冰芯剖面光学线性扫描及图像处理系统研制

发布时间：2021-02-23 08:39

　　极地冰芯内记录着丰富的历史分层信息,是研究古气候的主要途径之一。由于冰芯钻取难度大、周期长,从极地钻取完整冰芯样品弥足珍贵,而现有冰芯分析仪主要以化学和物理方式,对冰芯造成了不可逆的损坏,无法重复利用。因此研究一种既不破坏冰芯结构又能达到分析目的的仪器很有必要。冰芯内含有不同的空气浓度、微粒浓度以及尺寸的差异,在光源照射下,其散射光的强度信息不同,因此对冰芯进行图像采集和光学分析可以获取到有价值的分层信息。本文设计并实现了一种可以记录冰芯剖面的光学扫描设备。通过研究冰芯剖面光学线性扫描技术,对比不同设计方案,确定了系统的整体架构。该系统由机械结构、照明系统、嵌入式软硬件、上位机、图像处理组成。其中嵌入式系统是以STM32F103系列微控制器为核心,外围电路包括系统电源电路、主控电路、串口通信电路、步进电机驱动电路及温度采集控制电路。上位机对轨道进给系统、智能温控系统、照明系统和线性扫描相机进行同步控制。经过反复对相机扫描速度、曝光时长、运动速度、触发延时和照明系统等匹配调试,实现了对冰芯清晰、连续、完整的数据采集。最后将获取到的冰芯图像做进一步的图像处理,提取了冰芯图像的有效区域,并对... 

【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省

【文章页数】：80 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状和发展趋势
        1.2.1 国内外冰芯研究现状
        1.2.2 冰芯光学扫描系统研究现状
    1.3 本课题主要创新点
    1.4 主要研究内容和主要工作
    1.5 本章小结
第2章 系统总体设计
    2.1 系统总体结构及方案对比
        2.1.1 系统整体架构
        2.1.2 方案对比
    2.2 系统基本组成及其工作原理
    2.3 相机选型分析
        2.3.1 传感器结构分析
        2.3.2 参数选择
        2.3.3 相机选择
    2.4 本章小结
第3章 系统硬件设计
    3.1 电机控制电路
        3.1.1 系统电源电路
        3.1.2 主控电路
        3.1.3 串口通信电路
        3.1.4 步进电机驱动电路
    3.2 电机温度控制电路和相机温度控制电路
    3.3 低温环境器件选型
    3.4 系统机械结构设计
        3.4.1 系统机械结构要求
        3.4.2 详细结构设计
    3.5 照明系统设计
        3.5.1 光源选型
        3.5.2 匀光材料选型
        3.5.3 照明系统整体设计方案
    3.6 本章小结
第4章 系统软件设计
    4.1 通信协议设计
        4.1.1 上位机与相机通信协议
        4.1.2 上位机与嵌入式软件通信协议设计
    4.2 嵌入式软件设计
        4.2.1 电机控制软件设计
        4.2.2 温度控制软件设计
    4.3 系统上位机设计
        4.3.1 系统软件总体设计
        4.3.2 相机控制软件设计
        4.3.3 上位机界面设计
    4.4 本章小结
第5章 系统调试
    5.1 系统模块测试
        5.1.1 系统硬件测试
        5.1.2 照明系统测试
        5.1.3 相机及镜头测试
        5.1.4 上位机测试
    5.2 系统工作温度测试
    5.3 整体系统联调
        5.3.1 系统测试对象
        5.3.2 系统运动速度调试
        5.3.3 相机触发延时调试
        5.3.4 相机曝光值与照明系统亮度匹配调试
    5.4 结果分析
第6章 图像处理算法
    6.1 冰芯图像处理原理
    6.2 图像预处理
        6.2.1 冰芯图像有效区域分割
        6.2.2 冰芯有效区域的获取
    6.3 图像处理方法
        6.3.1 灰度曲线图
        6.3.2 冰芯图像锐化
        6.3.3 其他处理方法
    6.4 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
致谢
参考文献
附录


【参考文献】：
期刊论文
[1]冰芯直流电导率测定系统研制[J]. 王琦宏,刘敬彪,安春雷,史剑光,于海滨.  电子技术应用. 2017(08)
[2]《三个太阳》拓展阅读——极地科考中的“中国力量”[J]. 袁于飞.  初中生世界. 2016(25)
[3]基于图像灰度统计曲线的最优位置确定法[J]. 贾志前.  科技创新与应用. 2016(04)
[4]东南极冰盖Princess Elizabeth地区LGB69冰芯化学记录反映的南印度洋过去300 a大气环流变化[J]. 杨佼,效存德,丁明虎,窦挺峰.  冰川冻土. 2015(02)
[5]南极冰盖内部等时层研究进展综述[J]. 唐学远,孙波,崔祥斌.  极地研究. 2015(01)
[6]线性相机采集数据饱和值研究[J]. 朱凯,李鹏.  科技创新导报. 2013(16)
[7]基于广义伽马分布的SAR图像相干斑抑制[J]. 王杰,刘新科,谭乐祖,袁湛.  火力与指挥控制. 2013(01)
[8]青藏高原中部全新世气候不稳定性的高分辨率冰芯记录[J]. 段克勤,姚檀栋,王宁练,徐柏青,L.G.THOMPSON.  中国科学:地球科学. 2012(09)
[9]火山沉积记录和粒雪化模式对东南极Dome A 109.9m冰芯定年初探[J]. 李传金,效存德,侯书贵,任贾文,丁明虎,郭瑞.  中国科学:地球科学. 2012(06)
[10]极地冰芯中火山记录的研究进展[J]. 姜苏,李院生,马红梅,安春雷,史贵涛,孙波.  极地研究. 2011(04)

硕士论文
[1]基于FPGA和GigE Vision相机的图像采集系统设计[D]. 姚克奇.东南大学 2016
[2]扫描仪CCD模组镜头的设计研究[D]. 傅鑫.南京理工大学 2016
[3]基于GigE Vision相机的嵌入式图像采集系统的设计[D]. 彭佩红.东南大学 2015
[4]基于Camera Link接口的高速数据传输系设计与实现[D]. 王秘剑.重庆大学 2015
[5]基于CAMERA LINK接口的高速数据传输与存储系统[D]. 朱浩然.哈尔滨工业大学 2014
[6]基于IEEE1394接口相机的设计[D]. 刘海壮.长春理工大学 2009



本文编号：3047313