时间延迟积分型面阵CMOS图像传感器MTF速度失配模型研究

研究了时间延迟积分型面阵互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器调制传递函数(MTF)速度失配特性,在分析累加级数、像素尺寸、镜头放大倍数、行周期及电机运动速度失配等影响因素的基础上,建立了MTF速度失配模型。基于现场可编程门阵列(FPGA)开发板,搭建面阵CMOS图像传感器实现线阵时间延时积分(TDI)的CMOS测试系统。实验结果表明,在光强为3lx,速度失配M(ΔV/V)<2,8级时间延迟积分与面阵成像相比,MTF值提高50%;当累加级数为8级,速度失配满足M(ΔV/V)=2的速度失配容限时,奈奎斯特频率处的MTF值下降10%,当速度失配达到M(ΔV/V)=10时,MTF值下降35%。     

全局快门sCMOS图像传感器数字TDI微光成像技术

为实现高分辨率大动态范围的空间微光(LLL)成像,提出基于全局快门科学级互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器的数字域时间延迟积分(TDI)微光成像方法。通过推导数字域TDI成像数据处理方法,建立了系统信噪比(SNR)模型,提出了数字域TDI大动态范围成像方法,并分析了速度失配导致的调制传递函数(MTF)退化现象。实验结果表明,该方法能够明显提高微光成像质量,当数字域TDI积分级数为30时,系统SNR由未积分的5.04dB提高到19.78dB,动态范围比传统数字域TDI方法提升了29.54dB,为实现高分辨率大动态范围空间微光成像提供了保障。     

TDI-CMOS图像传感器多次采样叠加调制传输函数模型研究

提出了多次采样叠加下时间延迟积分(TDI)CMOS图像传感器沿扫描方向的调制传输函数(MTF)分析模型。基于行滚筒曝光读出原理,研究了一个行时间内采样次数、叠加次数、TDI级数和速度失配比对扫描MTF的影响机理。为验证扫描MTF模型,基于TDI-CMOS图像传感器将连续视场映射为离散图像的几何和能量传输关系分析,建立了成像仿真系统并利用刃边法计算MTF曲线。仿真结果表明,扫描MTF随着采样次数增加而增大;当采样次数固定,扫描MTF随着叠加次数增大而减小;扫描MTF随着速度失配比和TDI累加级数增大而减小。     

航天TDI-CCD亚像元相机的MTF研究

讨论了不同步采集和偏流角带来的像移对航天TDI-CCD亚像元相机系统相机调制传递函数的影响.通过对成像工作方式中所产生的速度失配和方向失配的调制传递函数影响的分析,得出了提高相机采集同步精度和消除偏流角的方法.     

振动对电视成像系统传递函数的影响研究

为了研究系统平台振动对电视成像系统传递函数的影响,通过将不同振动条件下系统的传递函数进行对比分析,利用能量积分法,建立系统平台在不同振动条件下系统传递函数仿真模型。利用快速反射镜系统和I SITE测量平台组合,对振动条件下系统传递函数进行测量和验证。仿真和实验数据结果表明:对于在研电视成像系统,当振动频率低于曝光频率时,随着系统平台振动频率的增加,系统传递函数的下降速度由静止时的0.167逐渐增加到0.237;当振动频率高于曝光频率时,随着系统平台振动频率的增加,系统的传递函数的下降速度波动性增加,并逐渐趋于在静止时的1.42倍附近。     

宽覆盖型光学遥感相机侧摆像移速度计算

根据宽覆盖相机的特性,分析了其侧摆成像的几何关系。建立了地面物点到相机像面的空间坐标变换关系,在此基础上,推导了基于圆地球模型的相机侧摆像移速度计算公式,并以像移失配传递函数MTFmismatch作为评价方法分析了相对像移匹配残差对像质的影响。以某宽覆盖型相机为例,计算了不同侧摆角和不同地心角条件下的像面像移速度。计算结果表明：像面各点的侧摆像移速度均不相同,且变化趋势也不相同,远地点处像移速度相对变化量最大。在侧摆角为25°且积分级数为48的条件下,像移失配传递函数的最大值为0.681。外场成像试验结果表明,积分级数控制在16级以内时的相机成像质量良好。     

光电成像系统动态调制传递函数测量装置

在光电成像系统中,动态调制传递函数受到光学系统波像差、探测组件信号分辨率及传递特性以及载体运动引起图像模糊等环节对图像质量的综合影响,成为光电成像系统的重要参数之一。论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研制一种动态调制传递函数测量装置,其中光学准直系统焦距为10 000 mm,运动目标速度控制范围达到30 mm/s～5 000 mm/s,满足长焦距光电成像系统的动态调制传递函数测试。利用该装置进行了一系列的实验研究,结果表明,动态调制传递函数测量重复性优于0.01,测量不确定度达到U=0.05（k=2）。     

