本文關(guān)鍵詞：基于激光雷達(dá)技術(shù)的生物氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建與關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目的：釋放生物氣溶膠是生物恐怖襲擊的主要方式。如何實(shí)現(xiàn)對生物氣溶膠的分辨與實(shí)時(shí)監(jiān)測在生物恐怖防范領(lǐng)域具有重大意義,是近年來各個(gè)國家研究的熱點(diǎn)之一。許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)著力研究利用激光雷達(dá)技術(shù)有效快速地實(shí)現(xiàn)生物氣溶膠的監(jiān)控,縮短自己的預(yù)警反應(yīng)時(shí)間,降低損失。截止目前,他們?nèi)栽诹η笸苿?dòng)這項(xiàng)技術(shù)實(shí)用化和無人化。我國的生物恐怖襲擊監(jiān)測裝備的研發(fā)起步較晚,對于生物氣溶膠的實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)手段主要依賴于抽氣式的生物氣溶膠點(diǎn)監(jiān)測器,其監(jiān)則范圍小,受風(fēng)速影響大,部署成本高,存在明顯缺點(diǎn)。開展生物氣溶膠遙感裝置的研究對于我國戰(zhàn)場生防和城市反恐等領(lǐng)域具有重大現(xiàn)實(shí)意義。方法和內(nèi)容：本文通過對國外報(bào)道的生物氣溶膠遙測裝備的文獻(xiàn)的研究,結(jié)合我國生物氣溶膠監(jiān)測裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和城市反恐的實(shí)際需求,提出小型便攜式近程生物氣溶膠遙測裝置的研究課題。準(zhǔn)確地識(shí)別生物粒子依賴于深入地了解目標(biāo)的光學(xué)特性。本文分別從生物氣溶膠粒子的光學(xué)散射和熒光特性、遙測系統(tǒng)的軟硬件仿真和設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果等3個(gè)方面,系統(tǒng)地分析了生物氣溶膠遙測的原理和工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)。具體包括：生物粒子的后向散射特性研究：生物粒子的粒徑分布位于約0.1～10um之間,其與近紫外激光相互作用具有特定的規(guī)律。本文利用Mie散射理論和T矩陣?yán)碚?對于生物氣溶膠的散射特性進(jìn)行分析和計(jì)算仿真,得到粒子的粒徑、折射率以及形狀與后向散射信號(hào)之間的關(guān)系,用以指導(dǎo)探測儀器的功能實(shí)現(xiàn)。生物粒子內(nèi)源性熒光特性分析：生物粒子所含的內(nèi)源性熒光物質(zhì)使得測量生物熒光可以實(shí)現(xiàn)對于生物粒子種類的辨別。同時(shí)生物體自身新陳代謝以及外部環(huán)境條件會(huì)導(dǎo)致熒光分子含量和活性的變化,進(jìn)一步導(dǎo)致粒子熒光特性發(fā)生改變,影響熒光測量的準(zhǔn)確性。本文從細(xì)胞的熒光光譜和主要內(nèi)源性熒光分子兩個(gè)方面對其熒光特性進(jìn)行闡述,并對比常見干擾物的熒光特性。通過結(jié)合生物粒子的熒光數(shù)學(xué)模型以及粒子體內(nèi)的物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò),計(jì)算仿真生物粒子的熒光特性隨新陳代謝的變化情況�；谌搜郯踩募す饫走_(dá)光源參數(shù)優(yōu)化設(shè)置：激光雷達(dá)具有監(jiān)測范圍廣的特點(diǎn),其探測性能與其對于周圍人眼安全的危險(xiǎn)程度是正相關(guān)的,這兩方面的表現(xiàn)均取決于激勵(lì)光源的參數(shù)設(shè)置。本文利用探測信噪比作為評(píng)價(jià)探測性能的指標(biāo),利用《ANSI Z136.1-2000美國激光標(biāo)準(zhǔn)：激光的安全使用》作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全性的指標(biāo),綜合比較傳統(tǒng)脈沖激光雷達(dá)、微脈沖激光雷達(dá)和偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)三種光源設(shè)置方式,結(jié)合人眼安全指標(biāo)和探測性能指標(biāo)計(jì)算出相同安全等級(jí)條件下最優(yōu)信噪比的光源設(shè)置參數(shù)。基于非齊次馬爾科夫過程的光子計(jì)數(shù)死時(shí)間效應(yīng)瞬態(tài)分析：為提高靈敏度,微脈沖激光雷達(dá)和偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)通常使用光子計(jì)數(shù)器作為光電探測器。光NADH子計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)存在死時(shí)間,與光電倍增管的信號(hào)特性不同,死時(shí)間效應(yīng)導(dǎo)致光子計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)出現(xiàn)畸變。