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.     

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.     

TDI型红外探测器在机载侦察设备中的应用

TDI型红外探测器作为第二代红外探测器,具有比其他类型传感器更高的温度灵敏度,可适应更大的扫描成像视场.将TDI型红外探测器应用于机载侦察系统,即能实现大扫描视场、高空间分辨率的图像要求,又能在适应较快飞行速度的情况下,保持较高的温度灵敏度.为保证缩短飞机的滞空时间提供了技术支持.     

红外热成像系统应用于反潜探测的分析

大面阵、高灵敏度的红外焦平面探测器技术的逐步成熟为红外热成像系统进行反潜探测的设想的可行性提供了保证，理论计算和分析表明：采用焦平面探测器的红外热成像系统可以在一定距离上分辨海面海水的细小温度差异，并可在高帧频下快速扫描大范围的海面，在反潜探测中有较好的应用前景。     

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。     

512×8中波TDI红外探测器成像系统设计

针对TDI型红外探测在各个领域的重要作用,设计并实现了一个中波TDI红外扫描成像系统。该扫描成像系统采用国产512×8元线列MCT(碲镉汞)焦平面列阵、自行研制的光学系统和一维角度扫描系统。当探测器在300K黑体的照射下,积分时间为500 s时,整个成像系统的平均噪声等效温差(NETD)约为0.3K。实验结果表明该系统能够满足设计要求。     

线阵TDI探测器成像中扫描速度偏差影响

线阵TDI探测器同步脉冲周期与扫描速度不匹配,会降低航空相机总体光学传递函数水平。分析扫描速度偏差与系统调制传递函数间关系,可为扫描系统设计与调试提供有效的评价准则。以某航空相机为例,介绍了线阵TDI探测器扫描成像原理,给出由扫描速度偏差计算系统运动光学传递函数的算法,并通过数值计算方法分析了扫描速度偏差对系统调制传递函数影响。实验结果表明,使用统计方法得到的系统运动调制传递函数计算结果与实际测量结果的误差在5%以内,可有效用于评价扫描速度偏差对运动调制传递函数影响。     

基于像方摆扫的空间红外双波段光学系统设计

红外探测器的尺寸是制约光学系统大幅宽成像的重要因素,选择合适的光学系统结构和成像方式,则可以规避探测器的限制。文中提出了一种像方摆扫成像模式,基于成熟的常规尺寸红外面阵探测器,采用多帧图像拼接的方式,满足了光学系统的大幅宽成像要求。鉴于像方摆扫需要在平行光路中进行,在两反无焦系统的基础上,研究了三反无焦系统的设计方法,给出了初始结构的计算公式。光学系统总体上分为前置的无焦压缩系统、扫描摆镜、成像组。其中,扫描摆镜位于平行光路中的出瞳位置,采用视场分光的方式分别实现中波红外和长波红外成像,通过仿真分析,光学系统的冷反射得到有效抑制,MTF 接近衍射极限。     

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。     

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     

基于数字TDI技术的紫外成像系统的设计

为了实现高灵敏度紫外探测,基于600×500元紫外电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD) 图像传感器,创新性地运用软件开窗技术设计了一种基于数字时间延迟积分(Time Delay Integration, TDI)的 紫外成像系统。具体分析了成像系统的噪声来源以及TDI阶数M对成像系统信噪比的影响,并从理论上分析了 采用M阶数字TDI技术对成像系统信噪比的影响。然后详细介绍了在FPGA内部实现数字TDI算法的情况,并给 出了数据采集系统中的上位机交互流程。实验结果表明,基于数字TDI技术的紫外成像系统可以获得较 高的图像对比度和信噪比以及优良的成像质量。     

基于成像时刻校准的混合域TDICMOS成像技术研究

随着航天遥感领域超高分辨率成像电子学中行频的不断提升，一个积分时间内光生电荷数量逐渐减少，弱光成像能力有所下降，电子学中需要采用增大时间延迟积分级数的方法弥补能量的不足。传统数字域累加探测器有着引入过多噪声与帧频受限的多项弊端，而电荷域探测器的超大级数累加会带来电荷转移效率的下降和图像的混叠。基于此，文章在采用低功耗、高集成度TDICMOS基础上，提出了一种基于电荷域和数字域混合的新型累加方式，并对影响弱光成像像质水平的主要指标进行分析。随后针对混合域累加方式下多感光单元间的像质退化，提出一种基于图像配准的成像时刻校准方法，通过多片感光单元间隔测量和成像时刻时序微调有效改善了大积分级数电荷运动与景物运动的失配程度。最后通过滚筒测试验证了成像时刻校准方法的有效性，通过性能测试验证了混合域成像在弱光照下探测能力的提升。结果表明，文中所提方法有效地解决了TDI型探测器的主要瓶颈，为超高分辨率遥感相机提供了有效的解决方案。     

