空间面阵凝视型探测系统高灵敏度探测方法研究

发布时间：2017-03-21 14:00

  本文关键词：空间面阵凝视型探测系统高灵敏度探测方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：进行空间凝视成像探测可以实现对目标的长时凝视跟踪观测,对于危险目标的及时探测和预报具有重要的意义。本文从天基红外面阵探测系统的应用出发,结合点目标的成像特性,对相机的高灵敏度目标探测应用展开研究。由于红外弱小目标在探测器像面上的成像信号与背景的对比度小,容易受噪声的干扰,本文深入分析了整个凝视成像系统的噪声特性,给出不同噪声在多帧累加中的影响。并从信噪比的角度出发进一步分析了噪声在不同探测器增益下的变化关系,给出了不同探测器增益对为提高点目标的探测灵敏度影响,为不同增益的高灵敏度目标探测应用提供理论基础。考虑目标在像面上的能量分布和运动特性对目标的检测和定位的影响,本文对同步轨道的凝视相机的点目标成像过程进行建模,深入分析了点目标在像面上运动过程中,其存在的跨像元特性对目能量起伏的影响,特别是目标的定位精度的影响;并进一步从探测器的角度出发,分析探测器在不同填充因子下对目标成像特性的影响。由于影响弱小目标探测最主要的因素为目标在像面上的成像信噪比,本文从点目标的概率模型出发,给出了为实现稳定目标检测对系统信噪比的要求,进一步分析探测器非均匀性和盲元对目标探测灵敏度的影响。并从点目标的成像特性出发提出基于能量集中的目标点目标检测算法。最后从提高目标探测灵敏的角度出发,进行了盲元规避的数字TDI的方法研究;并根据系统的噪声特性,分析多帧累加技术在提高系统信噪比方面的能力,结合探测器开窗具有高帧频的特性,提出基于探测器局部开窗技术的点目标实时探测跟踪的方法,并对其在信噪比和点目标定位精度方面的作用进行分析。为验证多帧累加在天基小口径弱小目标探测方面的性能提升,本文设计了一套相应的地面成像系统,建立了同步轨道180mm口径红外相机在短波探测波段内对大气层上空10000W/Sr点目标进行探测的地面等效模型,给出了测试结果;最后对局部开窗的实时点目标探测和跟踪进行了实验验证。本文通过充分分析凝视成像系统的点目标成像特性,明确点目标探测中的影响因素,为进行高灵敏度的点目标探测提供理论和实验参考。
【关键词】：凝视探测系统 信噪比 点目标探测 探测器开窗 点扩散函数
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN215
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 引言11-23
• 1.1 课题背景和意义11-12
• 1.2 国内外发展现状12-21
• 1.2.1 红外凝视型面阵系统的空间应用12-15
• 1.2.2 提高系统灵敏度的方法15-19
• 1.2.3 目标检测算法19-21
• 1.3 课题研究内容及其安排21-23
• 1.3.1 章节安排21-22
• 1.3.2 创新点22-23
• 2 空间凝视成像系统分析23-61
• 2.1 同步轨道凝视成像模型23-31
• 2.1.1 点目标成像模型24-27
• 2.1.2 凝视成像系统传函分析27-31
• 2.2 点目标成像的仿真建模31-32
• 2.3 点目标的跨像元特性分析32-40
• 2.3.1 跨像元特性对点目标成像总能量的影响33-35
• 2.3.2 跨像元特性对点目标峰值能量比例的影响35-36
• 2.3.3 跨像元特性对点目标定位精度的影响36-40
• 2.4 探测器填充因子对点目标成像探测的影响40-44
• 2.4.1 填充因子对点目标成像总能量值的影响40-41
• 2.4.2 填充因子对点目标峰值能量比例的影响41-42
• 2.4.3 填充因子对点目标定位精度的影响42-44
• 2.5 探测系统空间分辨率对探测灵敏度的影响44-45
• 2.6 凝视型成像系统噪声分析45-60
• 2.6.1 探测器噪声分析46-47
• 2.6.2 读出电路噪声分析47-50
• 2.6.3 信号调理电路噪声分析50-53
• 2.6.4 AD量化噪声53-54
• 2.6.5 多帧累加提高系统信噪比54-56
• 2.6.6 不同探测器增益的探测灵敏度分析56-60
• 2.7 本章小结60-61
• 3 高灵敏度目标探测关键技术分析61-105
• 3.1 弱小目标检测模型及其影响因素61-75
• 3.1.1 点目标场景模型61
• 3.1.2 点目标检测概率的理论模型分析61-65
• 3.1.3 非均匀性对目标检测性能影响的分析65-69
• 3.1.4 盲元对点目标检测性能影响的分析69-75
• 3.2 图像预处理技术75-78
• 3.2.1 背景去除75-76
• 3.2.2 非均匀性校正76-78
• 3.2.3 盲元定位和补偿78
• 3.3 点目标的实时检测和跟踪技术78-86
• 3.3.1 单帧点目标实时探测技术78-84
• 3.3.2 点目标实时跟踪技术84-86
• 3.4 提高点目标探测灵敏度的方法86-104
• 3.4.1 红外数字TDI技术86-96
• 3.4.2 探测器开窗高帧频成像96-102
• 3.4.3 高速AD多次采样对灵敏度的影响分析102-104
• 3.5 本章小结104-105
• 4 高灵敏度地面成像系统方案设计105-129
• 4.1 光学系统设计105-107
• 4.2 探测器简介107-108
• 4.3 高速低噪信息采集系统设计108-128
• 4.3.1 系统电源和探测器偏压设计109-114
• 4.3.2 FPGA驱动设计114-116
• 4.3.3 低噪声信号调理电路设计116-119
• 4.3.4 实时数据处理119-124
• 4.3.5 数据传输和采集系统设计124-128
• 4.4 本章小结128-129
• 5 高灵敏度系统性能测试及成像129-157
• 5.1 成像系统响应及噪声测试129-130
• 5.2 成像系统带宽分析130-139
• 5.2.1 电子学系统带宽130-133
• 5.2.2 成像系统点扩散函数分析133-139
• 5.3 系统非均匀性139-144
• 5.3.1 成像渐晕140
• 5.3.2 探测系统非均匀性140-142
• 5.3.3 非均匀校正前后噪声特性142-144
• 5.4 高灵敏度点目标成像及探测结果分析144-156
• 5.4.1 同步轨道短波高灵敏度探测地面等效缩比实验144-149
• 5.4.2 中波开窗高灵敏度目标实时探测跟踪149-156
• 5.5 本章小结156-157
• 6 总结和展望157-159
• 6.1 总结157
• 6.2 展望157-159
• 参考文献159-163
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果163

【参考文献】

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