基于激光雷达技术的生物气溶胶监测系统构建与关键技术研究

发布时间：2017-03-20 21:08

  本文关键词：基于激光雷达技术的生物气溶胶监测系统构建与关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目的：释放生物气溶胶是生物恐怖袭击的主要方式。如何实现对生物气溶胶的分辨与实时监测在生物恐怖防范领域具有重大意义,是近年来各个国家研究的热点之一。许多发达国家已经着力研究利用激光雷达技术有效快速地实现生物气溶胶的监控,缩短自己的预警反应时间,降低损失。截止目前,他们仍在力求推动这项技术实用化和无人化。我国的生物恐怖袭击监测装备的研发起步较晚,对于生物气溶胶的实时监测预警技术手段主要依赖于抽气式的生物气溶胶点监测器,其监则范围小,受风速影响大,部署成本高,存在明显缺点。开展生物气溶胶遥感装置的研究对于我国战场生防和城市反恐等领域具有重大现实意义。方法和内容：本文通过对国外报道的生物气溶胶遥测装备的文献的研究,结合我国生物气溶胶监测装备的发展现状和城市反恐的实际需求,提出小型便携式近程生物气溶胶遥测装置的研究课题。准确地识别生物粒子依赖于深入地了解目标的光学特性。本文分别从生物气溶胶粒子的光学散射和荧光特性、遥测系统的软硬件仿真和设计以及系统性能实验结果等3个方面,系统地分析了生物气溶胶遥测的原理和工程设计要点。具体包括：生物粒子的后向散射特性研究：生物粒子的粒径分布位于约0.1～10um之间,其与近紫外激光相互作用具有特定的规律。本文利用Mie散射理论和T矩阵理论,对于生物气溶胶的散射特性进行分析和计算仿真,得到粒子的粒径、折射率以及形状与后向散射信号之间的关系,用以指导探测仪器的功能实现。生物粒子内源性荧光特性分析：生物粒子所含的内源性荧光物质使得测量生物荧光可以实现对于生物粒子种类的辨别。同时生物体自身新陈代谢以及外部环境条件会导致荧光分子含量和活性的变化,进一步导致粒子荧光特性发生改变,影响荧光测量的准确性。本文从细胞的荧光光谱和主要内源性荧光分子两个方面对其荧光特性进行阐述,并对比常见干扰物的荧光特性。通过结合生物粒子的荧光数学模型以及粒子体内的物质代谢网络,计算仿真生物粒子的荧光特性随新陈代谢的变化情况。基于人眼安全的激光雷达光源参数优化设置：激光雷达具有监测范围广的特点,其探测性能与其对于周围人眼安全的危险程度是正相关的,这两方面的表现均取决于激励光源的参数设置。本文利用探测信噪比作为评价探测性能的指标,利用《ANSI Z136.1-2000美国激光标准：激光的安全使用》作为评价系统安全性的指标,综合比较传统脉冲激光雷达、微脉冲激光雷达和伪随机调制激光雷达三种光源设置方式,结合人眼安全指标和探测性能指标计算出相同安全等级条件下最优信噪比的光源设置参数。基于非齐次马尔科夫过程的光子计数死时间效应瞬态分析：为提高灵敏度,微脉冲激光雷达和伪随机调制激光雷达通常使用光子计数器作为光电探测器。光NADH子计数器输出信号存在死时间,与光电倍增管的信号特性不同,死时间效应导致光子计数器输出信号出现畸变。本文利用非齐次马氏链过程对于光子计数器的死时间效应进行理论分析、计算仿真和实验验证,提出了死时间效应的校正方法。基于405nm激光的荧光探测和偏振探测联合识别生物粒子技术：不同的激发波长会导致生物粒子产生不同的荧光光谱。本文选择将405nm半导体激光器作为遥测系统光源。通过对比几种生物粒子的激发荧光光谱,定位了2个特征荧光谱带。通过同时进行偏振探测和2和荧光谱段探测,对于枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和酵母菌进行分辨。基于伪随机调制技术的便携式近程生物气溶胶遥测激光雷达系统的设计：基于连续半导体激光器研制的伪随机调制雷达具有体积小、功耗低和携行方便的特点,特别适合于快速部署和移动监控。