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基于QT的弱光电信号的采集与识别研究开题报告

 2022-01-17 11:01  

全文总字数:3846字

1. 研究目的与意义及国内外研究现状

随着科学技术的不断发展,人们对于弱光电信号探测的要求越来越高。尤其是近几年间,越来越多的领域,如航空航天、生物、医疗、制造、资源采集、环境监测与治理等。对弱光电信号的采集与处理都是其在生产过程中的重要一环。在航空航天领域,仅飞机制造一项,就需要上千个光电探测器对飞机各个部位进行实时的监测。在飞行过程中,需要对天气状况、温度情况、飞机姿态的变化等信息作出处理,但这些信号的强度或变化的范围往往很小。因此,对弱信号的处理,是航空行业的基础。在生物医疗等方面,运用光电仪器来检查人体各个器官或对体温血压等信息进行收集已经是一项重要的工程。

在利用识别激光回波信号来区分烟、火和正常情况的过程中,一方面由于背景噪声,使所测信号不能被识别或错误识别;另一方面,由于测量半径为三千米,激光器所发出的信号经过大气气溶胶粒子的散射之后急速衰减,所测得的回波信号已经十分微弱致使用普通的手段难以识别。

在选择什么样的软件算法来对所探测得到的信号进行数据分析时,综合C、C 、Python等多种计算机语言分析后,我们发现C 语言所采用的面向对象的编程思想以及其应用的多样性能在算法的编写与软件的应用方面发挥巨大的作用。对于C 来说,其开发平台不胜枚举,为了能在主流的Windows与Linux操作系统中,尤其是相对稳定的Linux系统中得以使用,开发工具选择对多平台友好的QT,只需要在相对熟悉与方便的Windows系统中进行开发,开发完成后可直接移植到Linux平台。

国内外研究现状

激光与大气中的分子和气溶胶粒子发生相互作用,因而产生消光,即散射和吸收。主要的物理过程有下面几种。

1.瑞利散射,是指激光与大气分子相互作用而产生的一种弹性散射,其特征是散射粒子的尺寸远小于入射激光波长。从量子力学的角度来解释,光子入射使得电子从基态跃迁到激发态,之后又迅速回到基态,整个过程没有能量交换。瑞利散射过程没有频移,散射光与入射光波长相同,且散射光强与入射波长的四次方成反比,即为瑞利定律。

2.拉曼散射,是激光与大气中分子之间的一种非弹性散射过程。在相互作用过程中,散射光因为分子内部结构的振动而发生频率漂移。拉曼散射的物理机制是电子从低能级跃迁到更高的能级,之后迅速跃迁到一个比原来更低的能级和另一个比原来更高的能级。前者因为得到能量而释放出波长更短的光子,称为Anti-stokes拉曼散射;后者因为失去能量而释放出波长更长的光子,称为Stokes拉曼散射。拉曼散射光频移量与分子基态的振动能级或转动能级有关,分别称为振动拉曼和转动拉曼。

3.米散射。当激光波长与粒子大小相当或小于时,会产生一种弹性散射就是米散射。光子被粒子所弹射回来,没有能量的交换而不发生频移,因而散射前后波长并没有发生变化。米散射的截面与粒子尺寸、形状、成分、波长等因素有关。与其他光散射机制相比,米散射的散射截面最高,所以米散射信号最强。低空探测中所得到的散射主要是由大气中的尘埃,烟雾,水汽等各种固态或液态的气溶胶粒子造成的米散射。

激光所发的出的信号,在大气空间中经过最长6千米的传播,经过上述大气的散射作用,所测得的激光雷达的回波信号已经十分微弱。另一个不可忽视的点是背景噪声的污染,这一点主要集中在白天,表现为探测器所接受到的信号呈现不规则的波动。因此,在探测器的选择上需要考虑到种种因素。国内外现在主流的光电探测器包括:

1. 光电倍增管(Photon Multiplier Tube, PMT)是一种基于外光电效应的光电探测器件,内部为真空结构,具有灵敏度高、响应迅速、动态范围大的特点。其缺点在于体积庞大、量子效率低下、反向偏压高、仅仅能够工作在紫外波段和可见光波段内,抗外部磁场能力较差。其主要工作模式为(1)模拟方式(2)单光子计数方式。

