基于面阵探测系统的扫描成像信息获取方式研究

为了实现对目标进行高信噪比、高时间分辨率的探测,近年来数字时间延迟积分技术(TDI)逐步应用于面阵探测系统。结合自行研制的CMOS探测器,搭建测试平台,对面阵探测系统的扫描成像方式进行深入研究。重点针对数字时间延迟积分技术(TDI)对面阵探测系统信噪比提高的分析,结合试验研究系统信噪比提高倍数与数字TDI级数M的关系,并对探测系统时间分辨率与数字TDI级数M的关系进行讨论。引入数字TDI及多帧叠加两种图像信息获取方式的对比,分别对特定目标获取图像的噪声特性及非均匀性对比分析。     

硅电荷耦合器件

一、引言在红外成像系统中,利用CCD的时间延迟积分(TDI)工作模式处理探测信号,可获得较高的信噪比和降低系统对探测器阵列均匀性的要求。TDI模式的简单原理如图1所示。相应视场中一点对探测器阵列作串联扫描,经延迟积分,对于几个探测器可得到     

TDI型红外探测器空间校正方法的设计与实现

时间延迟积分(TDI)型红外探测器作为第二代红外探测器,具有更高的温度灵敏度和更大的扫描成像视场.和面阵成像探测器相比,TDI型红外探测器必须在装置中加入扫描机构进行扫描成像,由于TDI型红外探测器光敏元在空间的位置交错排列,为了保证奇偶像元对同一目标成像,这就涉及到扫描方向与探测器奇偶像元空间匹配的问题.以480×6红外探测器为例,详细介绍了TDI型红外探测器光敏元的排列结构、工作方式以及空间校正的原理,给出了空间校正的算法和FPGA实现方法,并通过仿真和实验验证了方法的正确性.     

提高空间红外点目标探测系统探测能力的方法北大核心CSCD

点目标探测系统是探测与测量系统,要保证弱目标高信噪比并且可同时探测不同强度的目标,实现大动态范围高灵敏度探测。传统成像系统通过切换探测器积分电容和改变积分时间无法同时兼顾信噪比与动态范围。针对采用模拟TDI红外探测器的扫描型红外点目标探测系统,本文综合考虑弱目标与背景杂波的辐射强度,提出红外探测器采用TDI累加不平均输出方案,提高相机信噪比,以及图像信噪比,从而提高弱目标探测能力。同时提出TDI累加输出与单像元输出自动选择方案解决累加不平均方案带来的系统动态范围变小问题。结合观测图像需求,给出了探测系统输出响应归一化的方法,最后通过实验测试,验证了系统设计方法的正确性。     

红外点目标成像信噪比建模分析

点目标的探测是红外成像探测系统的重要课题。以点扩散函数作用下点源目标像的照度分布函数为基础,综合考虑像的照度分布与单元探测器的位置关系,结合探测器的光电转换原理,建立了红外焦平面探测器点源光信号到电信号的转换关系;并在此基础上结合探测器的噪声模型,建立了点源信噪比模型。仿真计算结果表明:点源目标的探测信噪比与光学系统点扩散函数、单元探测器尺寸、视线偏移密切相关。该研究可为点目标红外成像探测距离的精确估计提供理论支持。     

中波红外数字域640×8 TDI成像系统设计及验证

时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)探测器被广泛应用于弱光成像和航天遥感等领域,这种探测器能够在保持空间分辨率和平台运行速度的条件下有效提高探测器的等效积分时间,提高系统成像质量和探测率.近年来,红外数字域TDI探测器因具有动态范围大、积分级数连续可调和高帧频等优点而受到越来越多的关注和研究.通过对红外数字域TDI技术进行原理分析和数字系统设计,结合国产640×8中波红外数字域TDI探测器设计成像系统进行性能的分析及验证,重点研究了红外数字域TDI探测/成像系统的盲元补偿、非均匀校正、像元调整、时间延迟累加和过采样等关键技术,为未来红外数字域TDI探测器在空间遥感中的应用提供了技术支持.     

ASIC 技术在长线列TDI 红外探测器中的应用

针对长线列红外时间延迟积分(TDI, Time Delay Intergration)探测系统面临通道多、噪声大、体积大、质量重、功耗大等问题,提出了利用专用集成电路(ASIC, Application Specific Integrated Circuit)方法解决长线列红外TDI探测读出电路中面临的问题。通过实现由一款全定制ASIC芯片(8路红外信号调理芯片)和红外TDI探测器构建的红外探测扫描成像系统验证ASIC芯片可以解决长线列红外TDI探测系统中所面临的上述问题,整个系统噪声为1.42 mV,功耗为0.72 W。实现了读出电路的高集成化,减少设计复杂度和工作量,为微型化、小型化航天遥感卫星研发提供技术支持和实践基础。     

基于像素级辐射自校准的红外图像非均匀性校正改进方法

红外成像系统中一直存在着非均匀性的问题,针对红外大动态范围成像等任务对改变成像系统积分时间的需要,提出了一种利用像素级辐射自校正技术的可变积分时间的非均匀性校正方法。通过辐射自校正为红外探测器中的每个像元建立辐射响应方程以估计出场景的辐射通量图,利用线性校正模型对辐射通量图进行校正,实现任意积分时间下的非均匀性校正。该方法的有效性通过高分辨率碲镉汞红外探测器进行了验证。     

红外探测系统的非均匀性校正算法研究

多元红外探测器件对于相同入射辐照度的响应不一致,表现为输出图像的非均匀性。本文建立了多元探测器的非均匀性模型,总结了用于消除红外探测系统非均匀性的多种算法,介绍了它们的原理,并分析了它们的优缺点。     

