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基于CMOS图像传感器的多光谱遥感成像系统几个关键问题研究

罗斌  
【摘要】:多光谱成像探测技术是新一代的光电遥感探测技术,它能获取和显示地物的精确颜色信息,所获取的数据包含更多的光谱信息,具有“图谱合一”的特征,同时多光谱成像技术能很好地克服“同色异谱”现象,能够准确有效地对目标地物进行成像探测和识别,因此在天文学、军事侦查、环境监测等领域具有非常广阔的应用前景,得到了广泛的关注,目前已经成为国内外学者研究的一个热点。 本文在系统总结多光谱遥感探测技术的发展基础和现状、研究CMOS图像传感器结构及工作原理的基础上,重点针对基于CMOS图像传感器的多光谱成像系统的研制及其相关的几个关键问题展开研究,本文的主要研究内容和研究成果归纳如下: 1.在充分研究CMOS图像传感器的结构、成像原理、数据读出方式以及多种光谱成像系统原理及结构的基础上,提出了单相机加薄膜干涉滤光片的多光谱成像系统设计方案,国内首次完成了一台单CMOS相机加薄膜干涉滤光片模式的原理样机研制。系统结构方式为在定焦光学镜头前端配置薄膜干涉滤光片来构建光路系统,镜头和相机通过专用机械结构相连接。薄膜干涉滤光片波段参考了当前主流对地观测卫星的指标,选取13个波段来定制滤光片,可以根据探测要求的不同进行波段组合成像。自主开发了CMOS传感器驱动电路和控制电路,能够实现手动、自动拍摄功能控制。 2.通过研究光谱图像的滤波算法,提出了基于信噪比的组合评估光谱图像质量的方法,能够更好地完成图像预处理及对图像质量的定量评价。首先基于Matlab环境进行图像数据滤波功能的算法实现,对图像进行预处理,通过计算结果分析,得出了不同算法的滤波效率评估,然后在Visual C++环境下进行光谱影像信噪比的软件算法实现,对光谱影像质量作出定量评价,验证了CMOS成像系统的光谱成像能力。 3.针对影响CMOS图像传感器成像质量的噪声问题,研究噪声的产生原因和分类,并提出有效的噪声抑制方法,对于提高CMOS图像传感器成像质量和推动CMOS图像传感器技术的发展有重要意义。 4.针对如何提高光谱探测精度和效率的问题,研究了多光谱成像系统模型,得出了像元亮度值(DN)输出的传递函数表达,提出了用Monte Carlo模拟多光谱成像物理过程的方法,建立了详细模拟流程并进行了初步数学推导,对于提高多光谱探测的精度和效率,推动多光谱探测技术的发展有重要意义。


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