2. 雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)是一种内光电效应的半导体探测器,其主要利用的是光生伏特效应。在无光照条件下,PN结的空间电荷区存在内建电场,空穴和电子的漂移达到平衡。而在有光照条件下,在空间电荷区及附近因受光子激发而形成电子空穴对,在内建电场的作用下,空穴往P区漂移,电子往N区漂移,从而产生了附加电动势。如果在PN结上加一定反向偏压。使受光照产生的电子空穴对获得加速从而与晶格产生碰撞,使晶格内的原子产生电离,制造新的电子空穴对,新的电子空穴对在电场作用下又重复上述过程,产生更多的电子空穴对。这种过程不断重复,使PN结内载流子迅速增加,电流急剧增加,这种现象称为雪崩效应。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度光电探测器。其工作方式有两种(1)线性方式(2)盖革方式

3. 电荷耦合器件(Charge Coupled Devices,CCD)是一种大规模集成光学器件,CCD是在高感光度的半导体硅片上制作大量光敏元,其按照线阵或者面阵有规则地排列。当有光入射时,这些光敏元就产生与光强成正比的光生电荷(电子-空穴对)。单位面积内的光敏元越多,则其空间分辨率越好。CCD具有自扫描特性,能将光敏元上产生的光生电荷有规律地串行输出,再通过模数转换成为数字信号。

通过对各因素考虑之后比较分析光学探测部分的硬件采用卡塞格林望远镜与基于光电倍增管效应的单光子探测器的组合。卡塞格林望远镜由两块反射镜组成的一种反射望远镜,1672年为卡塞格林所发明。反射镜中大的称为主镜,小的称为副镜。通常在主镜中央开孔,成像于主镜后面。它的焦点称为卡塞格林焦点。在卡塞格林望远镜焦点处可以安置较大的终端设备,并不挡光,且观测操作也较方便。光电探测器的种类十分丰富,在考虑了市面上现有的光电探测器之后,选择采用单光子探测器,是一种超低噪声器件,增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行探测和计数,是探测微弱光电信号的理想选择。

2. 研究的基本内容

本文的研究内容主要分为三个部分:

(1)在信号探测的部分,激光所发的出的信号经过大气中的气溶胶粒子的散射与背景噪声的污染,信号十分微弱。因此系统采用卡塞格林望远镜加单光子探测器的组合。在三千米的范围内,终端每隔7.5米接收一次来自光子探测器的数据;考虑到在背景噪声的污染下,目标信号不明显,系统采用多次重复扫描,最后将结果累加求和的方式。

(2)在基于QT平台所开发的软件设计中,需要对对单光子探测器信号的处理,主要包括与串口的通信,对所采集到的数据设计算法进行叠加次数的设定,并对结果进行可视化处理过程中坐标轴的设定,水平角度与垂直角度的设定。

(3)QT平台对于对探测平台——云台的控制命令,包括云台与FPGA可编程门电路的启动、云台速度、偏转角度的设定;云台转动的控制命令包括上下左右四个方向,并可以设置预定位,转到预定位。在软件设计完成后,将整个算法程序移植到Linux系统中进行测试。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案:

(1)进行文献的查阅和有效信息的整理搜集工作;

(2)针对设计系统所涉及的主要知识如c ,光学探测方式,和所需要的平台——qt进行深入的学习。

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4. 参考文献

[1] 任宝祺.基于Web GIS图形处理和北斗短报文的森林防火系统[D].吉林:吉林大学软件工程,2018[2] 魏振果.基于FPGA的微脉冲激光雷达控制和数据采集系统[D].青岛:中国海洋大学计算机技术,2014[3] 李新强.基于FPGA的激光雷达回波信号采集卡设计[D].合肥:中国科学技术大学光学专业,2017[4] 李丽芳.大气气溶胶粒子散射对激光大气传输影响的研究[D].太原:中北大学信号与处理[5] 邹江威.强背景弱信号目标光电检测技术研究[D].北京:国防科学技术大学研究生院电子科学与技术[6] 胡鹏.增益调制成像激光雷达弱信号检测的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学理学院物理系[7] 文斐.激光雷达数据采集系统框架研究[D].安徽:中国科学技术大学物理电子学[8] 段智勇.林家齐.雷清泉.单光子计数器光电转化与倍增器件的研制[J].哈尔滨理工大学学报.2002.7.1:40-46[9] 黄忠伟.气溶胶物理光学特性的激光雷达遥感研究[D].兰州:兰州大学大气科学大气物理学与大气环境

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