基于分时积分亚像元融合的地球静止轨道平台消颤振技术

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式,地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长,更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化,本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性,相机观察区域在长时间内保持不变,因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同,但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准,计算相对偏移量并进行补偿,位移探测准确度可达0.1像元以内,满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合,融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比,最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.     

基于分时积分亚像元融合的地球静止轨道平台消颤振技术

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式,地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长,更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化,本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性,相机观察区域在长时间内保持不变,因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同,但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准,计算相对偏移量并进行补偿,位移探测准确度可达0.1像元以内,满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合,融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比,最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.     

基于探测信号叠加的推扫式压缩多光谱关联成像

针对推扫模式下多光谱关联成像重构图像模糊、信噪比低问题,提出了一种利用探测信号叠加提高重构图像信噪比的多光谱关联成像方案.该方案基于稀疏约束关联成像光谱相机实验系统,通过单次曝光获得一帧探测信号,对前后帧连续探测信号进行错位叠加,计算出系统总探测矩阵,结合标定测量矩阵,采用压缩感知算法得到待测目标物体重构图像.数值模拟和实验结果表明:适当延迟曝光时间可以提高系统重构图像质量;相同曝光时间条件下,利用探测信号错位叠加的推扫10帧重构图像信噪比明显高于单帧多光谱重构图像.     

帘幕式CMOS全局曝光成像技术

为了消除面阵CMOS航空相机高速成像时帘幕快门效应对成像质量的影响,分析了CMOS成像原理,开展了基于高速中心式机械快门与面阵CMOS图像传感器协同工作的全局曝光成像模式研究.建立了该成像模式下的航空高分辨率成像系统的信噪比模型与前向像移模型,并基于信噪比模型与前向像移模型论证存在合理的曝光时间参数.设计了体积小、质量轻、电驱动、曝光时间可准确控制的高速中心式机械快门,最短曝光时间可达1/2 000s,快门效率最高达80%.对采用自主研发的国产CMOS图像传感器的航空摄影相机参数进行验证计算,并进行直升机载人带飞拍摄实验.影像结果表明:该成像模式曝光时间参数论证正确,影像无拉伸、扭曲及拖尾现象,相机动态传递函数为0.21(奈奎斯特截止频率处),能够满足实际应用需求.     

水下距离选通成像系统参数对成像效果影响的实验研究

利用自行研制的水下距离选通成像系统在实验水池中对水下靶板进行成像探测,通过改变探测激光能量和像增强器增益,研究了不同系统参数对实际成像探测效果的影响。通过对实验数据的分析,得出了只是提高探测激光能量与ICCD增益不能继续改善探测图像质量,系统参数与探测结果之间存在最优化关系的结论,为水下距离选通成像系统设计提供了有益的...     

可见光ICCD的研制及应用

通过深入研究增强型电荷耦合器(ICCD)中的关键单元——耦合器、快脉冲电源和精密延时同步控制单元,自行研制了一套可见光ICCD系统。测试结果表明:ICCD的最短曝光时间为5ns,像面空间分辨率优于37lp/mm。将该ICCD应用在透射式纹影测试光路上,进行了高压击穿空气放电考核实验,获得了清晰的实验图像。实验结果表明,所研制的可见光ICCD的成像质量较高,可满足等离子体放电、喷射物分析、生物体发光、激光诱导荧光等瞬态超快过程诊断需求,应用前景广阔。     

像增强型CCD成像系统的分辨力分析

分辨力和信噪比是像增强型CCD成像系统的两个最主要的参量.为了分析CCD相机分辨力对像增强型CCD成像系统分辨力的影响,本文分别用一个高分辨力像增强型CCD相机和一个普通分辨力CCD相机分别与相同的中继透镜、像增强器和前置镜头耦合,得到一套高分辨力像增强型CCD实验样机和一套对比像增强型CCD实验样机;在不同照度下测量了两套实验样机的分辨力和信噪比,实验结果分析表明:当照度高于1.84×10-3 lx时,像增强型CCD成像系统分辨力受器件分辨力和信噪比共同影响,高分辨力像增强型CCD实验样机分辨力要高于对比像增强型CCD实验样机分辨力.当照度低于1.84×10-3 lx时,像增强型CCD成像系统分辨力主要受器件信噪比的影响,高分辨力像增强型CCD实验样机与对比像增强型CCD实验样机分辨力相当.     

