降水粒子的图像扫描探测技术研究

论文摘要

降水粒子物理参数在人工影响天气研究?天气现象观测和测雨雷达定标等领域有重要应用?针对国内缺乏器测手段的现状,提出一种基于线阵CCD对降水粒子进行图像扫描测量的方法,为探究其可行性,本文主要完成以下几方面的工作:1理论研究了降水粒子的散射特性用几种散射理论分析了降水粒子的光学特性;根据边界衍射理论,推导了云雨滴的的边缘衍射效应并进行数值模拟,为基于线阵CCD的降水粒子阴影测量提供了理论基础?2设计?研制了几个关键模块,建立试验系统设计了激光二极管准直扩束系统,分析?设计了线阵CCD驱动电路,制作了数据采集电路?根据探测系统对光照的要求,分析了CCD光源和照度的匹配,确定采用激光二极管作为系统光源;探讨了高斯激光光束的传输特性及其薄透镜变换,基于ZEMAX仿真软件,设计了一个实际放大倍率为5.97的准直扩束系统,获得系统照明要求的平行片状光?对线阵CCD-TCD1209D工作时序进行详细分析,基于CPLD设计了TCD1209D的驱动电路,并在Quartus II上进行仿真,结果表明,设计的驱动时序符合TCD1209D工作的要求?制作了基于DSP的数据采集电路板,详细描述了其软硬件的设计?3实验验证了系统各部分的工作情况利用光束分析仪对激光二极管准直扩束系统进行分析,结果表明,经过光学系统的整形后,可以得到发散角小?均匀的平行线状光,满足降水粒子探测系统照明的需要?对CCD驱动的各路信号进行测量验证,驱动电路完全满足CCD正常工作的要求,且顺利为数据采集系统提供采样信号?数据采集处理电路能够对信号进行实时的采集?并初步将系统的各部分联合起来进行实验室测试,实验系统运行良好?分析实验结果,初步复原了几种模拟粒子的灰度图像?

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 降水粒子探测的重要意义
• 1.1.1 降水粒子和降水现象
• 1.1.2 降水粒子探测的意义
• 1.2 降水粒子光学探测技术及其进展
• 1.2.1 降水粒子探测技术进展
• 1.2.2 几种光学探测降水粒子技术的比较
• 1.3 本文主要研究内容及结构安排
• 第二章 降水粒子的光学特性与图像扫描技术分析
• 2.1 降水粒子的光学特性研究
• 2.1.1 降水粒子的散射特性
• 2.1.2 降水粒子散射的几何光学近似法
• 2.1.3 降水粒子的边界衍射分析
• 2.2 图像扫描探测降水粒子试验系统的总体设计
• 2.2.1 ISDP 系统分析
• 2.2.2 ISDP 系统设计
• 2.2.3 ISDP 的系统组成
• 2.3 总结
• 第三章 ISDP 试验系统的光学传感系统设计
• 3.1 光学系统设计
• 3.1.1 光源的选择及其特性分析
• 3.1.2 降水粒子探测系统照明分析及光路设计
• 3.2 线阵CCD 的选择
• 3.3 基于CPLD 的线阵CCD 驱动电路的设计
• 3.3.1 驱动原理
• 3.3.2 驱动电路设计及仿真
• 3.4 小结
• 第四章 ISDP 试验系统的电子系统设计
• 4.1 ISDP 信号调理电路
• 4.2 高速数据采集接口电路设计
• 4.2.1 高速数据采集电路器件选择
• 4.2.2 高速数据采集接口电路
• 4.2.3 A/D 采集程序设计及信号实测
• 4.3 小结
• 第五章 降水粒子探测系统实验及数据处理
• 5.1 照明模块测试实验
• 5.2 CCD 驱动信号实测
• 5.3 降水粒子图像扫描试验系统实验及结果分析
• 5.3.1 碎纸屑实验
• 5.3.2 滴水试验
• 5.3.3 降水粒子参数量化模拟装置实验
• 5.4 测量结果的数据处理
• 5.4.1 降水粒子图像复原分析
• 5.4.2 几种粒子的图像还原
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录1 数据采集电路板照片
• 附录2 CPLD 代码