红外焦平面成像系统建模及TOD性能表征方法研究

论文题目: 红外焦平面成像系统建模及TOD性能表征方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 王晓蕊

导师: 张建奇,冯卓祥

关键词: 红外焦平面成像系统,三角形方位鉴别阈值,性能模型,微扫描成像,目标获取模型

文献来源: 西安电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 红外焦平面阵列技术的发展日趋成熟,使得新型焦平面成像系统以其独特的优点逐渐替代传统的扫描型成像系统,并将成为未来成像系统发展的主流趋势。新型红外焦平面成像系统由于引入了新工艺、新结构和新技术,使得影响系统性能的因素发生了明显的变化。而传统成像系统理论模型及性能表征方法对这些新技术考虑不足或没有考虑,因此,非常有必要改进传统的性能评价方法或选择全新的性能评价方法以适应不断发展的新型红外成像系统的性能评估。 针对新型红外焦平面成像系统,本论文开展了如下研究工作:(1)深入分析了焦平面成像系统引入的新技术及其导致的各种典型物理效应,以连续/离散/连续分析模型为基础,重点研究了非线性因素:光学扭曲、渐晕、采样效应、非线性响应特性、噪声、重构显示算法等的建模仿真方法,建立了较为完善的焦平面红外成像系统仿真模型,并利用最小可分辨率温差MRTD的实验仿真预测结果验证了仿真模型的合理性。(2)根据微扫描成像机理,推导了微扫描探测器阵列的象素传递函数模型,并利用此模型首次定量分析了探测器占空比、微扫描模式对微扫描成像质量和分辨率的改善程度,确定了特定占空比探测器的最优微扫描模式的选择方法;并利用最小可分辨温差模型和压缩传递函数,定量分析了微扫描模式对成像系统现场性能的改善程度,可为微扫描成像系统的优化设计提供理论支持。(3)立足于红外成像系统性能评价的新概念—三角形方向鉴别阈值(TOD)度量方法,设计制作了等边三角形方位靶标,利用四选一测量过程研究了三角形方位鉴别概率的测量方法,利用Weibull心理测量函数拟合鉴别概率数据,实现了TOD曲线的度量;并针对TOD试验测量平台和测量方法,首次对TOD度量结果的不确定度进行了分析,验证了TOD测量结果的稳定性。(4)在焦平面成像系统各模块建模的基础上,仿真生成三角形靶标图像,构建了三角形靶标方位分类器,建立了基于三角形靶标成像仿真的TOD预测理论模型。(5)以可感知信噪比为理论基础,利用匹配滤波器的概念首次建立了扫描型和凝视型红外成像系统的TOD理论模型,以试验数据为基础,验证了TOD性能理论模型的正确性;并利用TOD理论模型定量分析了系统结构参量对系统综合性能的影响,探讨了基于TOD理论模型的焦平面红外成像系统匹配设计方法 (6)最后,依据外场试验数据,确定了TOD曲线向外场性能转换的TOD准则;以TOD准则为理论基础,首次提出了一种TOD曲线与目标热结构分布特性有效结合的目标获取改进模型,能够更精确地预测系统的现场性能。

论文目录:

摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及重要意义

1.2 性能评估理论模型的研究内容和研究方法

1.3 红外成像系统性能评估的研究现状

1.3.1 基于信息理论的成像系统评价方法

1.3.2 基于建模仿真的成像系统评价方法

1.3.3 基于性能模型的成像系统评价方法

1.4 论文课题来源与内容结构

1.4.1 课题来源

1.4.2 内容结构

第二章 红外焦平面成像系统建模仿真

2.1 焦平面成像系统典型物理效应

2.2 系统分析模型的选择

2.2.1 连续输入/连续输出模型(C/C模型)

2.2.2 离散输入/离散输出模型(D/D模型)

2.2.3 连续输入/离散处理/连续输出模型(C/D/C模型)

2.2.4 C/D/C模型在红外成像系统仿真的具体体现

2.3 响应特性理论分析

2.4 成像系统物理效应建模仿真

2.4.1 系统空间传递特性建模仿真

2.4.2 系统非线性效应建模仿真

2.5 成像系统建模合理性的验证

2.6 本章小结

第三章 基于微扫描的焦平面成像特性分析

3.1 微扫描技术的研究现状

3.2 微扫描模式

3.3 微扫描成像特性分析模型

3.4 微扫描成像特性度量因子

3.5 微扫描成像分辨率的定量计算与分析

3.6 微扫描成像过程仿真

3.7 微扫描成像系统的现场性能分析

3.8 本章小结

第四章 TOD曲线度量及不确定度分析

4.1 TOD度量方法概述

4.1.1 TOD测试靶标

4.1.2 TOD曲线测量方法

4.1.3 视觉心理测量函数

4.2 TOD曲线度量

4.2.1 TOD测试平台

4.2.2 TOD测试及数据处理

4.3 TOD测量结果不确定度分析

4.3.1 ΔT_(EFF)不确定度

4.3.2 △V_(sys)不确定度

4.3.3 观察者响应的不确定度

4.4 本章小结

第五章 TOD性能预测理论模型

5.1 基于靶标仿真成像的TOD曲线预测

5.2 基于方程的TOD性能理论模型

5.2.1 TOD性能模型推导思想

5.2.2 三角形标准靶空间分布数学描述

5.2.3 视觉模型

5.2.4 扫描型红外成像系统TOD理论模型

5.2.5 凝视型红外成像系统TOD理论模型

5.3 TOD性能理论模型仿真结果及实验验证

5.3.1 扫描型成像系统TOD仿真结果验证与分析

5.3.2 凝视型成像系统TOD仿真结果验证与分析

5.3.3 MRTD与TOD性能模型比较分析

5.4 基于TOD理论模型的成像系统匹配设计探讨

5.5 本章小结

第六章 基于TOD曲线的目标获取模型

6.1 基本概念及目标获取模型

6.1.1 基本概念

6.1.2 目标获取模型

6.2 TOD准则的试验确定

6.2.1 试验装置及条件

6.2.2 试验测量过程

6.2.3 试验测量数据处理及结果分析

6.3 基于TOD曲线的现场性能预测

6.3.1 基本思想

6.3.2 目标与背景特性表征

6.3.3 TOD现场性能预测实现方法

6.3.4 目标获取模型的验证

6.4 本章小结

第七章 全文总结

7.1 结论及主要创新点

7.2 进一步研究计划

致谢

参考文献

攻读博士学位期间研究成果

发布时间: 2007-01-10

参考文献

• [1].集成模数转换器的红外焦平面读出电路研究[D]. 高磊.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)2015
• [2].640×512红外焦平面读出电路的设计研究[D]. 梁清华.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)2017
• [3].碲镉汞红外焦平面探测器可靠性相关技术研究[D]. 陈星.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）2014
• [4].非致冷红外焦平面的读出电路及测试系统研究[D]. 陈西曲.华中科技大学2007
• [5].微纳VO2薄膜特性及其应用研究[D]. 何少伟.华中科技大学2008
• [6].非制冷红外焦平面探测器测试及验证成像技术研究[D]. 刘子骥.电子科技大学2013
• [7].非致冷红外焦平面探测器系统中若干关键技术的研究[D]. 杨旸.浙江大学2011
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