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仿视网膜分布探测器设计及成像特性研究

王凡  
【摘要】:随着光电成像技术的迅速发展,它广泛应用于工农业生产、国防建设和科学研究领域,而且应用领域在不断拓展。但是应用需求的多元化发展导致传统的矩阵CCD/CMOS光电成像器件在某些特定场合应用时存在问题,例如:在高速相向运动成像过程中,以像元均匀分布的矩阵探测器作为成像器件时,会产生辐射状模糊图像并影响视场有效范围;视频传输过程中庞大的数据量给带宽和存储设备都带来挑战;利用传统的矩阵探测器配合鱼眼镜头实现全景相机时,会产生畸变图像。然而,前述问题对于人眼而言是十分简单的任务,同时,研究表明人眼是智能的成像系统。为此,国内外研究者们致力于仿生技术的发展,该探测器就是一类模拟人眼视网膜感光细胞分布的新型仿生探测器,像元排布在同心圆环上,整个面阵分为两个区域:中心凹区和周边区域。在中心凹区,像元尺寸相等且在整个面阵中最小,在周边区域,像元尺寸逐环增加。由于其特殊的像元布局,使得该探测器在小数据量、大视场范围和高分辨力之间取得较好的平衡。因此,仿视网膜分布探测器的出现有望解决矩阵探测器在上述应用过程中所存在的问题,对该探测器的研究具有重要的应用价值和现实意义。 尽管仿视网膜分布探测器具有上述优势,但是其像元布局的设计并没有依据可循,大量文献调研,均没有检索到针对不同应用需求设计探测器像元布局参数的研究报,国内,关于仿视网膜分布探测器的设计与制造的研究尚属空白。本文在深入阐述国外已有仿视网膜分布探测器的研究发展现状基础上,对该探测器的像元布局设计方法以及静、动态成像特性分析与性能测试方法进行了深入研究,完成并取得了以下创新性研究成果: 1)针对相向运动成像的特点,提出了一种新的仿视网膜分布探测器像元布局模型,并根据三种不同的应用要求,将针对不同应用需求设计探测器像元布局参数的问题转化为多目标优化问题,并利用粒子群算法进行优化,得到最优的探测器像元布局参数。算法鲁棒性高且优化结果接近设计准则; 2)针对仿视网膜分布探测器的空变特性,建立了仿视网膜分布探测器的静态调制传递函数模型。模型根据调制传递函数的定义,针对探测器各空不变的子区域,计算对应输出图像与输入图像的频谱比值,获得仿视网膜分布探测器的静态调制传递函数,用于定量分析包含空变器件的成像系统性能。针对研制的仿视网膜分布探测器成像系统,进行了利用不同周期数的辐射靶标测量其调制传递函数的实验,结果表明,实验测量值与理论值接近; 3)根据相向运动成像特点,建立了仿视网膜分布探测器在相向运动成像过程中的动态调制传递函数。利用统计矩的分析方法求解相向运动成像过程中的运动对调制度的影响,并结合仿视网膜分布探测器静态调制传递函数,获得该探测器在相向运动成像过程中的动态调制传递函数。同时,进行了基于动态调制传递函数的相向运动成像输出图像的半实物仿真实验,仿真图像与实际采集图像的Pearson相关系数大于0.85; 4)提出了通过旋转成像实现等效相向运动的实验方案,并利用自行搭建的实验系统,定量对比了仿视网膜分布相机与矩阵相机在相向运动等效实验中的图像模糊长度,实验结果表明,基于本文设计的仿视网膜分布探测器相机具有抗辐射状模糊的优势。 本文的仿视网膜分布探测器像元布局设计方法可满足不同应用场合的需求,充分利用仿视网膜分布探测器的像元布局优势解决相关的实际问题。同时,本文对仿视网膜分布探测器的静动态成像特性分析及实测方法研究也为进一步设计发展高性能的仿视网膜分布探测器,提供理论和技术参考。


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