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红外成像电子学理论及其关键技术研究

作　者: 屈惠明
导　师: 陈钱
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 红外焦平面阵列非均匀性校正无效像元检测微扫描对比度增强二元非线性环境温度补偿多温度匹配插值重建混淆效应
分类号: TN211
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

红外成像技术已经成为当今世界发达国家大力发展的军民两用新兴高科技之一；尽管红外成像技术的研究近年来取得了很大进步，但是红外成像还存在一些共性问题限制着成像质量的提高：一是红外成像受到红外焦平面阵列探测器非均匀性及无效像元的影响，实际温度分辨率不高；第二，红外成像受到材料和制作工艺的限制，阵列规模不大，像元尺寸不够小，红外焦平面阵列空间采样频率不能达到红外成像系统尼奎斯特频率，形成混淆效应，导致红外成像空间分辨率低；第三，红外成像普遍存在图像对比度低、灰度范围窄的现象。红外成像的这些不足有待于从基本理论及成像原理上进行分析突破，建立更加精确的理论模型，对产生这些现象的机理进行准确的描述，进而提出更好的解决方法，这正是本文研究的目的。本论文就是从分析红外成像的共性问题入手，通过对红外成像机理和红外焦平面阵列探测器材料、器件的光电响应原理以及系统固有缺陷产生机理的理论分析和实验研究，建立了一系列新的红外成像电子学理论模型。这些理论模型包括：基于目标场景和环境辐射的红外焦平面阵列的二元非线性的非均匀性理论模型、红外焦平面阵列探测器响应的统计特征理论模型和红外焦平面阵列二维微扫描成像消除混淆效应理论模型。通过大量实验测试、仿真和数理统计学假设检验理论的x~2检验法验证了这些模型。根据这些理论模型，研究提出了几项红外成像电子学处理新方法和关键技术。它们有基于环境温度补偿的非均匀性校正技术，该方法不仅解决了红外焦平面阵列探测器响应特性的非线性带来的校正精度不高的问题，还可以消除红外焦平面探测器响应随使用环境温度变化的影响；基于多温度匹配的红外焦平面阵列无效像元检测技术，它能有效的避免无效像元的漏检和误判，提高检测精度；非均匀性校正精度的提高，无效像元的准确检测与补偿，可以提高红外成像系统的温度分辨率。微扫描的插值重建可以消除红外焦平面阵列探测器成像因欠采样产生的混淆效应，在探测器阵列规模和像元尺寸不变的情况下，提高红外成像的空间分辨率。还有自适应红外图像直方图分段修正技术和基于无效灰度剔除的红外成像对比度增强技术，它们通过红外图像灰度直方图的统计分析自适应地剔除红外图像中的无效灰度级，再将有效灰度级均匀地映射到整个灰度范围，从而增强相邻灰度像数的对比度，扩大整个红外图像的灰度动态范围，增强对比度。为了更好的了解红外焦平面阵列探测器性能参数，以便有的放矢地进行成像电子学处理算法研究和红外成像系统设计，研究了红外焦平面阵列探测器性能参数测试技术，构建了多模式红外焦平面阵列探测器性能参数测试评估系统。为了直观地评价红外成像电子学处理技术的成像效果，给红外成像系统的设计仿真、验证、修改到定型提供方便快捷的手段，研究了红外成像电子学处理算法动态仿真技术，设计并建立了基于虚拟仪器的红外成像电子学处理算法成像演示系统。本文建立了较完整的红外成像电子学理论模型，提出了提高红外成像温度和空间分辨率以及扩展红外成像灰度动态范围的几项关键技术，研究开发了红外焦平面探测器性能参数测试评估和红外成像电子学处理技术成像演示技术与系统。在此基础上，通过大量的试验测试、仿真和理论计算，验证了本论文建立的理论模型。对本文提出的红外成像电子学关键技术：基于环境温度补偿的非均匀性校正技术、基于多温度匹配的无效像元检测技术、自适应红外图像直方图分段修正技术和基于无效灰度剔除的红外图像对比度增强技术等，一一与现有的技术进行了比较试验测试和仿真。测试数据的定量评估和仿真结果的定性评估都表明本文提出的新技术与现有技术比较具有一定的优势。这些新技术还应用到进口凝视非致冷红外焦平面阵列探测器和国产扫描型致冷红外焦平面阵列探测器成像，得到了满意的成像效果，展示了这些关键技术对解决红外成像存在的三大共性问题具有一定的应用价值。文章最后结合本文研究的不足之处给出了今后研究方向和红外成像电子学研究展望。本文红外成像电子学理论及其关键技术研究为我国研制高水平的红外成像电子学组件和高性能的红外成像系统打下了理论基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-12
