空间高灵敏度大动态范围微光成像技术研究

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1、博士学位论文空间高灵敏度大动态范围微光成像技术研究作者姓名：张元涛指导教师:刘银年研究员孙德新研究员中国科学院上海技术物理研究所学位类别:工学博士学科专业:电路与系统培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日

2、期：中国科学院大学学位论文授权使用声明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

3、师签名：日期：年月日ResearchontechnologiesofhighsensitivityandlargedynamicrangelowlightlevelimaginginspaceAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinElectronicScienceandTechnologyByZhan

4、gYuan-taoSupervisor:ProfessorLiuYin-nianProfessorSunDe-xinShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofScienceJune2018摘要摘要微光遥感技术可在低照度条件下获取目标可见近红外波段的特性，提供具有白天分辨率的夜间微光图像，打开了大量新的跨学科研究课题的大门。随着微光成像数据应用范围的拓展和应用领域的细分，高分辨率与大动态范围微光图像的需求越来越强烈，因此，对微光成像系统的性能提出了更高的要求，

5、其中低噪声高灵敏度微光探测技术成为系统性能进一步提升所依赖的关键技术。sCMOS图像传感器在微光探测方面具有众多的优势，本课题以sCMOS图像传感器为基础，对低噪声探测技术、系统灵敏度提升与评估技术及数字域TDI微光成像技术展开了深入的研究。主要的研究内容及创新点包括：1）分析了sCMOS图像传感器微光成像系统的噪声特性，建立了相应的噪声模型，深入分析了系统带宽对信噪比的影响，仿真计算了最佳系统带宽；另外，研究了基于sCMOS图像传感器微光成像系统随机行条纹噪声的特点，分析了其产生的机理，结合探测器信号读出特点，提出空

6、间域自适应随机行条纹噪声校正方法，取得了良好的校正效果；2）推导了成像系统逐像元转换增益计算方法，对计算过程引入的误差进行分析；在理论分析的基础上，采用单样本点和多样本点实测了每个像元的转换增益，结果表明多样本点结合最小二乘法能够提升像元转换增益的估计精度。对系统噪声特性进行了测试与分析，建立了系统信噪比模型，结合仿真与测试结果，研究了提升系统信噪比的方法。通过理论分析，说明在光学系统口径受限的情况下，实现信噪比的提升需要采用数字域TDI成像模式延长空间微光成像系统的积分时间。此外，针对夜天光条件下系统信噪比较难评估的

7、问题，提出基于微光积分球绝对辐射定标完成系统信噪比计算的方法，该方法能够准确客观的评估微光成像系统在夜天光条件下的系统信噪比性能；3）分析了数字域TDI成像模式对图像传感器的需求，给出了适合工程应用的数字域TDI数据处理方法；测试并分析了数字域TDI微光成像系统的信号与噪声特性，研究了数字域TDI成像模式实现大动态范围空间微光成像的方法；对TDI成像模式导致系统成像质量退化的动态MTF参数进行分析，研究了MTF与积分级数和速度适配误差的关系，为数字域TDI成像系统设计与参数优化提I空间高灵敏度大动态范围微光成像技术研究

8、供了依据；4）按照低噪声高灵敏微光探测理论及数字域TDI成像模式的工作方法，搭建了一套基于sCMOS图像传感器的微光成像系统，对系统噪声性能进行了测试，完成了微光成像实验及模拟推扫数字域TDI微光成像实验，成像实验结果表明，微光成像系统能够获取质量良好的微光图像，数字域TDI成像方法能够明显提高微光图像信噪比与动态范围，图像信噪比