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《南京理工大学》 2009年
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非制冷凝视热像仪成像理论以及关键技术研究

隋修宝  
【摘要】: 非制冷凝视红外技术是当今发展迅速的、军民两用的高科技技术之一,近年来西方发达国家在该技术的研究上取得了很大的进步,但是仍然存在着以下两方面的问题:一,非制冷凝视焦平面探测器没有完整的(自红外目标温度至焦平面探测器模拟输出)数学模型,因此在工程应用中存在着诸多不便;二,非制冷凝视焦平面探测器因材料、制作工艺以及红外光学系统衍射极限等的限制,输出的红外图像的温度分辨率和空间分辨率都不高。同时,由于国内该领域的研究工作起步较晚,以及国外对技术的长期封锁,我国现阶段的非制冷凝视成像技术的理论研究和制作工艺等与国外发达国家相比还有一定的差距,因此,从非制冷凝视红外焦平面探测器的理论出发,建立完整的数学模型,提出更好的技术和方案并最终研制出高性能的热像仪,对弥补非制冷凝视红外热像仪普遍存在的性能缺陷、提高我国红外成像电子学理论与工程水平、加快非制冷红外成像技术在我国国防建设和国民经济各领域的应用步伐都有着非常重要的意义。 本论文从研究非制冷凝视红外焦平面探测器的各种热探测机理以及现有的读出电路出发,对ULIS公司微测辐射热计—320×240非制冷焦平面探测器的原理以及读出电路模型进行分析推导,最终建立了以红外目标温度为自变量、以焦平面探测器模拟输出电压为函数值的非制冷凝视红外焦平面探测器的数学模型。从微扫描技术的原理出发、经过严格的理论推导和实验仿真,验证了微扫描技术在提高红外图像空间分辨率上的重要作用;通过分析国内外主要的微扫描成像的技术方案以及各自的技术难点和优缺点,提出了用圆弧代替阿基米德螺旋线和类离散扫描的改进平板光学元件微扫描方案;根据平板光学元件的微扫描原理,建立了平板光学元件微扫描的锗片倾斜角度模型。从影响信号完整性的因素出发,以非制冷红外焦平面模型的相关结论为指导,提出了低噪声偏置电压以及高精度数字信号处理技术,该技术的理论推导和仿真结果均表明其能够有效抑制偏置电压噪声,保证信号的完整性和稳定性;为解决红外热像仪温度分辨率不高的问题,本论文提出了红外焦平面阵列自适应数字化技术和自适应偏置电压技术,并通过理论计算以及与直方图均衡等软件算法相比较的方法,证明了该技术对提高红外图像的温度分辨率的作用;针对红外图像信噪比不高的特点,提出了红外焦平面阵列多次采样滤波技术,理论分析表明,该技术能够在单帧条件下通过对同一像元点多次采样的方式降低红外图像的随机噪声和红外图像的NETD。在微扫描理论、方案以及锗片倾斜角度模型的指导下,从光学系统对微扫描的性能以及热像仪灵敏度的影响出发,选择了昆明北方光电公司生产的型号为KIR0742的红外镜头;从锗片制作成功率、安装角度不同的锗片与光学系统配合后给微扫描系统带来的总误差出发,确定了锗片厚度和最佳安装角度;为了降低微扫描器的转动惯量、提高其运行的稳定性以及尽量简化锗片的安装、增加其牢固性,对微扫描窗口尺寸以及锗片形状进行了优化;设计了微扫描器的支撑圆盘结构,并利用机械卡槽来保证微扫描器锗片的倾斜角度;为方便、准确地识别微扫描热像仪不同位置的子图像,设计了在微扫描器框架边缘留有不同长度的薄片并配合光藕进行识别的方案;根据微扫描器对驱动电机轴窜动量和扭转力矩的要求,选择了Faulhaber3863H024C无刷直流电机及其相关产品,理论计算出了该电机在进行“加速一减速一匀速”的微扫描运行方式时对微扫描热像仪像旋的降低幅度,并通过实验对微扫描器在驱动电机带动下运行的稳定性进行了测试,证明了微扫描器的设计和驱动电机的选择的合理性。 本论文最后对非制冷凝视红外焦平面探测器的数学模型、高性能驱动电路技术、微扫描成像理论、方案、锗片倾斜角度模型和微扫描实现技术进行了效果验证和性能评估,通过对主观图像效果、客观NETD、MRTD、MTF参数的对比得出结论:1)当黑体温度在焦平面探测器衬底温度之上90K范围内时,测试数据和焦平面探测器模型推导出的数据能够较好吻合;当黑体温度高于这个范围并逐渐增大时,测试数据和模型推导出的数据之间的偏差也逐渐增大;2)低噪声偏置电压以及高精度数字信号处理技术、红外焦平面阵列自适应驱动技术、红外焦平面阵列多次采样滤波技术均能提高红外图像的温度分辨率;3)微扫描实现技术能够提高红外图像的空间分辨率。由此证明本论文的理论和关键技术的研究对提高红外图像性能有着重要意义。文章最后结合本论文研究的不足之处给出了今后的研究方向和研究展望。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN215

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【共引文献】
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7 吴鑫;陈四海;仇力;熊小刚;陈巍;;一种可用于红外凝视成像系统的光学微扫描器[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
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【同被引文献】
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5 徐欣;红外探测器若干物理问题研究[D];华东师范大学;2005年
6 王明照;非制冷红外探测器及读出电路[D];吉林大学;2007年
7 薛惠琼;非制冷红外探测器及其读出电路的研究[D];长春理工大学;2009年
8 刘宇;氧化钒非制冷红外焦平面电路的分析与设计[D];电子科技大学;2004年
9 何健;铁电非制冷IRFPA实时成像系统和自适应非均匀校正算法研究[D];昆明理工大学;2008年
10 徐建朋;基于散焦的红外焦平面阵列非均匀性校正方法研究[D];西安电子科技大学;2011年
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