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近红外星点目标成像系统噪声抑制方法研究

作　者: 魏伟
导　师: 刘恩海
学　校: 中国科学院研究生院（光电技术研究所）
专　业: 信号与信息处理
关键词: 白天星敏感器光谱滤波红外星图单点噪声条纹噪声
分类号: TN216
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

白天星敏感器技术是星敏感器技术的一个重要发展方向。研究白天星敏感器技术是将现有星敏感器推广应用于机载、舰载、弹载等多平台的前提和基础。以星点目标为探测对象，研究近红外波段成像系统，开展白天观星试验等工作，是研究白天星敏感器技术的一种有效方案和技术途径。本文围绕近红外星点目标成像系统中的一项关键技术——噪声抑制方法展开研究。对星点目标成像前和成像后两个阶段噪声的抑制方法进行了深入的研究，对于解决白天星敏感器中的关键问题具有重要意义。在星点目标成像前，对低噪声红外成像电路设计技术进行了研究。在理论分析的基础上，进行了低噪声CCD驱动电路和噪声抑制电路的设计，完成了CCD星相机的设计和室内成像实验。研究了红外星相机的噪声抑制技术，包括低噪声驱动电路、信号获取电路和制冷电路的设计技术、相机自带两点法非均匀性校正方法等。然后设计了外场观星试验方案，搭建了试验系统，完成了白天观星试验，采集了大量的红外星图，验证了试验方案的可行性和噪声抑制措施的有效性。星点目标成像后，针对红外星图中的单点噪声，提出了基于4领域和基于列向量扫描的单点噪声抑制方法；针对红外星图中的条纹噪声，提出了列直方图偏移校正（CHOC）和列均值偏移校正（CMOC）两种算法。并用外场实拍星图完成了对上述算法噪声抑制效果的验证，结果显示，去除单点噪声和条纹噪声后，星图质量得到了较大的改善，星图的星点目标峰值信噪比提高了近2倍。为进一步提高星点背景对比度，本文研究了多种背景滤波算法，在实验分析的基础上提出了一种适用于红外星图的wiener2_top-hat组合滤波方法。用模拟理想星图与外场观测星图叠加构成合成星图的方法，对文中算法的滤波效果进行验证，分析了星点目标峰值信噪比的变化和星点质心的偏移误差。分析的结果表明：文中序列算法处理后星图的峰值信噪比提高到了原始星图的3~4倍，星点质心偏移仅为1/30像素，算法具有较高的精度。本文围绕近红外星点目标成像系统的噪声抑制方法展开研究。分析了系统中各种噪声的特性和抑制方法，提出了具有针对性的解决思路和方案，在外场试验和星图处理实验中取得了良好的效果，为进一步开展近红外白天观星试验研究奠定了基础。