本文利用非齊次馬氏鏈過程對于光子計(jì)數(shù)器的死時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行理論分析、計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,提出了死時(shí)間效應(yīng)的校正方法�；�405nm激光的熒光探測和偏振探測聯(lián)合識(shí)別生物粒子技術(shù)：不同的激發(fā)波長會(huì)導(dǎo)致生物粒子產(chǎn)生不同的熒光光譜。本文選擇將405nm半導(dǎo)體激光器作為遙測系統(tǒng)光源。通過對比幾種生物粒子的激發(fā)熒光光譜,定位了2個(gè)特征熒光譜帶。通過同時(shí)進(jìn)行偏振探測和2和熒光譜段探測,對于枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌進(jìn)行分辨�；趥坞S機(jī)調(diào)制技術(shù)的便攜式近程生物氣溶膠遙測激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：基于連續(xù)半導(dǎo)體激光器研制的偽隨機(jī)調(diào)制雷達(dá)具有體積小、功耗低和攜行方便的特點(diǎn),特別適合于快速部署和移動(dòng)監(jiān)控。本文針對于生物氣溶膠的遙測,優(yōu)化設(shè)計(jì)光學(xué)探測系統(tǒng)和光電信號(hào)采集系統(tǒng),并編寫數(shù)據(jù)采集程序和處理程序,搭建了小型近程生物氣溶膠遙測雷達(dá)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。結(jié)果：根據(jù)遠(yuǎn)場散射理論,隨機(jī)取向的粒子群的散射特性與單個(gè)粒子的平均散射特性相同,依此可以利用單粒子散射理論計(jì)算生物粒子云團(tuán)的散射特點(diǎn)。基于生物粒子的后向散射理論,本文定義了退偏率作為偏振探測的指標(biāo),用于衡量具有不司長短軸之比的橢球形粒子,該退偏率隨粒子長短軸之比增長單調(diào)遞減。生物粒子的內(nèi)源性熒光主要來自于色氨酸、酪氨酸、5mmol/gDW.h以及核黃素等內(nèi)源性分子。通過結(jié)合生物粒子的熒光數(shù)學(xué)模型,本文描述粒子體內(nèi)的物質(zhì)代謝與粒子熒光效應(yīng)的關(guān)系,并舉例計(jì)算在355nm激光激發(fā)下大腸桿菌內(nèi)源性熒光隨新陳代謝變化,仿真假定使用±103mmol/gDW.h作為細(xì)菌內(nèi)外物質(zhì)交換的限制閾值,使用作為粒子內(nèi)部每個(gè)反應(yīng)通路的通量上限,計(jì)算結(jié)果表明初始等效粒徑為lum的大腸桿菌在外界營養(yǎng)充足且環(huán)境不變條件下的熒光散射截面從0.012um2提高到0.028um2。通過計(jì)算比較傳統(tǒng)脈沖激光雷達(dá)、微脈沖雷達(dá)和偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)的人眼安全等級(jí)以及探測信噪比,認(rèn)為微脈沖雷達(dá)的激光發(fā)射方式能量利用效率最優(yōu)。對于405nm波長,在1類安全等級(jí)條件下光源的重復(fù)頻率和能量應(yīng)設(shè)置為55179Hz信噪比最高；在3類安全等級(jí)條件下光源的重復(fù)頻率和能量應(yīng)設(shè)置為4Hz信噪比最高。但是在允許的范圍內(nèi),偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)可以在相同的時(shí)間內(nèi)發(fā)射更多的激光脈沖,其發(fā)射脈沖的占空比可以達(dá)到1：1,發(fā)射脈沖數(shù)量可以達(dá)到微脈沖雷達(dá)的百倍甚至更多,可以提高信噪比和降低峰值功率。在微脈沖激光雷達(dá)或偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)技術(shù)中使用光子計(jì)數(shù)器由于死區(qū)時(shí)間會(huì)帶來計(jì)數(shù)的畸變,其主要表現(xiàn)為在強(qiáng)信號(hào)光照射下死時(shí)間效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致探測目標(biāo)區(qū)域信號(hào)的上下抖動(dòng),會(huì)降低光子計(jì)數(shù)的測量值,會(huì)在信號(hào)回落時(shí)形成過沖現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)修正結(jié)果表明對于粒子密度較濃稠的生物氣溶膠,散射光通道可受到50%的抑制�；谝陨蠁栴}的研究和分析,本文提出便攜式人眼安全的遙測實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案,主要參數(shù)為：使用100mW的405nm連續(xù)激光器,調(diào)制頻率100MHz；使用口徑200mm的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡作為接收器,光闌設(shè)置為直徑12mm；使用4通道光子計(jì)數(shù)器同時(shí)進(jìn)行采集,其中兩路偏振探測通道,兩路熒光探測通道(450±20nm、520±20nm),探測器具有相同的光程,同時(shí)聚焦于望遠(yuǎn)鏡前方200m處�；谏鲜鰧�(shí)驗(yàn)樣機(jī)對于三種生物氣溶膠(枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌)和3種常見干擾物(樹葉腐殖質(zhì)、干燥泥土和衣服染料)進(jìn)行實(shí)際的測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：偏振探測和熒光探測的靈敏度約為105ppl,最遠(yuǎn)可以探測90m,其分別在20Lux和5Lux環(huán)境照度下正常工作。