微光遙感技術(shù)可在低照度條件下獲取目標(biāo)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(xì)分,高分辨率與大動(dòng)態(tài)范圍微光圖像的需求越來越強(qiáng)烈,因此,對(duì)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(cè)技術(shù)成為系統(tǒng)性能進(jìn)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(cè)方面具有眾多的優(yōu)勢(shì),本課題以sCMOS圖像傳感器為基礎(chǔ),對(duì)低噪聲探測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)靈敏度提升與評(píng)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?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)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(duì)信噪比的影響,仿真計(jì)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(jī)行條紋噪聲的特點(diǎn),分析了其產(chǎn)生的機(jī)理,結(jié)合探測(cè)器信號(hào)讀出特點(diǎn),提出空間域自適應(yīng)隨機(jī)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(jì)算方法,對(duì)計(jì)算過程引入的誤差進(jìn)行分析;在理論分析的基礎(chǔ)上,采用單樣本點(diǎn)和多樣本點(diǎn)實(shí)測(cè)了每個(gè)像元的轉(zhuǎn)換增益,結(jié)果表明多樣本點(diǎn)結(jié)合最小二乘法能夠提升像元轉(zhuǎn)換增益的估計(jì)精度。對(duì)系統(tǒng)噪聲特性進(jìn)行了測(cè)試與分析,建立了系統(tǒng)信噪比模型,結(jié)合仿真與測(cè)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(shí)現(xiàn)信噪比的提升需要采用數(shù)字域TDI成像模式延長(zhǎng)空間微光成像系統(tǒng)的積分時(shí)間。此外,針對(duì)夜天光條件下系統(tǒng)信噪比較難評(píng)估的問題,提出基于微光積分球絕對(duì)輻射定標(biāo)完成系統(tǒng)信噪比計(jì)算的方法,該方法能夠準(zhǔn)確客觀的評(píng)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(duì)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(cè)試并分析了數(shù)字域TDI微光成像系統(tǒng)的信號(hào)與噪聲特性,研究了數(shù)字域TDI成像模式實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍空間微光成像的方法;對(duì)TDI成像模式導(dǎo)致系統(tǒng)成像質(zhì)量退化的動(dòng)態(tài)MTF參數(shù)進(jìn)行分析,研究了MTF與積分級(jí)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(jì)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(cè)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(duì)系統(tǒng)噪聲性能進(jìn)行了測(cè)試,完成了微光成像實(shí)驗(yàn)及模擬推掃數(shù)字域TDI微光成像實(shí)驗(yàn),成像實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)范圍,圖像信噪比由未積分的5.04dB提高到積分級(jí)數(shù)為30的19.78dB,系統(tǒng)動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)態(tài)范圍空間微光成像的需求,為設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)空間微光成像系統(tǒng)提供了新思路。論文最后對(duì)課題的進(jìn)一步深入研究提出了幾點(diǎn)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(jí)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(biāo)的位置、形狀或物化特征的時(shí)空信息，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、測(cè)量與特性分析，遙感的對(duì)象通常是地面標(biāo)。自從 1960 年電視紅外觀測(cè)衛(wèi)星（TIROS）提供了第一張空間對(duì)地電視畫面”以來[1]，地球觀測(cè)光譜輻射計(jì)主要依賴白天太陽反射光譜工作和晨昏時(shí)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(cè)目標(biāo)輻射的紅外信號(hào)，雖然可獲得很多獨(dú)特且有價(jià)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(biāo)，且對(duì)微弱光的敏感度低，無法對(duì)行有效的監(jiān)測(cè)。這種缺陷限制了人們觀測(cè)目標(biāo)夜間特性與相關(guān)參數(shù)的能想情況下，觀測(cè)對(duì)象在白天和夜晚具有相同價(jià)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(cè)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(qiáng)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(qiáng)度可很好的反演出地表監(jiān)測(cè) 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(cè)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2833477