基于统计反演的光学云雾滴检测算法研究及实现

发布时间：2020-07-11 06:04

【摘要】：云(雾)是一种复杂的大气过程,是气象和大气科学研究的重要课题。云(雾)微观状态的一个重要参数就是云(雾)滴的谱分布,对滴谱分布的研究有助于揭示大气状态的物理变化过程、化学过程以及发生过程的机制和规律,提高人类对大气的预测能力、对灾害性天气的防范能力及对大气资源的开发和利用能力。本课题以此为背景,提出了颗粒检测系统方案,设计了大角度侧向光散射系统,进行散射模型仿真,并对测试系统进行了硬件系统和软件算法的设计。本文主要研究内容如下：首先介绍了几种颗粒检测方法,确定在本课题中选用光散射法来测量颗粒粒径分布。利用Mie散射理论建立散射模型,通过软件仿真分析了单粒子和粒子群的散射特性。建立了E-D模型,比较了测量散射角的大小对测量散射光能量的影响,并结合异轴采光在机载系统的优点,确定了本课题采用异轴大角度采光系统。其次利用对数正态分布建立了单峰双峰分布模型,利用Mie散射理论推导出对应分布模型下光能的空间分布关系。介绍了基本的反演算法,结合光能系数矩阵和光能空间分布矩阵反演出颗粒系的分布,并和仿真建立的粒度分布进行比较。然后介绍了颗粒检测系统工作原理及主要组成部分。对隔帧调制光源发射单元,面阵CCD图像传感器单元,以DSP为主芯片的数据采集、控制、处理单元等部分的工作原理及相关器件的选型做了详细介绍。最后完成了系统中硬件与软件部分的设计,其中硬件设计包括电源供电模块电路、模拟信号视频解码电路、SDRAM存储扩展电路、激光器驱动控制的设计。软件设计给出了系统的软件工作流程。本文通过Matlab仿真得到了Mie散射能量分布特性；建立了能量角度分布模型,比较数据发现相同的情况下,采集光角度越大采集的光能量E越大,弥补了小角度法采集散射信息不足；利用直接和迭代法对单双峰粒子分布进反演测试,比较了单双峰反演粒径分布与设定粒子分布,发现迭代算法误差参数远远小于直接法反演误差参数,迭代一定次数就可以得到一个稳的解,而且迭代法迭代式简单约束条件少,便于后续DSP平台算法移植。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P409;P412

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本文编号：2750053