开窗高帧频下红外面阵数字TDI实现方式研究

开窗功能是当前面阵红外探测器的一个重要功能,该功能的一个重要特点就是可以大幅度提高探测帧频。本文从理论上论述了高帧频对面阵数字TDI探测系统的影响,研究了高帧频数字TDI实现方式:(1)高帧频可以增加探测器系统扫描速度的上限;(2)在高帧频TDI的工作状态下更容易实现速度的匹配;(3)在扫描列数设定较高的情况下,高帧频数字TDI可以根据所开窗口像元的实际响应情况来选择TDI的起始列和级数,以选择质量较高的TDI图像。用国产中波红外探测器搭建了红外成像平台,进行了高帧频数字TDI成像实验,验证了高帧频数字TDI实现方式的可行性。     

基于时－空过采样系统的点目标检测性能分析

为了提高扫描成像系统对于点目标的探测性能,提出了时-空过采样点目标探测体制,并对其进行了目标检测性能分析。首先,分析了单采样体制在点目标探测中易存在跨像元导致的目标能量分散问题,以及探测器随机高强度噪声及空间质子流尖峰信号导致的虚警问题;然后,提出了用于点目标扫描探测的时-空过采样体制。最后,基于图像信噪比对相同光学系统下单采样和时-空过采样系统的目标检测性能进行了比较分析。分析结果表明,通过过采样方式能够实现目标能量集中到一个像元,保证了图像信噪比需求。通过高分辨率融合使得目标尺度大于噪声及尖峰的尺度,目标尺度最大扩展至3?3像元,基于目标空间相关的处理可以有效降低虚警,提升系统检测性能。     

远程运动点目标探测影响因素分析

红外系统实现远程探测,其影响因素很多,如运动点目标的特性,背景辐射,近场光学辐射,探测器的性能特性。本文从点源目标探测基本原理出发,以深空背景条件下探测大气层外的目标物为例,建立远程目标红外探测距离估算模型,分析了影响探测距离的相关因素,为远程红外系统的指标设计提供理论参考。     

地面点源中波红外探测建模与验证研究

红外系统在大范围内对异常热源点目标的探测需要平衡像元分辨率与温度灵敏度之间的关系。在探测器规模一定时，现有星载红外载荷存在幅宽大时灵敏度不够、空间分辨率高时幅宽小的问题。针对上述问题，本文提出利用时间延时积分（time delay intergration,TDI）算法处理图像的大视场异常点热源探测初步方案，在一定条件下，达到探测所需的温度灵敏度要求时，能做到217 km×122 km的理论幅宽。同时搭建了一套高灵敏度红外成像实验系统，开展了测试与模拟探测实验，结果表明本方案在实现202 km×114 km幅宽情况下，灵敏度性能约37 m K，满足大范围异常点热源探测的要求。考虑到目标和背景的太阳光反射率等问题，实际应用时取200 m像元分辨率，对应幅宽128 km×102 km。     

局部均匀背景中距离扩展目标的GLRT检测器及性能分析

在复合高斯杂波满足局部均匀的背景下,对均匀杂波分组模型进行推广,建立了广义杂波分组模型.进一步,利用广义似然比检验（GLRT）原理,提出了距离扩展目标的基于广义杂波分组的GLRT检测器（GCC-GLRT）,并推导了检测器虚警概率与检测门限关系的表达式.GCC-GLRT有效地解决了基于均匀杂波分组的GLRT检测器（CC-GLRT）在非均匀杂波分组背景下不具备CFAR特性的问题.仿真结果还表明,对于稀疏散射点目标,在合适的杂波分组情况下,GCC-GLRT能有效克服采用NSDD-GLRT检测器出现的“坍塌损失”,改善检测器的检测性能.     

光学投影系统对SPRITE探测器MTF测试的影响

ＳＰＲＩＴＥ探测器是一种三引极ｎ型的ＨｇＣｄＴｅ光电导探测器,具有焦平面上的时间延迟积分（ＴＤＩ）功能,用于串扫和串并扫热成像系统。用建立在线性滤波理论基础上的调制传递函数（ＭＴＦ）评价、测试ＳＰＲＩＴＥ探测器的空间分辨能力,已有不少研究论文报道,但都忽略了测试用光学投影系系统对探测器ＭＴＦ测试的影响。除了光学镜头的传递特性外,光学投影系统中所特有的扫描部件的运动效应也较大程度上影响着探测器ＭＴＦ     

非扫描激光主动成像系统性能分析

介绍了面阵非扫描型激光主动成像系统的原理、特点及影响其性能和成像距离的因素。对激光主动成像模型、ICCD探测器性能、灵敏度指标换算和目标识别性能进行了分析计算。依据入射辐照度和探测器辐照度灵敏度,建立了探测距离公式和入射辐照度需大于探测器辐照度灵敏度2倍的距离估算方法。采用808 nm波段激光进行的主动成像实验证明了理论分析的有效性。     

高性能TDI扫描式红外传感器读出电路研究

扫描式红外成像传感器在遥测遥感、卫星成像等远距离成像领域具有广泛的应用。为了缓解信噪比相对较低而影响图像质量的问题,提出了一种时间延时积分(TDI)型读出电路。该读出电路由电容跨阻放大器(CTIA)像素电路阵列、并行TDI电路、多路开关选择电路和输出缓冲器等组成。为实现对宽动态范围光电流的处理,CTIA电路设计有多档可选增益,且非线性度小于0.3%。该读出电路采用0.35 μm CMOS工艺设计与制造,芯片面积约为1.3 mm×20 mm,采用5 V电源时功耗小于60 mW。为了评估1024×3 TDI读出电路的功能,采用了对TDI输入端注入不同电压激励的方式进行测试,测试结果验证了所提出的设计方案。