ с фиксированным ослаблением нейтрального фильтра позволяет нормировать рабочие характеристики системы.
Передача на ортогональных векторах с той же самой частотой вдоль одного тракта прохождения сигнала обнуляет вариации вследствие разного усиления, групповой задержки, вариаций температуры, а также других вариаций, обусловленных использованием множества частот или множества трактов прохождения сигнала. Предпочтительное использование единственного тракта прохождения сигналов позволяет избежать высокой стоимости устройства, связанной с использованием множества трактов прохождения сигналов.
В некоторых случаях ошибка на выходе по постоянному току может быть вызвана сигналом шума. Она может появиться как смещение или как ошибка в усилении. Так как оба эффекта зависят от амплитуды и частоты шумов, их нельзя компенсировать смещением до нуля во всех случаях, и они ограничивают точность измерения. Поскольку погрешности, по сути, связаны с сигналом постоянного тока, увеличение постоянной времени здесь не помогает. Наиболее коммерчески доступные синхронные усилители определяют допустимый шум как уровни, которые не воздействуют на выход больше, чем несколько процентов от максимального сигнала.
Эффекты квадратурной ошибки (Θerr) показаны на фиг. 13. Пусть сигналы А и В находятся почти в квадратуре (то есть смещены приблизительно на 90 градусов) и пусть сигнал с амплитудой А имеет ошибку и отклоняется от оси I, тогда как сигнал с амплитудой В в точности совмещен с осью Q, тогда сигнал с амплитудой А имеет проекцию на ось I A*cos(Θerr) и проекцию на ось Q A*sin(Θerr). Синхронный усилитель способен восстанавливать проекцию на ось I A*cos(Θerr). Однако проекция на ось Q A* sin(Θerr) - паразитный сигнал, который синхронный усилитель не может отличить от В. Эту проекцию не могут распознать никакие другие средства (например, быстрое преобразование Фурье). Помеха вследствие квадратурной ошибки может быть достаточно малой, чтобы не ограничивать измерение.
Отношение сигнал/помеха (S/I) вследствие квадратурной ошибки может быть вычислено как:
В таблице 1 вычислен минимальный уровень, ограниченный квадратурной ошибкой для различных амплитуд В и А. Отметим, что даже с большой разницей амплитуд (А/В=10), может быть достигнута режекция сигнала выше 35 дБ.
На фиг. 14 показана зависимость оптической плотности (OD) различных типов яиц от длины волны (в нм) прошедшего света. Оптическая плотность отложена по логарифмической шкале, где каждое следующее целочисленное значение соответствует уменьшению величины прошедшего света на порядок. Если сравнить вариацию оптической плотности между 800 нм и 925 нм (длины волн, представляющие интерес), можно ожидать, что вариации амплитуд сигналов на этих двух длинах волн будут варьироваться в диапазоне одного порядка по сравнению с максимумом. Если обратиться теперь к двум точкам (810, 910) на фиг. 14, видно, что наклон линии между ними противоположен для тухлых яиц и живых яиц. Поэтому вычисления отношения по этих двух точкам достаточно, чтобы отличить тухлое яйцо от живого яйца.
На фиг. 17 и 18 показана измеренная зависимость между шириной полосы фильтра и шумами в сигнале синхронного усилителя SR850, где построена зависимость набора постоянных времени (ТС) от сигнала. Набор постоянных времени следующий: 2=100 мкс; 3=300 мкс; 4=1 мс; 5=3 мс; 6=10 мс; 7=30 мс и 8=100 мс. Параметры фильтра следующие: 0=6 дБ/октаву; 1=12 дБ/октаву; 2=18 дБ/октаву; 3=24 дБ/октаву.
Как только величина (R) и фаза (θ) принятого сигнала (Е) восстановлены для каждого яйца, эту величину (R) и фазу (θ) можно перенести в полярные координаты и построить их так, как показано на фиг. 15, 16 и 19-22. Как показано на чертежах, на графике живые яйца явно выделяются по сравнению с неживыми яйцами. Кроме того, можно установить пороговые уровни, как показано на фиг. 22, так что яйца будут идентифицированы или определены как жизнеспособные или нежизнеспособные на основе таких пороговых уровней относительно величины (R) и фазы (θ) принятого сигнала. Пороговые значения могут быть определены в процессе калибровки, так чтобы обеспечивалось максимальное разделение между живыми и неживыми яйцами в процессе идентификации. Фактические пороговые значения могут зависеть от фактических электронных и оптических средств, используемых в системе. Наличие первого и второго источников приблизительно одинаковой мощности обеспечивает лучшее разрешение.
Примеры
Был изготовлен лабораторный макет, который использовался в нескольких тестах. Схематично это показано на фиг. 5.
Квадратурные опорные сигналы синхронизации:
REF
ОРТ
DRIVE
ОРТ
DRIVE
генерировались с использованием генератора 70 произвольных функций Tektronix AFG 3022С. Эти два опорных сигнала имеют произвольную абсолютную фазу θ, но друг относительно друга сдвинуты по фазе на 90°. Опорные сигналы (А) и (F) используются в качестве модулирующих сигналов, подаваемых в пару контроллеров 75, 80 лазерных диодов 501 Stanford Research Systems LDC, создающих надежное воспроизведение каждого сигнала по оптической мощности с низким полным нелинейным искажением (THD). То есть на выходе оптическая мощность источника освещения меняется линейно с входным сигналом Р≈K* I, где Р - оптическая мощность на выходе, I, - ток возбуждения, текущий через источник освещения, и K - константа.