门控型像增强器开门时间测量

提出了采用超快激光脉冲与光纤阵列形成的光延时、跟CCD相机相结合的方法,对门控型像增强器进行了开门时间的测量,分析了该测量方法的可行性,建立了门控型像增强器开门时间的测量系统。用该测量方法对超高速光电分幅相机中的门控型像增强器开门时间进行了测量,得到了10,20,30,50 ns档开门时间的实验图片,与所加的快高压脉冲时间12.50,18.50,28.75,48.60 ns相比较,开门时间的测量精度得到了提高,该测量方法可用于超高速光电分幅相机曝光时间的标定。     

一种用于距离选通的ICCD设计与实现

研制了一种短余辉、高分辨率、快时间响应的高速选通超二代像增强器,通过光纤锥与CCD进行耦合成高性能距离选通ICCD,理论分析各部件的性能及其对系统空间分辨率的影响;采用FPGA设计电路控制系统,该系统产生出纳秒级的选通门宽以实现对ICCD的数字控制,同时可以对选通脉冲宽度和延时时间进行调整以实现不同亮度以及距离目标的清晰成像,降低背景噪音以及增大成像的动态范围.此外,该系统具有增益监控和调节功能,信噪比达到20∶1dB,在超二代像增强器阴极和微通道板输入面之间加幅度为-200V、宽度为3ns直流连续可调的选通脉冲以实现对增强器的选通,为了提高光电阴极补充电子的速度,在输入窗内表面光刻有线宽为5μm、间距为50μm正方形格栅以保证选通门宽为3ns时光电阴极有足够快的响应速度,选通频率最高可达到300kHz,实验测试在微通道板电压为700V、荧光屏电压为5 000 V时增强器增益可达10 718cd/m2 lx,ICCD系统空间分辨率达到29.7lp/mm.     

距离选通成像系统分辨率模拟测试装置

距离选通成像系统采用脉冲激光主动照明与ICCD选通技术相结合. 为了在室内模拟测试一定大气条件下距离选通成像系统的分辨率,设计了一套模拟测试装置. 采用两个模拟光源,分别模拟信号光和后向散射光. 结合大气距离选通成像系统后向散射光和信号光模型的研究结果,采用阴极面等效辐射照度法,给出了模拟光源功率的计算方法和功率范围的确定方法,以S-20光电阴极的像增强器与CCD耦合为例,计算了模拟光源功率.     

EBCCD的增益及信噪比研究

以背照明减薄CCD为基础的微光成像系统 ,可以得到视频信号速率的输出。这种减薄的电子轰击CCD探测系统 (EBCCD)在微光下的性能大大超过了像增强器耦合的CCD探测系统 (ICCD)。EBCCD能在微光条件下产生高对比度、高分辨力的视频信号。可以预料 ,它将在工业应用、军事应用及科学研究工作中取代通常使用的ICCD。详细讨论了影响EBCCD的增益及信噪比的各种因素。结果表明 ,若适当提高阴极和CCD之间的电压 ,减小CCD基片的厚度 ,可以进一步减小EBCCD的噪声 ,从而使信噪比得到更大的提高     

用于探测生物芯片的制冷型ICCD系统

利用光锥耦合的ICCD系统探测荧光染料标记的生物芯片,并对CCD芯片和像增强器制冷,以提高探测灵敏度。基于实验分析结果,指出背景噪声的主要来源为杂散光和生物芯片基底所发的荧光,指出用镜头成像限制了系统探测灵敏度的提高,可采用低荧光物质作为生物芯片的基底对系统加以改进。     

空间相机自适应曝光

为实现空间相机的自适应曝光,提出了一种根据场景高亮度信息设置曝光参量的测光、解算、成像工作模式.在空间相机前加装大尺度面阵测光相机,在空间相机推扫某一区域前,测光相机首先采用预设的曝光参量获取该区域图像,实测当前区域的高亮度信息;再将该高亮度设为空间相机的饱和亮度,解算空间相机的曝光参量;随着卫星的转动,空间相机采用该曝光参量完成位置区域拍摄成像,实现空间相机的自适应曝光.地面验证实验结果表明:与采用固定的较小的曝光参量相比,本文方法可以减小欠曝光图像数量;根据某次实验结果统计,图像的灰度范围由37提高到253,图像熵显著提高.该方法能够根据当前场景内容充分利用成像系统的动态范围并提高图像的灰度层次和图像质量.     

