基于低秩近似的宽幅高灵敏度热红外成像技术研究

发布时间：2020-05-27 13:08

【摘要】：热红外遥感技术可以获取场景的热量分布,在环境调查、安防监控等诸多领域有广泛应用。但是在海水表面温度精细探查这类场合中,由于成像系统各项性能指标间的约束关系,目前还无法有效满足其应用需求。因此为实现强背景下弱小温差信号的大范围有效探测,需要考虑从其他方面解决此问题。在红外遥感的成像过程中可以获取大量数据,通常也包含了大量噪声与冗余性。而在数据处理方面,低秩矩阵近似理论旨在从冗余的数据中剔除噪声从而恢复真实数据,该目的恰与红外遥感数据的特点一致。因此本课题将低秩去噪模型与面阵摆扫成像方式相结合,提出一种宽幅高灵敏度的热红外成像技术。首先分析低秩矩阵近似的理论模型及其在去噪领域的适用条件,在此基础上设计成像方案与完整的数据处理流程,随后依据方案研制成像系统并研究相关控制方法,最后进行系统的性能测试分析与遥感实验验证。获得了如下研究成果:(1)针对强背景弱信号场景中热红外图像信息的有效获取问题,提出将低秩去噪模型与面阵扫描成像方式相结合,在不增加探测器成本与冷光学设计的条件下,利用高冗余度的数据作为切入点进行去噪,获得了较高的去噪性能。(2)为扩大成像幅宽,将有序运动方向设定为翼展扫描方向,即利用面阵摆扫成像技术,将翼展方向上不同像元所获取的时间序列作为观测矩阵的列向量,最终通过低秩去噪模型重构出翼展方向的宽幅序列图像。(3)在实际遥感成像过程中,一个扫描行内的多帧宽幅图像间存在亚像素级整体偏移,利用这种偏移关系进行序列图像的超分辨率重建,从而在原有基础上提高了图像质量,弥补了低秩去噪后空间分辨率下降的不足。(4)设计实现了一套完整的宽幅高灵敏度热红外成像系统,可以在隔离飞行姿态扰动的同时进行稳定的摆扫成像,并能够自适应的进行前向“一”字运动补偿。最终获得了55°成像幅宽以及低于10mK的系统噪声等效温差,结合实际遥感飞行实验,验证了宽幅高灵敏度热红外成像探测的可行性。
【图文】：

示意图,红外,示意图

研究人员为获取更高质量的图像发展出诸多方法与理论，而其中合信息处理与成像系统的学科融合也逐渐成为一项新的研究方向。1.1 课题研究背景与意义一般我们将电磁波长在 0.75~1000μm 的谱段称为红外谱段，并划分为近外（0.75~1.4μm）、短波红外（1.4~3μm）、中波红外（3~8μm）、长波红外（8~15μm和远红外（15~1000μm）的五个子谱段[3]。由于大气的散射、吸收与反射，，仅部分波长的能量以较大比重穿过大气层，即存在红外大气透过窗口，如图 1.1 示。其中 8~14μm 与 3~5μm 的窗口范围分别对应了常温物体与高温物体自身辐射能量的波长，因此在这两个工作波段的成像也被称为热红外成像[3]，它可感知场景的热量分布、获取目标的温度场、进行热制图等。具体对于常温目标热红外遥感，目前已经在植被分析、土壤湿度研究、地表特征识别、城市热岛应、海冰监控等诸多场合有广泛应用[4]。

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平面阵列（Focal Plane Array, FPA）探测器，并通过铟柱互连等技术将读出电路与像元阵列相结合，其中 HgCdTe 光伏型探测器与量子阱（QuantumWellInfraredPhotoconductor, QWIP）探测器便具备长波红外探测能力；第三代探测器是目前主流产品，其典型特征是新材料与多功能的不断出现，比如具有多谱段同时响应的多色探测器，具有宽波段响应可调的二型超晶格（Type-IISuperlatticem,T2SL）探测器，以及 HgCdTe 与 QWIP 探测器性能的不断提高，归纳有[16-19]：1) 紧跟摩尔定律发展，阵列规模达到兆级，并不断减小像元尺寸控制总面积；2) 帧速率增加，响应速度提高，实现对高速动态场景信号的准确捕捉；3) 提高探测器响应率并改善像元一致性，实现高灵敏度与宽动态范围；4) 多色与使用材料的新型探测器不断发展，适应更复杂的应用环境；5) 集成更多的片上扩展功能，实现智能化并降低成本与功耗。而目前第四代探测器的划分界限比较模糊，但在可以预计的将来红外探测器将在光谱范围、偏振、极化以及动态范围上具有更加突出的特性。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP722.5;TP751

【参考文献】