1 绪论  12-26
  1.1 红外成像技术的发展概述  12-16
  1.2 红外成像电子学研究基础与本文研究方向  16-19
  1.3 论文的研究背景与创新点  19-20
  1.4 论文主要研究工作和取得的成果  20-23
  参考文献  23-26
2 红外成像电子学理论研究  26-58
  2.1 引言  26
  2.2 红外成像基本理论  26-30
    2.2.1 红外辐射特性与辐射定律  26-28
    2.2.2 红外辐射在大气中的传输  28-29
    2.2.3 红外光学系统  29-30
  2.3 红外焦平面阵列探测器非均匀性理论模型建立  30-37
    2.3.1 红外焦平面探测器响应“S”型曲线模型  31-34
    2.3.2 红外焦平面阵列二元非线性的非均匀性理论模型  34-37
  2.4 红外焦平面阵列无效像元理论模型建立  37-41
    2.4.1 无效像元的形成机理  37-38
    2.4.2 红外焦平面阵列探测器响应统计特征模型  38-41
  2.5 红外焦平面阵列微扫描成像理论模型  41-54
    2.5.1 红外成像微扫描方案  42-46
    2.5.2 微扫描消除混淆效应理论模型建立  46-54
  2.6 本章小结  54-55
  参考文献  55-58
3 红外成像电子学关键技术研究  58-105
  3.1 引言  58
  3.2 红外焦平面阵列探测器参数测试评估技术研究  58-66
    3.2.1 红外焦平面阵列探测器性能参数测试原理  59-60
    3.2.2 红外焦平面阵列探测器性能参数测试平台  60-62
    3.2.3 测试方法及结果分析  62-66
  3.3 红外成像电子学处理算法动态仿真技术研究  66-71
    3.3.1 红外成像电子学处理算法动态仿真技术硬件  67-68
    3.3.2 红外成像电子学处理算法动态仿真技术软件  68-70
    3.3.3 红外成像电子学处理算法动态仿真技术应用  70-71
  3.4 红外焦平面阵列探测器非均匀性校正技术研究  71-86
    3.4.1 现有非均匀性校正技术  72-80
    3.4.2 基于环境温度补偿的非均匀性校正技术研究  80-86
  3.5 红外焦平面阵列探测器无效像元检测技术研究  86-93
    3.5.1 已有的无效像元检测技术  86-90
    3.5.2 基于多温度匹配的无效像元检测技术研究  90-93
  3.6 自适应红外成像对比度增强技术研究  93-100
    3.6.1 自适应红外图像直方图分段修正技术研究  94-97
    3.6.2 基于无效灰度剔除的红外成像对比度增强研究  97-100
  3.7 本章小结  100-101
  参考文献  101-105
4 理论模型验证和关键技术评估  105-129
  4.1 引言  105
  4.2 二元非线性的非均匀性理论模型验证  105-108
  4.3 红外焦平面阵列探测器响应统计特征理论模型验证  108-112
  4.4 微扫描消除混淆效应理论模型验证  112-113
  4.5 基于环境温度补偿的非均匀性校正技术评估  113-118
  4.6 基于多温度匹配的无效像元检测技术评估  118-120
  4.7 自适应红外成像对比度增强技术评估  120-124
  4.8 红外成像电子学关键技术应用  124-125
  4.9 本章小结  125-127
  参考文献  127-129
5 结束语  129-132
  5.1 论文结论  129-131
  5.2 研究展望  131-132
致谢  132-133
附录A:读博士期间发表的学术论文  133-134
附录B:读博士期间取得的研究成果与获奖情况  134

红外成像电子学理论及其关键技术研究

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