基于STM32和FPGA的激光甲烷检测系统设计

为了开发小型化的实用激光甲烷检测系统,设计了基于STM32单片机和FPGA的系统方案。FPGA实现系统中正交矢量锁相放大器和激光器调制驱动信号的产生。STM32负责半导体激光器温度控制,气体体积分数计算,通信接口等功能。设计的激光甲烷检测系统对4种标准甲烷气体进行了实际测试,在10%量程范围内示值误差不超过±0.2%。此方案可以作为激光气体检测系统的通用平台,实现对其他气体的测量。     

距离选通激光成像空间定位模糊C均值聚类分割法

针对距离选通激光成像对比度低、照度不均、图像模糊的特点,提出了一种基于空间定位的模糊C均值聚类方法（SPFCM）对目标进行分割。传统的模糊C均值聚类法存在以下缺点:一是需要预先获得目标分类数量,自适应性较差;二是对空间信息不敏感,导致目标轮廓不完整以及错误分类。针对上述缺陷,文中对传统算法进行了改进,引入了初定位的概念,首先利用最大类间方差法（Otsu 法）和数学形态学工具对子目标进行初步定位,再将其形心方位信息和灰度信息融合到聚类过程中,以较短的迭代过程实现不同目标的归类。实验结果证明基于空间定位的模糊C均值聚类法可以完整、有效地对距离选通激光图像进行提取分割,处理时间优于传统FCM。     

2D/3D 距离选通成像的低对比度目标探测

低对比度目标探测在司法取证、反恐维安、远距离监控、搜救等应用中具有重要意义,然而传统二维成像方法则难以对其有效探测。由此,提出了基于2D/3D 距离选通成像探测低对比度目标的方法:通过2D 距离选通成像直接获取目标无背景或背景部分滤除的二维选通图像,从而突显目标,简化目标提取图像处理;当复杂背景无法有效滤除时,可进一步通过3D 距离选通成像重建二维选通图像中丢失的三维空间信息,通过距离图区分目标与背景,实现目标有效探测。在该方法中,3D 距离选通成像是基于上述二维选通图像采用超分辨率三维成像反演实现的,因此无需耗时获取新数据,从而提高了实时性,并压缩了数据量。研究和实验表明:该方法可有效解决低对比度目标探测问题,在低照度及恶劣天气环境下均可有效工作。     

百皮秒级三维选通成像时序控制系统

为克服传统选通成像控制系统功能简单、结构单一、时序控制精度不高的不足,提出了一种基于FPGA和延时线应用技术的百ps级三维选通成像控制系统,其中,FPGA控制精度为10 ns,延时线精度高达150 ps。为提高系统的可操作性,设计了上位机界面程序,可灵活改变系统各控制参数。通过微控制器的程序设计,完成USB上下位机的通信和系统各部件的控制,通过FPGA硬件语言描述产生ns级时序粗调信号,延时线产生百ps级精调信号。另外增加了像增强器MCP增益控制和脉冲激光器功率控制,并对控制信息进行实时显示。实验室测试和整机实验均表明系统设计正确,USB传输稳定,可有效产生时序触发信号,并完成MCP增益、激光器功率控制,可稳定工作于三维选通成像等技术领域。