本文针对于生物气溶胶的遥测,优化设计光学探测系统和光电信号采集系统,并编写数据采集程序和处理程序,搭建了小型近程生物气溶胶遥测雷达实验样机。结果：根据远场散射理论,随机取向的粒子群的散射特性与单个粒子的平均散射特性相同,依此可以利用单粒子散射理论计算生物粒子云团的散射特点。基于生物粒子的后向散射理论,本文定义了退偏率作为偏振探测的指标,用于衡量具有不司长短轴之比的椭球形粒子,该退偏率随粒子长短轴之比增长单调递减。生物粒子的内源性荧光主要来自于色氨酸、酪氨酸、5mmol/gDW.h以及核黄素等内源性分子。通过结合生物粒子的荧光数学模型,本文描述粒子体内的物质代谢与粒子荧光效应的关系,并举例计算在355nm激光激发下大肠杆菌内源性荧光随新陈代谢变化,仿真假定使用±103mmol/gDW.h作为细菌内外物质交换的限制阈值,使用作为粒子内部每个反应通路的通量上限,计算结果表明初始等效粒径为lum的大肠杆菌在外界营养充足且环境不变条件下的荧光散射截面从0.012um2提高到0.028um2。通过计算比较传统脉冲激光雷达、微脉冲雷达和伪随机调制激光雷达的人眼安全等级以及探测信噪比,认为微脉冲雷达的激光发射方式能量利用效率最优。对于405nm波长,在1类安全等级条件下光源的重复频率和能量应设置为55179Hz信噪比最高；在3类安全等级条件下光源的重复频率和能量应设置为4Hz信噪比最高。但是在允许的范围内,伪随机调制激光雷达可以在相同的时间内发射更多的激光脉冲,其发射脉冲的占空比可以达到1：1,发射脉冲数量可以达到微脉冲雷达的百倍甚至更多,可以提高信噪比和降低峰值功率。在微脉冲激光雷达或伪随机调制激光雷达技术中使用光子计数器由于死区时间会带来计数的畸变,其主要表现为在强信号光照射下死时间效应会导致探测目标区域信号的上下抖动,会降低光子计数的测量值,会在信号回落时形成过冲现象。实验修正结果表明对于粒子密度较浓稠的生物气溶胶,散射光通道可受到50%的抑制。基于以上问题的研究和分析,本文提出便携式人眼安全的遥测实验样机的设计方案,主要参数为：使用100mW的405nm连续激光器,调制频率100MHz；使用口径200mm的卡塞格林望远镜作为接收器,光阑设置为直径12mm；使用4通道光子计数器同时进行采集,其中两路偏振探测通道,两路荧光探测通道(450±20nm、520±20nm),探测器具有相同的光程,同时聚焦于望远镜前方200m处。基于上述实验样机对于三种生物气溶胶(枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和酵母菌)和3种常见干扰物(树叶腐殖质、干燥泥土和衣服染料)进行实际的测试,实验结果表明：偏振探测和荧光探测的灵敏度约为105ppl,最远可以探测90m,其分别在20Lux和5Lux环境照度下正常工作。综合偏振探测和荧光探测,实验样机可以区分三种生物气溶胶云团,其信号的回代误报率分别为2.5%、5%和15%。3种常见干扰物相较于生物粒子,衣服染料(多环芳香烃)在450nm通道几乎没有信号；泥土的520nm通道信号约为450nm的2倍关系；树叶腐殖质的荧光特性与生物粒子相近。结论：激光雷达具有探测范围广、空间分辨率高和能够长期连续实时无人监测的独特优势。本文基于生物气溶胶粒子的散射光和荧光特性,利用偏振探测和荧光探测方法,搭建了具备4通道的低功耗、便携的近程生物气溶胶监测雷达。实验结果表明实验样机可以有效分辨出生物粒子和非生物粒子。
【关键词】：生物气溶胶 激光雷达 偏振探测 荧光探测 粒子散射
【学位授予单位】：中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R82;TN958.98
【目录】：