綜合偏振探測和熒光探測,實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以區(qū)分三種生物氣溶膠云團(tuán),其信號(hào)的回代誤報(bào)率分別為2.5%、5%和15%。3種常見干擾物相較于生物粒子,衣服染料(多環(huán)芳香烴)在450nm通道幾乎沒有信號(hào)；泥土的520nm通道信號(hào)約為450nm的2倍關(guān)系；樹葉腐殖質(zhì)的熒光特性與生物粒子相近。結(jié)論：激光雷達(dá)具有探測范圍廣、空間分辨率高和能夠長期連續(xù)實(shí)時(shí)無人監(jiān)測的獨(dú)特優(yōu)勢。本文基于生物氣溶膠粒子的散射光和熒光特性,利用偏振探測和熒光探測方法,搭建了具備4通道的低功耗、便攜的近程生物氣溶膠監(jiān)測雷達(dá)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以有效分辨出生物粒子和非生物粒子。
【關(guān)鍵詞】：生物氣溶膠 激光雷達(dá) 偏振探測 熒光探測 粒子散射
【學(xué)位授予單位】：中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R82;TN958.98
【目錄】：

• 縮略詞表6-7
• 摘要7-10
• Abstract10-15
• 第1章 前言15-27
• 1.1 生物氣溶膠的分類及影響15-16
• 1.2 生物氣溶膠的探測報(bào)警技術(shù)16-22
• 1.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警技術(shù)應(yīng)用需求分析16-17
• 1.2.2 點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)17-18
• 1.2.3 遙測激光雷達(dá)18-22
• 1.3 遙測技術(shù)的研究進(jìn)展22-24
• 1.3.1 國外研究究現(xiàn)狀22-23
• 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀23-24
• 1.4 本文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)24-27
• 1.4.1 主要研究內(nèi)容24-26
• 1.4.2 論文結(jié)構(gòu)26-27
• 第2章 后向散射探測理論27-45
• 2.1 多粒子散射理論基礎(chǔ)27-30
• 2.1.1 粒子的消光、吸收、散射與熒光27-28
• 2.1.2 幅度散射矩陣28-29
• 2.1.3 單粒子散射與多粒子散射29-30
• 2.2 勻質(zhì)球形粒子的散射信號(hào)30-36
• 2.2.1 Rayleigh散射模型30-31
• 2.2.2 Mie散射計(jì)算31-33
• 2.2.3 球形粒子散射信號(hào)的仿真計(jì)算33-36
• 2.3 非球形粒子的散射信號(hào)：T矩陣?yán)碚?/span>36-44
• 2.3.1 振幅散射矩陣37-38
• 2.3.2 T矩陣?yán)碚摷捌涮卣?/span>38-40
• 2.3.3 橢球形粒子的后向散射信號(hào)與其形狀關(guān)系40-41
• 2.3.4 回旋橢球粒子散射信號(hào)的仿真計(jì)算41-44
• 2.4 本章小結(jié)44-45
• 第3章 生物粒子的內(nèi)源性熒光特性分析45-59
• 3.1 生物氣溶膠主要熒光物質(zhì)及特征光譜分析45-48
• 3.1.1 生物粒子主要熒光分子及特征譜45-47
• 3.1.2 大氣中常見熒光探測干擾物質(zhì)47-48
• 3.2 生物粒子的熒光特性48-50
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)測量生物粒子三維熒光光譜48-49
• 3.2.2 影響熒光光譜的因素分析49-50
• 3.3 生物粒子的熒光數(shù)學(xué)模型50-53
• 3.3.1 模型觀點(diǎn)假設(shè)50-51
• 3.3.2 熒光模型數(shù)學(xué)表達(dá)51-52
• 3.3.3 舉例應(yīng)用：大腸桿菌模型在 355nm激光激發(fā)下結(jié)果52-53
• 3.4 新陳代謝對粒子熒光效應(yīng)的影響研究53-58
• 3.4.1 新陳代謝的研究方法53-54
• 3.4.2 舉例計(jì)算：基于生物代謝的 355nm激發(fā)大腸桿菌熒光截面54-57
• 3.4.3 限制和不足57-58
• 3.5 本章小結(jié)58-59
• 第4章 近程激光遙測技術(shù)理論分析與優(yōu)化計(jì)算59-77
• 4.1 激光雷達(dá)的基本概念59-62
• 4.1.1 散射雷達(dá)公式與熒光探測雷達(dá)公式59-60
• 4.1.2 微脈沖雷達(dá)與偽隨機(jī)調(diào)制雷達(dá)60-62
• 4.2 輻照人眼安全的激光雷達(dá)模型光源參數(shù)優(yōu)化計(jì)算62-68
• 4.2.1 人眼安全的評(píng)價(jià)方法62-63
• 4.2.2 最優(yōu)探測頻率與能量的計(jì)算63-68