Во время теста контроллеры 75, 80 лазерных диодов использовались для управления следующими узкополосными источниками освещения на обозначенных длинах волн:
Комбинации светодиодов (LED)
OSRAM SFH 4780 680 мВт, 810 нм
Marubeni SMBB910D-1100, 470 мВт, 910 нм
Комбинации лазерных диодов (LD)
ThorLabs L808P010 10 мВт, 808 нм
ThorLabs М5-905-0100 100 мВт, 905 нм
При использовании как светодиодов, так и лазерных диодов использовались коллиматорные линзы 205 и 207 для сведения к минимуму дисперсии луча и нежелательного рассеяния света. Для объединения двух источников освещения в единый луч использовалось дихроическое зеркало 209 Semrock LPD02-830RU-25 с наклоном 45 градусов с крутой отсечкой по длине волны на 830 нм. Скомбинированные и коллимированные лучи направлялись на тестовые объекты 1 (куриные яйца Е17-Е19 в различных известных состояниях (живое, тухлое и мертвое).
Излучение, прошедшее через тестовый объект, собиралось набором из трех конденсоров, чтобы повысить передачу оптической энергии между тестовым объектом и детектором и свести к минимуму свет вне приемного конуса +/-12 градусов.
На тестах использовался детектор 300 Vishay TEM5110X01, представляющий собой кремниевый p-i-n диод. Фототок, генерируемый p-i-n диодом, преобразовывался в сигнал напряжения с использованием высокоскоростного трансимпедансного усилителя Texas Instruments OPA380.
Сигнал на выходе второго каскада (9) усиления равен:
где
SIG
θ - фаза сигнала на выходе фильтрующего блока,
А - усиление/ослабление на выходе квадратурного опорного сигнала I, пришедшего в эту точку,
В - усиление/ослабление на выходе квадратурного опорного сигнала Q, пришедшего в эту точку.
Величину (R) и фазу (θ) восстанавливали из принятого сигнала (Е) с использованием синхронного усилителя 95 SR850.
Фазовую калибровку проводили, соединяя выходной сигнал синхронизации из ТЕК AFG 3022С с гнездом «Внешняя синхронизация» (В) SRS SR850. Выключив источник Q (лазерный диод на 905 нм/светодиод на 910 нм), фазу устройства SR850 выравнивали с источником I (лазерный диод на 808 нм/светодиод на 810 нм) с использованием калибровочных средств устройства.
На фиг. 15 показан угол сдвига фаз (θ) относительно мощности сигнала (величина (R)) для 120 яиц, исследованных раскрытым здесь способом на 18 день инкубации. Каждое яйцо было помещено на защищенную от света подставку. В качестве источников света использовались лазерные диоды (808 нм и 904 нм). Постоянная времени (ТС) установлена равной 100 миллисекунд.
На фиг. 16 построен угол сдвига фаз (θ) относительно мощности сигнала (величина (R)) для 216 яиц, исследованных раскрытым здесь способом на 17 и 18 дни инкубации. Каждое яйцо было помещено на защищенную от света подставку. В качестве источников света использовались лазерные диоды (808 нм и 904 нм). Постоянная времени (ТС) установлена равной 100 миллисекундам.
На фиг. 19 построен угол сдвига фаз (θ) относительно мощности сигнала (величина (R)) для 168 яиц, исследованных раскрытым здесь способом на 17 и 18 дни инкубации. Яйца для анализа помещались в кассету для яиц. В качестве источников света использовались лазерные диоды (808 нм и 904 нм). Постоянная времени (ТС) установлена равной 100 миллисекунд, а параметр настройки фильтра равен 1. Не было попыток бороться с самоинтерференцией света.
3
На фиг. 20 построен угол сдвига фаз (θ) относительно мощности сигнала (величина (R)) для 168 яиц, исследованных раскрытым здесь способом на 17 и 18 дни инкубации. Яйца для анализа помещались в кассету для яиц. Полихлорвиниловая трубка диаметром А дюйма и полдюйма высотой выступала вверх, но не касалась кассеты для яиц. В качестве источников света использовались лазерные диоды (808 нм и 904 нм). Постоянная времени (ТС) была установлена равной 100 миллисекунд, а параметр настройки фильтра равен 1.
На фиг. 21 построен угол сдвига фаз (θ) относительно мощности сигнала (величина (R)) для 168 яиц, исследованных раскрытым здесь способом на 17 и 18 дни инкубации. Яйца для анализа помещались в кассету для яиц. В качестве источников света использовались лазерные диоды (808 нм и 904 нм). Постоянная времени (ТС) установлена равной 100 миллисекунд, а параметр настройки фильтра равен 1.
На фиг. 22 построен угол сдвига фаз (θ) относительно мощности сигнала (величина (R)) для 168 яиц, исследованных раскрытым здесь способом на 17 и 18 дни инкубации. Яйца для анализа помещались в кассету для яиц. В качестве источников света использовались лазерные диоды (808 нм и 904 нм). Постоянная времени (ТС) установлена равной 100 миллисекунд, а параметр настройки фильтра равен 8.
Специалистам в данной области техники будут очевидны множество модификаций и других аспектов настоящего изобретения из анализа пояснений, представленных в приведенном выше описании и на чертежах. Поэтому очевидно, что настоящее изобретение не ограничено конкретными раскрытыми аспектами, и изменения и другие аспекты входят в объем формулы изобретения. Хотя в описании используются конкретные термины, они используются только в обобщенном и описательном смысле, а не с целью ограничения.