• 缩略词表6-7
• 摘要7-10
• Abstract10-15
• 第1章 前言15-27
• 1.1 生物气溶胶的分类及影响15-16
• 1.2 生物气溶胶的探测报警技术16-22
• 1.2.1 实时监测报警技术应用需求分析16-17
• 1.2.2 点监测系统17-18
• 1.2.3 遥测激光雷达18-22
• 1.3 遥测技术的研究进展22-24
• 1.3.1 国外研究究现状22-23
• 1.3.2 国内研究现状23-24
• 1.4 本文主要内容及结构24-27
• 1.4.1 主要研究内容24-26
• 1.4.2 论文结构26-27
• 第2章 后向散射探测理论27-45
• 2.1 多粒子散射理论基础27-30
• 2.1.1 粒子的消光、吸收、散射与荧光27-28
• 2.1.2 幅度散射矩阵28-29
• 2.1.3 单粒子散射与多粒子散射29-30
• 2.2 匀质球形粒子的散射信号30-36
• 2.2.1 Rayleigh散射模型30-31
• 2.2.2 Mie散射计算31-33
• 2.2.3 球形粒子散射信号的仿真计算33-36
• 2.3 非球形粒子的散射信号：T矩阵理论36-44
• 2.3.1 振幅散射矩阵37-38
• 2.3.2 T矩阵理论及其特征38-40
• 2.3.3 椭球形粒子的后向散射信号与其形状关系40-41
• 2.3.4 回旋椭球粒子散射信号的仿真计算41-44
• 2.4 本章小结44-45
• 第3章 生物粒子的内源性荧光特性分析45-59
• 3.1 生物气溶胶主要荧光物质及特征光谱分析45-48
• 3.1.1 生物粒子主要荧光分子及特征谱45-47
• 3.1.2 大气中常见荧光探测干扰物质47-48
• 3.2 生物粒子的荧光特性48-50
• 3.2.1 实验测量生物粒子三维荧光光谱48-49
• 3.2.2 影响荧光光谱的因素分析49-50
• 3.3 生物粒子的荧光数学模型50-53
• 3.3.1 模型观点假设50-51
• 3.3.2 荧光模型数学表达51-52
• 3.3.3 举例应用：大肠杆菌模型在 355nm激光激发下结果52-53
• 3.4 新陈代谢对粒子荧光效应的影响研究53-58
• 3.4.1 新陈代谢的研究方法53-54
• 3.4.2 举例计算：基于生物代谢的 355nm激发大肠杆菌荧光截面54-57
• 3.4.3 限制和不足57-58
• 3.5 本章小结58-59
• 第4章 近程激光遥测技术理论分析与优化计算59-77
• 4.1 激光雷达的基本概念59-62
• 4.1.1 散射雷达公式与荧光探测雷达公式59-60
• 4.1.2 微脉冲雷达与伪随机调制雷达60-62
• 4.2 辐照人眼安全的激光雷达模型光源参数优化计算62-68
• 4.2.1 人眼安全的评价方法62-63
• 4.2.2 最优探测频率与能量的计算63-68
• 4.3 激光雷达光子计数模式死时间效应分析68-76
• 4.3.1 光子计数模式的死时间效应对探测影响68
• 4.3.2 时间相关光子计数模型68-73
• 4.3.3 模型的实验验证与校正方法的提出73-76
• 4.4 本章小结76-77
• 第5章 生物气溶胶遥测系统的优化设计77-105
• 5.1 遥测系统总体设计方案77-78
• 5.1.1 遥测系统的基本组成77-78
• 5.1.2 设计方案研制目标78
• 5.2 系统光源的优化设计78-85
• 5.2.1 激光器种类的选择78-80
• 5.2.2 激光的大气传输效应80-81
• 5.2.3 光源参数的设定81-83
• 5.2.4 激光整形与扩束83-85
• 5.3 系统接收光路的优化设计85-93
• 5.3.1 接收器的选型与基本参数85-86
• 5.3.2 接收光路次镜中央阻塞的理论分析86-88
• 5.3.3 物像位置的优化与系统几何因子88-89
• 5.3.4 系统光阑的优化设计89-90
• 5.3.5 分光光路结构的优化设计90-91
• 5.3.6 系统探测通道分光片、滤光片的选择91-93
• 5.4 光电探测器的优化设计93-96
• 5.4.1 常用探测器的比较93
• 5.4.2 光子计数器的选型93-95
• 5.4.3 探测噪声分类和降噪手段95-96
• 5.5 采集控制系统的优化设计96-102
• 5.5.1 采集卡硬件设计方案研究96-98
• 5.5.2 系统控制采集程序编写与验证98-102
• 5.6 系统联合调试和延迟时间测试102-103
• 5.7 本章小结103-105
• 第6章 系统性能测试实验105-126
• 6.1 实验条件简介105-108
• 6.1.1 实验环境105
• 6.1.2 辅助仪器105-106
• 6.1.3 测试样本106-107
• 6.1.4 数据计算和处理方法107-108
• 6.2 弹性散射通道性能测试108-114
• 6.2.1 探测距离与灵敏度108-111
• 6.2.2 背景辐射的影响111-113
• 6.2.3 区域监测扫描实验113-114
• 6.3 偏振探测通道性能测试114-117
• 6.3.1 偏振光探测极限距离与灵敏度114-116
• 6.3.2 背景辐射的影响116-117
• 6.4 荧光探测通道性能测试117-120
• 6.4.1 荧光探测极限距离与灵敏度118-119
• 6.4.2 背景辐射的影响119-120
• 6.5 系统分辨能力测试120-124
• 6.5.1 生物气溶胶样本121-123
• 6.5.2 常见干扰物样本123-124
• 6.6 本章小结124-126
• 第7章 总结与展望126-130
• 7.1 主要研究内容与结论126-127
• 7.2 主要创新点127-128
• 7.3 研究展望128-130
• 参考文献130-135
• 附录 1：计算大肠杆菌荧光散射截面随新陈代谢变化有关反应缩写目录135-137
• 附录 2：FPGA系统核心控制采集程序137-155
• 文献综述155-165
• 参考文献164-165
• 在学期间取得的成果和代表性论著165-166
• 个人简历166-167
• 致谢16

【参考文献】

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