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红外双波段景象仿真与测试系统的研究

作　者: 杨乐
导　师: 方伟; 孙强
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 红外双波段红外仿真衍射光学景象仿真器 MTF测试
分类号: TN215
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

红外双波段成像系统以其全天候环境适应和抗干扰能力，以及双波段信息量互补等特性，成为红外领域的研究热点。为了对红外双波段成像系统的性能进行准确的测试和评估，本文以红外光学及信号处理理论为基础，研制了DMD型红外双波段景象仿真器，研究了红外成像系统的性能特性和调制传递函数的测试方法，提出了基于系统参数模型的调制传递函数测试算法，开发了测试软件，实现了对长波红外系统、中波红外系统及长波/中波双波段红外系统的仿真评估和调制传递函数的快速测试。主要研究工作如下：1、利用数字微镜器件(DMD)的宽波段反射性质和谐衍射透镜独特的温度和色散特性，设计了一套基于数字微镜器件的消热差的3～5μm和8～12μm红外双波段景象投影和照明光学系统。探讨了红外双波段景象仿真器的投影和照明光学系统的设计方法，解决了大出瞳距、双波段复用的投影系统的像差校正问题和DMD的均匀照明问题，提高了分辨率和均匀性，采用无热化设计提高了系统的稳定性。2、采用频谱分析方法和线性系统理论，研究了光学成像过程，对采样成像系统的采样过程、插值输出及其包络进行了分析，求解了采样成像系统的采样插值调制传递函数。在空间域建立了红外成像系统的线性模型，由模型结构和参数可唯一地确定该光学成像系统。3、提出了基于系统模型的成像系统MTF测试算法，解决了传统方法在短数据序列情况下测试误差偏大的问题，为成像系统MTF测试提供了实用化的现场测试方法。使用小波多分辨率分析法去除图像中的趋势项，实现图像的自适应非均匀性校正，解决了现场测试中环境噪声的抑制问题。4、在VC++6.0环境下，利用微软的基本类库MFC和Windows文档/视图应用程序架构，采用面向对象的VC++和MATLAB混合程序设计，开发了MTF测试软件。景象仿真器与测试软件配合，实现了对红外双波段成像系统的仿真评估和调制传递函数的快速测试。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-24
  1.1 红外目标捕获系统发展概述  12-14
  1.2 红外仿真测试与景象仿真器  14-18
  1.3 红外成像系统的 MTF 测试  18-22
  1.4 论文的主要内容  22-24
第2章 DMD 型红外双波段景象仿真器  24-48
  2.1 DMD 型景象仿真器工作原理  24-25
  2.2 DMD 型景象仿真器系统组成  25-30
  2.3 红外双波段景象仿真器光学系统设计  30-44
    2.3.1 照明光学系统设计  31-34
    2.3.2 投影光学系统设计  34-44
  2.4 景象仿真器性能的理论分析  44-47
  2.5 小结  47-48
第3章红外成像系统的线性模型  48-72
  3.1 光学成像系统的频率分析  48-57
    3.1.1 光学成像系统的一般分析  48-51
    3.1.2 衍射受限的相干成像系统的频率响应  51-53
    3.1.3 衍射受限非相干成像系统的频率响应  53-55
    3.1.4 有像差系统的传递函数  55-57
  3.2 采样成像系统的信号传递函数  57-62
    3.2.1 离散采样成像系统  57-58
    3.2.2 采样插值过程分析  58-61
    3.2.3 采样插值调制传递函数  61-62
  3.3 有参线性模型的建立  62-70
    3.3.1 基于参数模型的 MTF 测试原理  62-66
    3.3.2 线性系统模型的确定  66-70
  3.4 小结  70-72
第4章基于参数模型的 MTF 测试算法  72-88
  4.1 MTF 测试算法的流程  72-75
  4.2 MTF 测试算法的实现  75-87
    4.2.1 基于小波变换的图像非均匀性校正  75-78
    4.2.2 预测误差滤波器的设计  78-85
    4.2.3 残差的功率谱估计  85-87
  4.3 小结  87-88
第5章红外成像系统的 MTF 测试软件  88-104
  5.1 软件开发环境  88-89
  5.2 主程序框架分析  89-91
  5.3 主要程序的实现  91-102
    5.3.1 绘图操作的实现  91-95
    5.3.2 有效区域选择对话框  95-98
    5.3.3 信号处理的 COM 组件及其调用  98-102
  5.4 小结  102-104
第6章景象仿真器的标定与红外成像系统的 MTF 测试  104-124
  6.1 景象仿真器的标定  104-110
  6.2 红外成像系统的 MTF 测试  110-118
  6.3 测试系统误差分析  118-123
    6.3.1 DMD 衍射的影响  118-121
    6.3.2 投影光学系统像差的影响  121
    6.3.3 噪声对建模的影响  121-123
  6.4 小结  123-124
第7章结论与展望  124-128
  7.1 论文的研究成果和创新性  124-125
  7.2 研究展望  125-128
参考文献  128-136
在学期间学术成果情况  136-138
指导教师及作者简介  138-140
致谢  140

红外双波段景象仿真与测试系统的研究

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