基于激光诱导的荧光寿命成像检测技术及应用研究

论文摘要

激光诱导荧光探测技术是主动荧光雷达遥感监测基础,而传统以荧光强度为检测对象的荧光探测技术受到外界因素如激发光强度、环境光强弱、荧光散射角度等的影响难以实现远距离遥感探测。荧光寿命参数是荧光光子衰减时间的反映,它具有稳定性强的优点,利用荧光寿命参数作为检测对象可以不受外界环境光的影响。由于荧光寿命图谱的可视化、能映射被测荧光物质二维空间特征分布,近年来受到广泛的关注。因此研究荧光寿命成像探测技术对解决传统荧光遥感检测中易受环境干扰等问题,实现大尺度高灵敏度的探测具有重要的科学研究意义与应用价值。论文针对荧光强度信号检测易受环境干扰的问题,提出了利用荧光寿命参数作为测量对象,设计并构建了荧光寿命探测成像测量系统,并以油类污染物及植物叶绿素等为研究目标,开展荧光寿命的成像检测实验研究。根据不同物质因分子不同,在激光激发下荧光光谱及荧光寿命不同这一原理,利用荧光光谱和荧光寿命的特异性来检测区分不同污染物质。针对油类荧光物质被脉冲激光激发产生荧光的现象,提出了利用高速探测成像系统实时记录荧光信号的衰减过程,利用多指数衰减函数的非线性最小二乘法拟合荧光衰减过程,计算获得荧光寿命参数,实现油类的检测与识别。论文针对油品种类识别及溯源研究是油污染监测过程中的一项技术难点,在分析目前基于光谱分析法的机器学习算法中存在不足的基础上,提出了利用荧光平均寿命及第二峰位出现时间作为特征参量的支持向量机的机器学习方法,优化了不同核函数选取及参数,构建了油污染识别模型,实验验证平均识别率可以达到90%以上。论文研究了利用荧光寿命成像系统测量植物叶片叶绿素荧光寿命时图像失真现象,分析了失真产生原因并提出了图像失真的校正方法。在测量过程中,激光器本身的光束抖动及周围环境等因素造成激光散斑抖动,从而使得激光诱导荧光发生变化,荧光寿命图像失真。提出了利用散斑互相关原理,通过分析外界环境因素造成激光散斑抖动与荧光粒子位移运动规律,利用位移补偿方法反演失真点荧光寿命实现对失真图像的校正。通过实验分析验证,利用位移补偿方法补偿失真点荧光寿命的有效率在18%以上,且反演出的失真点荧光寿命相对误差在30%以内。论文针对环境监测领域及农业生产领域的二维、三维遥感探测与监测的应用需求,提出并构建了激光诱导荧光雷达遥感系统并开展系统仿真研究。从激光雷达方程出发,研究油污染物荧光特性,分析了发射系统、接收系统各个参数对系统性能的影响,通过仿真分析,验证利用激光诱导荧光雷达遥感技术监测水面油污染物的可行性,并对系统参数进行了优化。设计的激光诱导荧光雷达系统不仅适用于环境领域水面油污染监测,还适用于其它荧光物质的遥感监测,对遥感监测领域雷达系统研发提供了基础理论支撑。理论研究与实验分析结果表明:利用激光诱导荧光寿命成像探测技术不仅可以有效地测量荧光寿命,还可以显示荧光寿命的空间二维分布。荧光寿命不仅可以作为污染物类别识别的依据,还可以显示物质微环境的变化。本文的研究成果将推动我国环境遥感探测技术的发展,为环境监测研究提供新的探测工具。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究的目的及意义
•     1.1.1 石油污染物监测
•     1.1.2 植被生长环境监测
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 激光诱导荧光技术
•     1.2.2 荧光寿命显微成像技术
•   1.3 激光诱导荧光雷达探测系统的发展趋势
•   1.4 论文主要研究内容
•     1.4.1 学术构想与技术路线
•     1.4.2 章节安排
•   1.5 本章小结
• 2 激光诱导荧光检测技术
•   2.1 激光诱导荧光原理
•   2.2 荧光产生机理模型建立
•   2.3 荧光主要特征参量
•     2.3.1 荧光强度
•     2.3.2 荧光寿命
•     2.3.3 荧光光谱形状、带宽及峰值位置
•   2.4 物质荧光现象及特点
•     2.4.1 油品荧光特点
•     2.4.2 植物叶绿素荧光现象及特点
•   2.5 本章小结
• 3 激光诱导油品荧光寿命探测技术及实验研究
•   3.1 激光诱导荧光寿命的基本原理
•     3.1.1 荧光寿命定义及特性
•     3.1.2 荧光寿命的测量原理及仿真分析
•   3.2 荧光寿命成像技术
•     3.2.1 频域法
•     3.2.2 时域法
•   3.3 激光诱导荧光寿命成像测量系统和数据处理方法
•     3.3.1 荧光寿命成像的测量原理
•     3.3.2 实验平台搭建
•   3.4 荧光寿命参数提取
•     3.4.1 实验方案设计
•     3.4.2 利用非线性最小二乘回归进行特征参数提取
•     3.4.3 利用多指数衰减拟合误差分析
•   3.5 本章小结
• 4 基于荧光寿命参数的油种识别分类研究
•   4.1 荧光寿命特征参数提取方法
•     4.1.1 平均荧光寿命
•     4.1.2 第二峰位出现时间
•   4.2 基于荧光寿命参数的支持向量机油种识别原理
•     4.2.1 支持向量机数学模型
•     4.2.2 常用核函数
•   4.3 基于支持向量机的润滑油油种识别方法
•     4.3.1 核函数确定
•     4.3.2 最优参数的确定
•     4.3.3 油品识别结果分析
•   4.4 本章小结
• 5 荧光寿命图像的失真原因分析及补偿方法研究
•   5.1 荧光寿命成像失真原因分析
•     5.1.1 激光诱导植物叶片叶绿素荧光寿命测量系统及实验
•     5.1.2 激光散斑抖动对荧光寿命成像质量的影响
•   5.2 利用互相关分析研究图像失真现象
•     5.2.1 互相关分析原理
•     5.2.2 互相关分析仿真
•     5.2.3 利用互相关分析图像失真点特性
•   5.3 利用位移补偿解决荧光寿命图像失真问题
•     5.3.1 位移补偿方法
•     5.3.2 实验验证
•     5.3.3 结果分析
•   5.4 本章小结
• 6 激光诱导荧光雷达遥感系统设计及系统仿真研究
•   6.1 荧光雷达的基本原理
•   6.2 系统设计
•     6.2.1 发射系统设计
•     6.2.2 接收系统设计
•   6.3 仿真结果分析
•     6.3.1 信噪比的估算
•     6.3.2 最小可探测浓度的估算
•     6.3.3 系统所需最小激光单脉冲能量估算
•     6.3.4 激光单脉冲能量对最小可探测浓度的影响
•   6.4 本章小结
• 7 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 论文创新点
•   7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 景敏

导师: 华灯鑫,乐静

关键词: 激光雷达遥感,荧光寿命成像,多指数衰减,支持向量机,互相关原理,位移补偿法

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 西安理工大学

基金: 陕西省教育厅专项(编号:18JK0163),陕西省科技厅科学研究项目(编号:2019JM-171)

分类号: TP391.41;TN249

DOI: 10.27398/d.cnki.gxalu.2019.000023

总页数: 125

文件大小: 4399k

下载量: 73