红外探测器组件的光串测试及模拟

红外探测器组件作为目标探测和成像系统的核心器件,其空间分辨能力直接影响着探测系统的成像质量。评估探测器组件空间分辨能力时,常使用调制传递函数(MTF),而探测器组件的光学串音是影响MTF的主要因素。介绍了一套弥散斑直径为30μm的红外小光点测试系统,采用扫描狭缝法测试不同结构红外探测器组件的线扩展函数(LSF)并建立相应模型进行模拟分析。理论模拟与实验结果一致,可以很好地解释叠层电极结构侧面的光响应产生的LSF展宽、左右不对称和次峰等现象,该结果为红外探测器组件杂光抑制设计提供了参考。     

基于空间相机时间延迟积分传感器拼接区图像的像移测量

为了对由飞船姿态不稳或隔振装置的振动抑制残余量等因素产生的宽频带像移进行测量,提出了基于时间延迟积分(TDI)传感器拼接区所成图像的像移测量方法。定义了偏移系数,用以衡量成像期间像移速度与TDI传感器积分时间之间的失配度,以调制传递函数(MTF)为相机成像质量评价指标,分析了失配度与成像质量之间的关系,确定了满足成像质量的像移测量方法的精度范围;利用两片TDI传感器拼接区所拍图像存在相同内容、拍摄时刻不同的特点,阐述了基于TDI传感器拼接区图像的像移测量原理。实验结果表明测量精度达到0.2377pixel,测量频带达到228Hz,证明该方法能够对宽频带、高精度的像移进行有效测量。     

针孔相机全场X射线荧光成像的模拟研究

为解决全场X射线荧光(XRF)成像中针孔形状和尺寸的选取问题,采用Geant4软件,模拟了6种不同类型针孔和4种不同的针孔孔径,分析了这些参数对点扩散函数和调制传递函数的影响;模拟了不同能量X射线荧光平面源的成像过程,并用均值滤波和Richardson迭代法对图像进行处理,分析了图像处理的效果。模拟结果表明:对于能量小于20 keV的荧光X射线,双锥孔结合直孔模型的点扩散函数尖锐性和等晕性更好,调制传递函数的截止频率更大,空间分辨更好,更适合做全场XRF成像的针孔;均值滤波结合Richardson迭代法的图像处理算法对全场XRF图像处理的效果较好。     

光学综合孔径成像技术实验研究

根据光学综合孔径成像系统的成像质量与点扩散函数和光学传递函数的关系,以G o lay-3阵列结构为例,从空间域和频率域对光学综合孔径成像技术进行理论仿真和实验研究。在空间域从理论上分析光学综合孔径成像系统的点扩散函数,对复杂目标的成像通过目标函数与点扩散函数的卷积求得,点扩散函数决定了成像质量。通过数值仿真和模拟实验取得了点扩散函数强度分布图,两者分布规律一致证明理论分析正确。在频率域研究光学综合孔径调制传递函数,理论仿真和实验取得的调制传递函数表明,空间域和频率域内光学综合孔径成像技术的理论分析与实验结果具有较好的一致性。     

普朗克权重订正对风云卫星快速正演精度的改进

本文在逐线积分(LBL)计算卷积大气透过率的基础上,建立了统一框架的快速透过率回归算法用于卫星红外传感器通道辐射快速正演的实现.通过分别对风云二号自旋扫描辐射计VISSR/FY-2F和风云三号红外分光计IRAS/FY-3B的红外通道进行正演,并与LBL积分的通道亮温进行对比分析.结果表明,快速正演模型在窗区红外通道亮温的标准差(STD)远大于垂直探测通道的正演,随着通道探测高度降低,正演偏差随之增大;并且,全部通道正演的STD最大值小于0.4 K.本文还讨论了在卷积通道透过率时引入普朗克函数作为权重因子以改进红外通道的快速正演精度.提出以2350 cm-1与通道光谱响应曲线的相交作为应用启动普朗克订正的必要条件.试验结果表明:普朗克权重订正可以使快速正演模型的精度提高约25%以上,这个订正仅对通道光谱响应与2350 cm-1相交的通道有效,当通道光谱响应与2350 cm-1不相交,普朗克订正效果明显下降.试验还表明,普朗克订正的效果不仅对宽光谱的成像通道有效,对窄光谱垂直探测通道的正演精度改进同样明显.     

