基于cmos探测器的高光谱成像采集技术研究

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1、密级:公开硕士学位论文基于CMOS探测器的高光谱成像采集技术研究作者姓名:马芳苑指导教师:王跃明研究员中科院上海技术物理研究所学位类别:工学硕士学科专业:电路与系统培养单位:中科院上海技术物理研究所2016年6月封二学位论文版权使用授权书本人完全了解中国科学院大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学

2、位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日ResearchofhyperspectralimagingacquisitiontechnologybasedonCMOSsensorByMaFangyuanADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpart

3、ialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofCircuitsandSystemShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofScience6,2016致谢致谢在中科院上海技术物理研究所三年的研究生学习生涯很快就要过去了，其中还包括在中国科学技术大学的一年代培学习。三年的时间，完善的培养体系和丰富的科研项目让我真正的汲取了很多科研理论知识，锻炼了自己动手自己研究的能力。三年的时间，使我一个电路专业转

4、系生走进了电子学领域的大门，也获得了一定的研究成果。首先，要感谢中科院上海技术物理研究所对我的培养，让我有机会接触各种科研项目。感谢中国科学技术大学的老师一年的代培教学和指导，让我学习到了很多电子学设计的基础知识。其次，要感谢我的导师王跃明老师的耐心教导。王老师以身作则、投生科研的精神给了我很大的动力和鼓舞；在科研上遇到困难时，王老师给予了很多帮助和建议。然后，要感谢课题组的每个职工和身边的同学。感谢庄晓琼、姚祎、赵顶、郁亚男、何道刚、王晟伟等职工很多次的悉心帮助和耐心解答；感谢曾给我很多帮助的郎均慰师兄；感谢肖

5、喜中师兄、韦丽清师姐的无私帮助和耐心讲解；感谢贾建鑫、周世尧同学的共同学习和切磋；感谢马骏一直以来的陪伴和对论文的帮助。最后，再一次感谢所有帮助我的老师、同学和朋友，也感谢我的家人对我的支持和理解。马芳苑2016年4月I摘要摘要高光谱成像技术往轻量化、小型化、低功耗等方向发展已经成为促进社会发展的重要需求，同时轻小型化的高光谱成像产品也能给社会带来巨大的商业价值。而CMOS探测器的较高集成度，能大大简化外围电路设计，用于光谱成像系统而使系统获得轻量化、小型化、低功耗等技术优势，并且能够适用于新兴发展的小型无人机载

6、荷平台。本文基于CMOS图像传感器的工作原理及性能特点，阐释了背照式CMOS探测器由于近100%的高像元填充率而拥有用于高光谱成像系统的灵敏度优势。同时，介绍了滤光片、棱镜、光栅三种分光方式的原理及各自的适用环境。CMOS光谱成像系统的评估指标有光谱分辨率、空间分辨率、信噪比、动态范围等，而基于CMOS探测器的特殊性，基于CMOS探测器的高光谱成像系统的性能不能一概而论，应结合具体应用环境进行各指标参数的综合评估。本文基于E2V公司的商用CMOS探测器EV76C661进行了成像电子学部分的研究，并搭配Specim

7、公司的V10M可见近红外分光光谱仪，完成了系统原理样机的搭建并进行推扫成像。本原理样机实现的光谱扫描波段范围为400nm~1000nm，光谱采样间隔为3.6nm。通过优化系统的时序，完成了系统多模态的成像功能，分别能够进行光谱维像元合并、空间维像元合并及光谱维、空间维同时像元合并，在减轻系统传输负荷的同时也提升了图像信噪比。针对系统的非均匀响应利用两点法对系统输出图像进行了非均匀校正，并使校正结果的非均匀系数控制在3%以内。针对本系统探测器特殊的阈值响应方式，无法常规获取系统的暗电流噪声的特点，本文提出了一种利用

8、阈值响应时噪声测量的方法来推测系统暗电流噪声。最终利用该方法实现了系统多模态成像结果的噪声评估及信噪比计算，可以得到所获得图像在0.3反照率时信噪比约能达到141（即43dB）。系统最高信噪比能够达到316.8（即50dB），动态范围达到55.6dB。在本文的最后，通过比较分析了CMOS探测器用于弱光环境探测的灵敏度优势，且由于CMOS工艺技术的发展和小型无人机的推广，基