全文目录

致谢  3-5
摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-13
1 绪论  13-23
  1.1 课题研究背景和意义  13-15
  1.2 白天星敏感器国内外研究现状  15-21
    1.2.1 国外白天星敏感器研究现状  15-20
    1.2.2 国内白天星敏感器研究现状  20-21
  1.3 论文研究内容及章节安排  21-23
2 近红外星点目标成像系统噪声抑制基础理论  23-39
  2.1 近红外探测器噪声特性分析及抑制方法  24-32
    2.1.1 CCD 噪声特性及抑制方法  24-29
      2.1.1.1 CCD 噪声特性分析  24-27
      2.1.1.2 CCD 噪声抑制方法  27-28
      2.1.1.3 相关双采样  28-29
    2.1.2 IRFPA 噪声特性及抑制方法  29-32
      2.1.2.1 IRFPA 非均匀性及校正方法  29-31
      2.1.2.2 IRFPA 盲元检测与补偿  31-32
  2.2 星图噪声特性分析  32-36
    2.2.1 恒星与星图特性分析  32-34
    2.2.2 星点成像模型及质心定位方法  34-36
  2.3 近红外星点目标成像背景噪声特性分析及抑制方法  36-38
    2.3.1 天空背景特性分析  36-37
    2.3.2 背景噪声抑制方法  37-38
  2.4 本章小结  38-39
3 近红外星点目标成像系统低噪声电路设计技术研究  39-65
  3.1 低噪声 CCD 星相机电路设计技术  39-52
    3.1.1 CCD 探测器 FTT1010M  40-44
      3.1.1.1 FTT1010M 芯片简介  40-42
      3.1.1.2 FTT1010M 驱动电路设计要求  42-44
    3.1.2 FTT1010M 外围及驱动电路低噪声设计  44-47
      3.1.2.1 垂直及水平驱动电路设计  44-45
      3.1.2.2 外围电路及电源设计  45-47
    3.1.3 CCD 相机复位噪声抑制电路设计  47-50
      3.1.3.1 专用视频处理芯片电路设计  47-49
      3.1.3.2 专用视频处理芯片时序设计  49-50
    3.1.4 CCD 星相机噪声测试  50-52
  3.2 低噪声近红外相机电路设计技术研究  52-58
    3.2.1 近红外探测器性能指标  52-54
    3.2.2 近红外相机低噪声电路和制冷电路设计技术  54-57
      3.2.2.1 低噪声驱动电路和信号获取电路设计技术  55-56
      3.2.2.2 红外探测器制冷电路设计技术  56-57
    3.2.3 近红外相机集成的两点法非均匀性校正  57-58
  3.3 低噪声外场观星试验系统  58-64
    3.3.1 试验系统搭建  59-61
    3.3.2 试验系统噪声抑制技术的外场试验验证  61-63
    3.3.3 试验结果分析  63-64
  3.4 本章小结  64-65
4 红外星图中单点噪声的抑制算法研究  65-79
  4.1 红外星图中单点噪声的来源和特性分析  66-67
  4.2 单点噪声抑制算法研究  67-78
    4.2.1 基于 4 邻域的单点噪声抑制算法  68-74
      4.2.1.1 基于 4 邻域的单点噪声抑制算法检测判据与补偿方法  68-69
      4.2.1.2 基于 4 邻域的单点噪声抑制算法检测阈值  69-70
      4.2.1.3 基于 4 邻域的单点噪声抑制算法实验分析  70-74
    4.2.2 基于列向扫描的单点噪声抑制算法  74-78
      4.2.2.1 基于列向扫描的单点噪声检测判据与补偿方法  74-76
      4.2.2.2 基于列向扫描的单点噪声抑制算法检测阈值  76
      4.2.2.3 基于列向扫描的单点噪声抑制算法实验分析  76-78
  4.3 本章小结  78-79
5 红外星图中条纹噪声的抑制算法研究  79-95
  5.1 红外星图中条纹噪声的来源和特性分析  80-82
    5.1.1 条纹噪声来源  80-81
    5.1.2 条纹噪声特性分析  81-82
  5.2 条纹噪声抑制算法研究  82-87
    5.2.1 条纹噪声的列偏移校正模型  82-83
    5.2.2 列直方图偏移校正（CHOC）算法  83-85
    5.2.3 列均值偏移校正（CMOC）算法  85-87
  5.3 条纹噪声抑制算法实验验证  87-93
    5.3.1 红外星图中条纹噪声抑制实验  87-91
    5.3.2 条纹噪声抑制结果分析  91-93
  5.4 本章小结  93-95
6 红外星图中背景噪声的滤波算法研究  95-123
  6.1 红外星图背景噪声特性分析及其滤波的意义  95-97
  6.2 经典背景噪声滤波算法  97-111
    6.2.1 形态学滤波  97-105
      6.2.1.1 数学形态学算子  98-100
      6.2.1.2 灰度形态学  100-101
      6.2.1.3 结构元素  101-102
      6.2.1.4 形态学滤波用于星图背景滤波  102-105
    6.2.2 维纳滤波  105-109
      6.2.2.1 二维自适应维纳滤波（wiener2）  105-107
      6.2.2.2 wiener2 用于红外星图背景噪声滤波  107-109
    6.2.3 其它滤波算法  109-111
  6.3 WIENER2 与 TOP-HAT 组合滤波算法  111-116
    6.3.1 星图噪声抑制流程介绍  111-112
    6.3.2 实验结果分析  112-116
  6.4 噪声抑制算法质心定位精度评价  116-120
    6.4.1 合成星图生成方法  116-118
    6.4.2 合成星图星点质心定位精度分析  118-120
  6.5 本章小结  120-123
7 总结与展望  123-127
  7.1 论文主要工作  123-124
  7.2 本文主要成果及创新点  124-125
  7.3 下一步工作展望  125-127
参考文献  127-131
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果  131-132

近红外星点目标成像系统噪声抑制方法研究

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