一种改善直耦增强数码相机静态成像时间响应特性的方法

理论上分析了CIDC1816型直耦增强数码相机在采集静态图像过程中像增强器阴极电压衰减时间对电子光学系统横向位移的影响.实验证明了阴极电压衰减时间会对荧光屏亮度衰减时间产生影响.提出了利用电子开关的高速响应特性来减小阴极电压衰减时间,以改善该类型相机时间响应特性的方法.研究表明,当外界光照条件大于10-4 lx时,阴极电压衰减时间由80~130ms减小到50~60ns,电子光学系统的横向位移受阴极电压衰减特性的影响减小,荧光屏亮度衰减时间由12~26ms减小到了3~4ms.研究结果证明了该方法能够有效地减小像增强器阴极电压衰减时间和荧光屏亮度衰减时间,为提高该类型相机静态成像质量提供参考.     

三代微光像增强摄像系统选通成像系统研究

提出一种能够高速选通工作的三代微光像增强摄像系统（ICCD）。采用三代像增强器,设计了光阴极选通控制电路,使ICCD系统能够高速选通成像;通过分析、比较,设计了双高斯复杂化结构的中继镜头耦合方案,获得了高透过率、高调制传递函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡及其集成的图像处理硬件,编写了相关处理软件,使ICCD系统的图像能够快速呈现。结果表明:设计的三代选通ICCD具有3.3 ns选通门宽,空间分辨力达到600 TVL。     

一种彩色面阵CCD测绘相机前向像移的补偿方法

 为了实现对前向像移的补偿,提出一种通过合理调整快门曝光时间和飞机速高比之间的关系来补偿前向像移的方法,对前向像移产生的原因进行研究。介绍彩色面阵CCD工作原理、相机工作原理,从光学系统成像原理的角度分析产生前向像移的原因,还分析了速高比和曝光时间误差。实验结果表明：速高比误差和曝光时间误差均可控制在合理误差范围内,满足前向像移量小于1.5个像元尺寸的补偿要求,达到了测绘相机的精度指标。     

微通道板像增强器的调制传递函数的测量与研究

根据狭缝法测量调制传递函数（MTF）的理论,建立了微通道板（MCP）像增强器的MTF测量装置.利用CCD相机测量像增强器对狭缝的空间响应,得到系统的线扩散函数(LSF),经过傅里叶变换求出MTF.实验测量了两种MCP像增强器的MTF,得到的极限分辨率与厂家标定值一致.在不同的工作偏压下以及不同的像面位置处的MTF测量结果表明,像增强器的空间分辨能力随着光阴极偏压的升高逐渐提高并趋于稳定.随MCP偏压的升高而迅速下降,在一定的电压范围内不随荧光屏电压的变化而改变;像增强器在不同像面位置处的空间分辨能力变化较小.     

影响X射线像增强器分辨率的因素分析

对采用双近贴聚焦成像结构的MCP(Micro Channel Plate)-X射线像增强器的工作原理与结构进行了分析,对影响其空间分辨率的主要因素进行了研究.影响X射线成像系统分辨率的因素主要有X射线源焦斑的大小和X射线像增强器自身的分辨率,而影响X射线像增强器分辨率的因素主要有MCP输出面到荧光屏之间的距离、MCP输出面与荧光屏之间的电压差以及MCP自身的分辨率.通过对两种具有不同参量的X射线像增强器分辨率的理论计算及分辨率测试实验,将理论计算结果与测试实验结果对比,验证了分辨率计算公式及影响分辨率因素分析的正确性.     

静止轨道星载差分吸收光谱仪CCD成像系统设计

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测,针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10min、高分辨率模式下探测周期小于1h的要求,进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器,设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式,并合理设置了帧叠加数和像元合并数,达到优化成像周期的目的.1s曝光时间条件下,该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515s和3 315s,图像信噪比均大于1 000,污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求,为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.     

微光ICCD电视摄像技术的发展与性能评价

利用微光像增强器的图像增强功能,将微光像增强管耦合到电荷耦合器件(CCD)上即构成微光图像增强CCD(简称ICCD)。它具有两个重要的特性:一是通过选择适当的像管输入窗及光电阴极,使ICCD光谱响应范围由可见光扩展到X射线、紫外、近红外区域,从而使该器件能适用于各种用途;二是使ICCD的灵敏度达到10-4lx以下,实现了ICCD摄像器件在黎明或黄昏的照度下(102lx)在1/4月光下(10-2lx)、在星光下(10-4lx)都能有效的工作。微光ICCD电视摄像系统可应用在天文、医疗、火控、制导、飞机紫外预警等方面。重点阐述了微光ICCD电视摄像技术的发展与性能评价。