• 4.3 激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)模式死時(shí)間效應(yīng)分析68-76
• 4.3.1 光子計(jì)數(shù)模式的死時(shí)間效應(yīng)對探測影響68
• 4.3.2 時(shí)間相關(guān)光子計(jì)數(shù)模型68-73
• 4.3.3 模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與校正方法的提出73-76
• 4.4 本章小結(jié)76-77
• 第5章 生物氣溶膠遙測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)77-105
• 5.1 遙測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案77-78
• 5.1.1 遙測系統(tǒng)的基本組成77-78
• 5.1.2 設(shè)計(jì)方案研制目標(biāo)78
• 5.2 系統(tǒng)光源的優(yōu)化設(shè)計(jì)78-85
• 5.2.1 激光器種類的選擇78-80
• 5.2.2 激光的大氣傳輸效應(yīng)80-81
• 5.2.3 光源參數(shù)的設(shè)定81-83
• 5.2.4 激光整形與擴(kuò)束83-85
• 5.3 系統(tǒng)接收光路的優(yōu)化設(shè)計(jì)85-93
• 5.3.1 接收器的選型與基本參數(shù)85-86
• 5.3.2 接收光路次鏡中央阻塞的理論分析86-88
• 5.3.3 物像位置的優(yōu)化與系統(tǒng)幾何因子88-89
• 5.3.4 系統(tǒng)光闌的優(yōu)化設(shè)計(jì)89-90
• 5.3.5 分光光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)90-91
• 5.3.6 系統(tǒng)探測通道分光片、濾光片的選擇91-93
• 5.4 光電探測器的優(yōu)化設(shè)計(jì)93-96
• 5.4.1 常用探測器的比較93
• 5.4.2 光子計(jì)數(shù)器的選型93-95
• 5.4.3 探測噪聲分類和降噪手段95-96
• 5.5 采集控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)96-102
• 5.5.1 采集卡硬件設(shè)計(jì)方案研究96-98
• 5.5.2 系統(tǒng)控制采集程序編寫與驗(yàn)證98-102
• 5.6 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試和延遲時(shí)間測試102-103
• 5.7 本章小結(jié)103-105
• 第6章 系統(tǒng)性能測試實(shí)驗(yàn)105-126
• 6.1 實(shí)驗(yàn)條件簡介105-108
• 6.1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境105
• 6.1.2 輔助儀器105-106
• 6.1.3 測試樣本106-107
• 6.1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算和處理方法107-108
• 6.2 彈性散射通道性能測試108-114
• 6.2.1 探測距離與靈敏度108-111
• 6.2.2 背景輻射的影響111-113
• 6.2.3 區(qū)域監(jiān)測掃描實(shí)驗(yàn)113-114
• 6.3 偏振探測通道性能測試114-117
• 6.3.1 偏振光探測極限距離與靈敏度114-116
• 6.3.2 背景輻射的影響116-117
• 6.4 熒光探測通道性能測試117-120
• 6.4.1 熒光探測極限距離與靈敏度118-119
• 6.4.2 背景輻射的影響119-120
• 6.5 系統(tǒng)分辨能力測試120-124
• 6.5.1 生物氣溶膠樣本121-123
• 6.5.2 常見干擾物樣本123-124
• 6.6 本章小結(jié)124-126
• 第7章 總結(jié)與展望126-130
• 7.1 主要研究內(nèi)容與結(jié)論126-127
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)127-128
• 7.3 研究展望128-130
• 參考文獻(xiàn)130-135
• 附錄 1：計(jì)算大腸桿菌熒光散射截面隨新陳代謝變化有關(guān)反應(yīng)縮寫目錄135-137
• 附錄 2：FPGA系統(tǒng)核心控制采集程序137-155
• 文獻(xiàn)綜述155-165
• 參考文獻(xiàn)164-165
• 在學(xué)期間取得的成果和代表性論著165-166
• 個(gè)人簡歷166-167
• 致謝16

【參考文獻(xiàn)】

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3 王麗;DDA在粒子散射特性研究中的應(yīng)用[D];西安電子科技大學(xué);2009年

4 回英超;激光雷達(dá)的激光自動(dòng)聚焦控制系統(tǒng)研究[D];長春理工大學(xué);2013年

  本文關(guān)鍵詞：基于激光雷達(dá)技術(shù)的生物氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建與關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：258449