空间高灵敏度大动态范围微光成像技术研究
发布时间：2020-10-09 08:29
微光遥感技术可在低照度条件下获取目标可见近红外波段的特性,提供具有白天分辨率的夜间微光图像,打开了大量新的跨学科研究课题的大门。随着微光成像数据应用范围的拓展和应用领域的细分,高分辨率与大动态范围微光图像的需求越来越强烈,因此,对微光成像系统的性能提出了更高的要求,其中低噪声高灵敏度微光探测技术成为系统性能进一步提升所依赖的关键技术。sCMOS图像传感器在微光探测方面具有众多的优势,本课题以sCMOS图像传感器为基础,对低噪声探测技术、系统灵敏度提升与评估技术及数字域TDI微光成像技术展开了深入的研究。主要的研究内容及创新点包括:1)分析了sCMOS图像传感器微光成像系统的噪声特性,建立了相应的噪声模型,深入分析了系统带宽对信噪比的影响,仿真计算了最佳系统带宽;另外,研究了基于sCMOS图像传感器微光成像系统随机行条纹噪声的特点,分析了其产生的机理,结合探测器信号读出特点,提出空间域自适应随机行条纹噪声校正方法,取得了良好的校正效果;2)推导了成像系统逐像元转换增益计算方法,对计算过程引入的误差进行分析;在理论分析的基础上,采用单样本点和多样本点实测了每个像元的转换增益,结果表明多样本点结合最小二乘法能够提升像元转换增益的估计精度。对系统噪声特性进行了测试与分析,建立了系统信噪比模型,结合仿真与测试结果,研究了提升系统信噪比的方法。通过理论分析,说明在光学系统口径受限的情况下,实现信噪比的提升需要采用数字域TDI成像模式延长空间微光成像系统的积分时间。此外,针对夜天光条件下系统信噪比较难评估的问题,提出基于微光积分球绝对辐射定标完成系统信噪比计算的方法,该方法能够准确客观的评估微光成像系统在夜天光条件下的系统信噪比性能;3)分析了数字域TDI成像模式对图像传感器的需求,给出了适合工程应用的数字域TDI数据处理方法;测试并分析了数字域TDI微光成像系统的信号与噪声特性,研究了数字域TDI成像模式实现大动态范围空间微光成像的方法;对TDI成像模式导致系统成像质量退化的动态MTF参数进行分析,研究了MTF与积分级数和速度适配误差的关系,为数字域TDI成像系统设计与参数优化提供了依据;4)按照低噪声高灵敏微光探测理论及数字域TDI成像模式的工作方法,搭建了一套基于sCMOS图像传感器的微光成像系统,对系统噪声性能进行了测试,完成了微光成像实验及模拟推扫数字域TDI微光成像实验,成像实验结果表明,微光成像系统能够获取质量良好的微光图像,数字域TDI成像方法能够明显提高微光图像信噪比与动态范围,图像信噪比由未积分的5.04dB提高到积分级数为30的19.78dB,系统动态范围比传统方法提升了29.54dB。本课题基于sCMOS图像传感器研究了低噪声高灵敏成像技术,通过理论分析与实验验证,说明全局快门sCMOS图像传感器数字域TDI微光成像技术能满足高灵敏度大动态范围空间微光成像的需求,为设计与实现空间微光成像系统提供了新思路。论文最后对课题的进一步深入研究提出了几点建议。
【学位单位】：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
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;P237
【部分图文】：
第1章 引 言 微光遥感技术的应用背景遥感技术是通过非接触的方式获取目标的位置、形状或物化特征的时空信息，进而对目标进行识别、测量与特性分析，遥感的对象通常是地面标。自从 1960 年电视红外观测卫星（TIROS）提供了第一张空间对地电视画面”以来[1]，地球观测光谱辐射计主要依赖白天太阳反射光谱工作和晨昏时段等低照度条件下，因没有足够的反射光能量而无法成像，因测目标辐射的红外信号，虽然可获得很多独特且有价值的信息，但是红法不能区分温度及发射率相近的目标，且对微弱光的敏感度低，无法对行有效的监测。这种缺陷限制了人们观测目标夜间特性与相关参数的能想情况下，观测对象在白天和夜晚具有相同价值的信息。
图 1.2 全球夜晚灯光遥感影像Figure 1.2 Global light remote sensing imagery at nighttime（a）2011 年 3 月叙利亚夜光遥感影像 （b）2014 年 2 月叙利亚夜光遥感影像(a)Nighttime imagery of Syria in March 2011 (b)Nighttime imagery of Syria in February 2014
图 1.9 月光下烟雾的微光遥感影像igure 1.9 LLL remote sensing imagery of smoke in moonli测方面，利用星载微光成像仪获取地面夜间城市灯市灯光辐射强度与地面表层 PM2.5 质量浓度关系，，依据夜间城市灯光辐射强度可很好的反演出地表监测 PM2.5 质量浓度空间分布及改善城市夜间空气行性参考[5]。极光监测
本文编号：2833477
【学位单位】：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
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;P237
【部分图文】：
第1章 引 言 微光遥感技术的应用背景遥感技术是通过非接触的方式获取目标的位置、形状或物化特征的时空信息，进而对目标进行识别、测量与特性分析，遥感的对象通常是地面标。自从 1960 年电视红外观测卫星（TIROS）提供了第一张空间对地电视画面”以来[1]，地球观测光谱辐射计主要依赖白天太阳反射光谱工作和晨昏时段等低照度条件下，因没有足够的反射光能量而无法成像，因测目标辐射的红外信号，虽然可获得很多独特且有价值的信息，但是红法不能区分温度及发射率相近的目标，且对微弱光的敏感度低，无法对行有效的监测。这种缺陷限制了人们观测目标夜间特性与相关参数的能想情况下，观测对象在白天和夜晚具有相同价值的信息。
图 1.2 全球夜晚灯光遥感影像Figure 1.2 Global light remote sensing imagery at nighttime（a）2011 年 3 月叙利亚夜光遥感影像 （b）2014 年 2 月叙利亚夜光遥感影像(a)Nighttime imagery of Syria in March 2011 (b)Nighttime imagery of Syria in February 2014
图 1.9 月光下烟雾的微光遥感影像igure 1.9 LLL remote sensing imagery of smoke in moonli测方面，利用星载微光成像仪获取地面夜间城市灯市灯光辐射强度与地面表层 PM2.5 质量浓度关系，，依据夜间城市灯光辐射强度可很好的反演出地表监测 PM2.5 质量浓度空间分布及改善城市夜间空气行性参考[5]。极光监测
【参考文献】
相关期刊论文 前9条
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本文编号：2833477
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