CdZnTe像素阵列探测器成像评价模型及实验

考虑载流子陷获效应建立了碲锌镉(CdZnTe)像素阵列探测器感应电荷分布模型,并从非平衡载流子连续方程出发,推导了晶体内部陷获载流子数密度分布,得到了CdZnTe探测器成像调制传递函数评价模型。数值计算结果表明:随入射光子能量的增加,探测器成像质量明显下降;当电子载流子与空穴载流子迁移寿命积范围分别为0.510-3 to 5.010-3 cm2/V,2.010-5 to 7.510-5 cm2/V时,电子载流子感应信号是探测器响应信号的主要来源,而空穴迁移寿命积变化对探测器成像性能的影响有限,所建立模型的载流子收集特性与实际探测器载流子收集特性相符。搭建了40 mm40 mm的CdZnTe成像探测系统,探测并获得了系统预采样调制传递函数。实验结果表明:模型理论值与实验数据相符合,实际CdZnTe晶体中存在的固有深能级缺陷、实验所采用的非单色性X射线源及较大的实际像素间隙是造成理论值与实验结果存在一定偏差的主要原因。     

光电成像系统中的光学传递函数

本文研究了光电成像系统中的光学成像、抽样和重建等各个过程对整个系统的光学传递函数的影响。分析了光电成像系统在积分抽样和图像运动情况下的光学传递函数，重建图像中的频谱混叠和假响应情况，由此给出光电成像系统获取图像的一些原则。     

基于能量分布的红外像点定位分析方法

在红外探测器的应用中,常用统计分析、算例验证等方法研究目标成像精确定位问题。鉴于上述方法难以充分阐释物理意义与揭示普遍规律,提出基于能量分布及成像特征的分析方法,针对红外探测目标成像精确定位问题,利用能量分布和数字图像中成像规律,研究像点定位及精度分析。研究了红外目标成像和数字图像特点,建立了定位模型和方法流程;分析了定位误差影响因素,实现了定位结果精度评定;最后结合典型应用实例,进行了计算验证。该方法与已有方法相比,分析过程更直观,获取了红外像点定位分析的理论依据,并给出了定位结果的精度水平:通常红外成像应用中,精度优于1/6像元;在成像较大时,精度可达1/10像元以上。该研究结论对红外探测应用中目标准确定位具有重要意义。     

目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件 积分级数的最优选择

针对时间延时积分电荷耦合器件积分级数对成像质量的影响,提出了一种航天遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件积分级数的最优选择方法.构造了典型成像系统的信噪比与积分级数关系模型和调制传递函数与卫星姿态角和积分级数的函数模型;以信噪比和调制传递函数的容许值为约束条件,推导出了任意条件下时间延时积分电荷耦合器件的可选积分级数区间并给出了最优的积分级数解,给出了对应的增益设置指导函数.运用仿真实验对该方法进行验证,并与传统方法进行比较,结果表明:该方法能够选取最优的积分级数,从而获得满足信噪比和调制传递函数指标的最佳成像质量;若该值不存在,依然能获取相对最佳的折中值和视觉效果;同时,本文成像效果优于传统方法.     

遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件积分级数的最优选择

针对时间延时积分电荷耦合器件积分级数对成像质量的影响,提出了一种航天遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件积分级数的最优选择方法.构造了典型成像系统的信噪比与积分级数关系模型和调制传递函数与卫星姿态角和积分级数的函数模型;以信噪比和调制传递函数的容许值为约束条件,推导出了任意条件下时间延时积分电荷耦合器件的可选积分级数区间并给出了最优的积分级数解,给出了对应的增益设置指导函数.运用仿真实验对该方法进行验证,并与传统方法进行比较,结果表明:该方法能够选取最优的积分级数,从而获得满足信噪比和调制传递函数指标的最佳成像质量;若该值不存在,依然能获取相对最佳的折中值和视觉效果;同时,本文成像效果优于传统方法.     

粗糙目标表面红外偏振特性研究

红外偏振成像可突显目标、识别真伪,准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题,本文基于微面元双向反射分布函数模型,利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明:无论是金属还是非金属,其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小,非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度;当粗糙度及温度相同时,金属的红外辐射偏振度始终大于非金属;红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加,而后在特定入射角下达到峰值,超过一定入射角后,偏振度大幅下降,金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大,这有助于区分金属与非金属。最后,利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集,获取目标的红外辐射偏振特性,实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。     

即时/准即时u-v覆盖的光学综合孔径成像分析

介绍了即时/准即时u-v覆盖的光学综合孔径成像技术实时/准实时观测的优点,并以LBT为实例进行了成像分析.对LBT采用快速傅里叶变换、卷积与反卷积算法获得系统的点扩展函数(PSF)与光学传递函数(OTF);探讨了全局传递函数及其对成像效果的影响,说明了即时/准即时u-v覆盖成像特性;用实验仿真的方法验证了全局传递函数在满足准即时u-v覆盖成像的要求情况下能够对天体目标进行较好的图像恢复.