【摘要】：熱紅外遙感技術可以獲取場景的熱量分布,在環(huán)境調(diào)查、安防監(jiān)控等諸多領域有廣泛應用。但是在海水表面溫度精細探查這類場合中,由于成像系統(tǒng)各項性能指標間的約束關系,目前還無法有效滿足其應用需求。因此為實現(xiàn)強背景下弱小溫差信號的大范圍有效探測,需要考慮從其他方面解決此問題。在紅外遙感的成像過程中可以獲取大量數(shù)據(jù),通常也包含了大量噪聲與冗余性。而在數(shù)據(jù)處理方面,低秩矩陣近似理論旨在從冗余的數(shù)據(jù)中剔除噪聲從而恢復真實數(shù)據(jù),該目的恰與紅外遙感數(shù)據(jù)的特點一致。因此本課題將低秩去噪模型與面陣擺掃成像方式相結(jié)合,提出一種寬幅高靈敏度的熱紅外成像技術。首先分析低秩矩陣近似的理論模型及其在去噪領域的適用條件,在此基礎上設計成像方案與完整的數(shù)據(jù)處理流程,隨后依據(jù)方案研制成像系統(tǒng)并研究相關控制方法,最后進行系統(tǒng)的性能測試分析與遙感實驗驗證。獲得了如下研究成果:(1)針對強背景弱信號場景中熱紅外圖像信息的有效獲取問題,提出將低秩去噪模型與面陣掃描成像方式相結(jié)合,在不增加探測器成本與冷光學設計的條件下,利用高冗余度的數(shù)據(jù)作為切入點進行去噪,獲得了較高的去噪性能。(2)為擴大成像幅寬,將有序運動方向設定為翼展掃描方向,即利用面陣擺掃成像技術,將翼展方向上不同像元所獲取的時間序列作為觀測矩陣的列向量,最終通過低秩去噪模型重構(gòu)出翼展方向的寬幅序列圖像。(3)在實際遙感成像過程中,一個掃描行內(nèi)的多幀寬幅圖像間存在亞像素級整體偏移,利用這種偏移關系進行序列圖像的超分辨率重建,從而在原有基礎上提高了圖像質(zhì)量,彌補了低秩去噪后空間分辨率下降的不足。(4)設計實現(xiàn)了一套完整的寬幅高靈敏度熱紅外成像系統(tǒng),可以在隔離飛行姿態(tài)擾動的同時進行穩(wěn)定的擺掃成像,并能夠自適應的進行前向“一”字運動補償。最終獲得了55°成像幅寬以及低于10mK的系統(tǒng)噪聲等效溫差,結(jié)合實際遙感飛行實驗,驗證了寬幅高靈敏度熱紅外成像探測的可行性。
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研究人員為獲取更高質(zhì)量的圖像發(fā)展出諸多方法與理論，而其中合信息處理與成像系統(tǒng)的學科融合也逐漸成為一項新的研究方向。1.1 課題研究背景與意義一般我們將電磁波長在 0.75~1000μm 的譜段稱為紅外譜段，并劃分為近外（0.75~1.4μm）、短波紅外（1.4~3μm）、中波紅外（3~8μm）、長波紅外（8~15μm和遠紅外（15~1000μm）的五個子譜段[3]。由于大氣的散射、吸收與反射，，僅部分波長的能量以較大比重穿過大氣層，即存在紅外大氣透過窗口，如圖 1.1 示。其中 8~14μm 與 3~5μm 的窗口范圍分別對應了常溫物體與高溫物體自身輻射能量的波長，因此在這兩個工作波段的成像也被稱為熱紅外成像[3]，它可感知場景的熱量分布、獲取目標的溫度場、進行熱制圖等。具體對于常溫目標熱紅外遙感，目前已經(jīng)在植被分析、土壤濕度研究、地表特征識別、城市熱島應、海冰監(jiān)控等諸多場合有廣泛應用[4]。

平面陣列（Focal Plane Array, FPA）探測器，并通過銦柱互連等技術將讀出電路與像元陣列相結(jié)合，其中 HgCdTe 光伏型探測器與量子阱（QuantumWellInfraredPhotoconductor, QWIP）探測器便具備長波紅外探測能力；第三代探測器是目前主流產(chǎn)品，其典型特征是新材料與多功能的不斷出現(xiàn)，比如具有多譜段同時響應的多色探測器，具有寬波段響應可調(diào)的二型超晶格（Type-IISuperlatticem,T2SL）探測器，以及 HgCdTe 與 QWIP 探測器性能的不斷提高，歸納有[16-19]：1) 緊跟摩爾定律發(fā)展，陣列規(guī)模達到兆級，并不斷減小像元尺寸控制總面積；2) 幀速率增加，響應速度提高，實現(xiàn)對高速動態(tài)場景信號的準確捕捉；3) 提高探測器響應率并改善像元一致性，實現(xiàn)高靈敏度與寬動態(tài)范圍；4) 多色與使用材料的新型探測器不斷發(fā)展，適應更復雜的應用環(huán)境；5) 集成更多的片上擴展功能，實現(xiàn)智能化并降低成本與功耗。而目前第四代探測器的劃分界限比較模糊，但在可以預計的將來紅外探測器將在光譜范圍、偏振、極化以及動態(tài)范圍上具有更加突出的特性。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP722.5;TP751

【參考文獻】

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本文編號：2683579