發(fā)布時間：2020-10-09 08:29

　　 微光遙感技術(shù)可在低照度條件下獲取目標可見近紅外波段的特性,提供具有白天分辨率的夜間微光圖像,打開了大量新的跨學(xué)科研究課題的大門。隨著微光成像數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍的拓展和應(yīng)用領(lǐng)域的細分,高分辨率與大動態(tài)范圍微光圖像的需求越來越強烈,因此,對微光成像系統(tǒng)的性能提出了更高的要求,其中低噪聲高靈敏度微光探測技術(shù)成為系統(tǒng)性能進一步提升所依賴的關(guān)鍵技術(shù)。sCMOS圖像傳感器在微光探測方面具有眾多的優(yōu)勢,本課題以sCMOS圖像傳感器為基礎(chǔ),對低噪聲探測技術(shù)、系統(tǒng)靈敏度提升與評估技術(shù)及數(shù)字域TDI微光成像技術(shù)展開了深入的研究。主要的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點包括:1)分析了sCMOS圖像傳感器微光成像系統(tǒng)的噪聲特性,建立了相應(yīng)的噪聲模型,深入分析了系統(tǒng)帶寬對信噪比的影響,仿真計算了最佳系統(tǒng)帶寬;另外,研究了基于sCMOS圖像傳感器微光成像系統(tǒng)隨機行條紋噪聲的特點,分析了其產(chǎn)生的機理,結(jié)合探測器信號讀出特點,提出空間域自適應(yīng)隨機行條紋噪聲校正方法,取得了良好的校正效果;2)推導(dǎo)了成像系統(tǒng)逐像元轉(zhuǎn)換增益計算方法,對計算過程引入的誤差進行分析;在理論分析的基礎(chǔ)上,采用單樣本點和多樣本點實測了每個像元的轉(zhuǎn)換增益,結(jié)果表明多樣本點結(jié)合最小二乘法能夠提升像元轉(zhuǎn)換增益的估計精度。對系統(tǒng)噪聲特性進行了測試與分析,建立了系統(tǒng)信噪比模型,結(jié)合仿真與測試結(jié)果,研究了提升系統(tǒng)信噪比的方法。通過理論分析,說明在光學(xué)系統(tǒng)口徑受限的情況下,實現(xiàn)信噪比的提升需要采用數(shù)字域TDI成像模式延長空間微光成像系統(tǒng)的積分時間。此外,針對夜天光條件下系統(tǒng)信噪比較難評估的問題,提出基于微光積分球絕對輻射定標完成系統(tǒng)信噪比計算的方法,該方法能夠準確客觀的評估微光成像系統(tǒng)在夜天光條件下的系統(tǒng)信噪比性能;3)分析了數(shù)字域TDI成像模式對圖像傳感器的需求,給出了適合工程應(yīng)用的數(shù)字域TDI數(shù)據(jù)處理方法;測試并分析了數(shù)字域TDI微光成像系統(tǒng)的信號與噪聲特性,研究了數(shù)字域TDI成像模式實現(xiàn)大動態(tài)范圍空間微光成像的方法;對TDI成像模式導(dǎo)致系統(tǒng)成像質(zhì)量退化的動態(tài)MTF參數(shù)進行分析,研究了MTF與積分級數(shù)和速度適配誤差的關(guān)系,為數(shù)字域TDI成像系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù);4)按照低噪聲高靈敏微光探測理論及數(shù)字域TDI成像模式的工作方法,搭建了一套基于sCMOS圖像傳感器的微光成像系統(tǒng),對系統(tǒng)噪聲性能進行了測試,完成了微光成像實驗及模擬推掃數(shù)字域TDI微光成像實驗,成像實驗結(jié)果表明,微光成像系統(tǒng)能夠獲取質(zhì)量良好的微光圖像,數(shù)字域TDI成像方法能夠明顯提高微光圖像信噪比與動態(tài)范圍,圖像信噪比由未積分的5.04dB提高到積分級數(shù)為30的19.78dB,系統(tǒng)動態(tài)范圍比傳統(tǒng)方法提升了29.54dB。本課題基于sCMOS圖像傳感器研究了低噪聲高靈敏成像技術(shù),通過理論分析與實驗驗證,說明全局快門sCMOS圖像傳感器數(shù)字域TDI微光成像技術(shù)能滿足高靈敏度大動態(tài)范圍空間微光成像的需求,為設(shè)計與實現(xiàn)空間微光成像系統(tǒng)提供了新思路。論文最后對課題的進一步深入研究提出了幾點建議。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;P237
【部分圖文】：

第1章 引 言 微光遙感技術(shù)的應(yīng)用背景遙感技術(shù)是通過非接觸的方式獲取目標的位置、形狀或物化特征的時空信息，進而對目標進行識別、測量與特性分析，遙感的對象通常是地面標。自從 1960 年電視紅外觀測衛(wèi)星（TIROS）提供了第一張空間對地電視畫面”以來[1]，地球觀測光譜輻射計主要依賴白天太陽反射光譜工作和晨昏時段等低照度條件下，因沒有足夠的反射光能量而無法成像，因測目標輻射的紅外信號，雖然可獲得很多獨特且有價值的信息，但是紅法不能區(qū)分溫度及發(fā)射率相近的目標，且對微弱光的敏感度低，無法對行有效的監(jiān)測。這種缺陷限制了人們觀測目標夜間特性與相關(guān)參數(shù)的能想情況下，觀測對象在白天和夜晚具有相同價值的信息。

圖 1.2 全球夜晚燈光遙感影像Figure 1.2 Global light remote sensing imagery at nighttime（a）2011 年 3 月敘利亞夜光遙感影像 （b）2014 年 2 月敘利亞夜光遙感影像(a)Nighttime imagery of Syria in March 2011 (b)Nighttime imagery of Syria in February 2014

圖 1.9 月光下煙霧的微光遙感影像igure 1.9 LLL remote sensing imagery of smoke in moonli測方面，利用星載微光成像儀獲取地面夜間城市燈市燈光輻射強度與地面表層 PM2.5 質(zhì)量濃度關(guān)系，，依據(jù)夜間城市燈光輻射強度可很好的反演出地表監(jiān)測 PM2.5 質(zhì)量濃度空間分布及改善城市夜間空氣行性參考[5]。極光監(jiān)測

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前9條

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本文編號：2833477