DMD高帧频景像仿真系统驱动技术研究

基于数字微镜器件(DMD)构建的高帧频景像仿真系统,可以实现可见光和红外波段高帧频探测系统的功能和性能测试,其驱动技术是整个仿真系统的核心.以FPGA为核心,结合DMD的硬件特性和改进的PWM调制方法,完成DMD控制系统驱动设计,实现PCIe高速数据传输、DDR3数据存取以及DMD高帧频灰度图像显示,同时,利用WinDriver完成上位机PCIe驱动设计.通过实验验证,该驱动技术能够实现仿真系统以1 000 Hz高帧频显示8 bit灰度图像,满足高帧频探测系统测试需求,并可广泛应用于可见光和红外波段高帧频景像仿真系统的构建.     

甚高灵敏度红外探测器读出电路实现方法研究

随着红外焦平面技术的不断发展,红外焦平面探测器应用领域越来越广泛,这对红外焦平面探测器灵敏度提出更高的要求。本文首先分析了传统TDI型读出电路的降噪原理,通过仿真、测试及理论分析论述了传统TDI型读出电路提高红外探测器灵敏度的局限性,并计算出传统TDI型红外探测器所能实现的最优NETD值为4.19 mK。随后分析了像素级数字化TDI型读出电路的噪声来源及如何降低各类噪声,通过仿真结果结合理论计算得出像素级数字化TDI型红外探测器在应用32级TDI时NETD可达到亚毫K级,能够实现甚高灵敏度红外探测器的需求。     

采用APD单光子阵列读出集成电路的红外测距技术

红外单光子探测因其超高的检测灵敏度和信噪比，有效提升了弱光检测系统的性能水平。基于TSMC 0.35m CMOS工艺，提出了一种阵列型数字式红外读出电路及其应用系统的设计方法。采用由OSC多相时钟构成的低段全局共享TDC和高段像素独享TDC的两段式阵列结构，在170 MHz时钟频率下，实测获得了小于1 ns的时间分辨率和3s的量程，并在1 kHz的帧率下采用串行模式输出数据，经相关数据处理，最终实现测距轮廓成像的功能。     

基于时域信噪比的红外弱小目标检测

复杂背景下红外弱小目标检测与追踪技术一直是遥感成像应用领域一项复杂而艰巨的课题。利用高帧频红外面阵成像系统采集到图像的强帧间相关性特征,设计了一种多帧累加的时域信噪比的弱小目标检测方案。同时利用目标运动的连续性,采用多帧确认的方法关联目标,输出真实目标运动轨迹。实验结果表明,算法在vs2013上运行的平均运算时间为23 ms,检测到的目标最低信噪比为2.91,同时对多目标的检测具有较强的适应性。     

基于FPGA的高灵敏红外相机实时数据处理系统的设计

为满足红外相机的高灵敏度、实时性、小型化和集成化要求,采用384×288长波 红外焦平面探测器的四通道输出模式,以Altera的cyclone3系列芯片作为主控制器,并利用1块4 M大小的SRAM和 一块4 M大小的flash为辅助,设计了一套基于FPGA的图像数据处理系统。该系统通过指令控制能对图像背景进行 采集与消除、细分采样叠加和数字TDI处理等。该系统还具有推扫和凝视功能,由Verilog语言实现,可移植性强。 实验结果表明,该系统能够代替上位机对图像进行实时处理,得到高灵敏度的清晰图像。     

基于改进候选区域网络的红外飞机检测

为较好地解决防空武器成像系统对空中红外飞机的检测问题。首先简要地概括了卷积神经网络的兴起和应用,其次在引入基于深度学习的目标检测模型Faster R-CNN的基础上,详细地介绍了经典K-means聚类算法的工作原理、实现流程、存在的弊端以及该算法的主要改进手段,并利用K-means聚类算法对Faster R-CNN锚点框的生成方式进行了改进。最后在CAFFE框架平台下进行了多次仿真实验,测试集来源于自建的专用于空中红外飞机检测任务的数据集,实验结果表明本文采用的改进手段可以在保证较高平均准确率AP的同时提高检测速度,并且给出了最适用于本文自建数据集利用聚类算法的k值。     

数字化红外焦平面噪声分析研究

基于自行设计的TDI线列红外焦平面数字化读出电路,设计一款带有驱动IRFPA器件和数字化数据采集功能的红外焦平面测试系统,分别进行数字化线列读出电路电注入方式、中波红外焦平面和长波红外焦平面的噪声分析以及红外探测器比较关心的NETD的分析,并对积分时间、焦平面阵列注入区和偏置电压对红外探测性能的影响做了区分论证。