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微光成像探测优化理论与高性能系统技术研究

作　者: 刘宇
导　师: 张保民
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 微光夜视像增强器调制传递函数散射介质成像选通成像非扫描激光雷达主动成像
分类号: TN223
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

论文研究了微光成像系统探测优化理论和方法。通过分析微光成像系统工作过程,研究了影响夜视过程的内外部因素,重点考虑了大气的散射特性及其在远距离情况下对目标对比度的衰减影响,开展了大雾天气下的夜视试验。根据理想光电成像系统探测方程,建立了微光成像系统基于大气散射介质成像理论的实际探测模型,分析了提高微光成像探测能力的因素。论文基于对大气散射特性和微光成像实际探测模型的研究,提出了调制传递函数(MTF)参数优先的设计原则,根据夜视系统在发现和识别方面的要求,提出了重点保障在低空间频率下的MTF特性的方法。相应研究、测试了微光像增强器的MTF特性,开展了基于MTF优先原则的光学系统优化,以及对三代像增强器、CCD、CRT等器件的选择。论文通过理论分析和试验,确定了扩展微光成像探测能力的三个研究重点,包括：系统MTF优先准则的有效性,选通像增强器的动态特性,助视下的系统技术及其探测能力。相应建立了：直视型和电视型的远距离微光成像系统样机、高速选通三代ICCD系统样机、以及采用激光脉冲助视和微光选通组件的主动成像系统样机。论文开展了实验室测试和野外夜间观察试验。对飞行高度2km、速度约700km／h、翼展9.3m的空中目标的远距离夜视观察试验,取得了13.7km～20.0km的发现距离、8.0km～10.0km的识别距离。三代选通ICCD的选通工作试验,获得了光阴极面照度10-5lx下400TVL和10-3lx下600TVL的高动态分辨力。主动成像野外试验,采取峰值功率100W、工作波长850nm、脉冲宽度200ns的激光器助视,获得间隔30m的树木之间的不同空间剖面的成像结果,以及穿透树木探测到其后面建筑物窗户的图像。研究表明：远距离微光成像系统研究中需要考虑对大气等介质对光学辐射的影响,对理想光电系统探测方程作基于散射影响的修正,能够更准确地反映夜视系统作用距离与相关因素的关系；基于MTF优化准则完成微光成像系统,能够有效扩展夜视系统的探测能力；三代像增强器有很好的动态成像特性,适合高速选通应用；基于微光选通探测和激光助视的主动成像探测系统,能够穿透一些障碍物,获取一定空间剖面内的图像,是扩展微光成像探测能力的有效手段。在扩展微光成像探测性能方面还可以进一步开展散射影响下的理论、远距离主动成像系统等后继研究工作。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-17
  1.1 微光成像系统的应用现状  13-14
  1.2 微光成像系统技术国内外研究情况  14-15
  1.3 开展微光成像探测优化理论与系统技术研究的意义  15-16
  1.4 论文主要研究工作  16-17
2 微光成像探测性能的理论模型  17-41
  2.1 影响微光成像探测距离的主要因素  17-28
    2.1.1 观察者的局限因素  18-19
    2.1.2 自然环境的影响因素  19-23
    2.1.3 夜视系统内部影响因素  23-25
    2.1.4 特殊探测时的其它因素  25-28
  2.2 微光成像实际系统探测理论模型  28-39
    2.2.1 理想光电系统探测方程  28-29
    2.2.2 基于MTF的数学分析  29-33
    2.2.3 基于散射介质成像的探测能力模型  33-36
    2.2.4 助视下的对比度传递特性  36-39
  2.3 小结  39-41
3 基于MTF的系统优化  41-67
  3.1 微光成像系统中的MTF分量  41-51
    3.1.1 MTF的含义及测试原理  42-46
    3.1.2 像增强器的MTF研究  46-48
    3.1.3 其它环节MTF的考虑  48-51
  3.2 微光光学系统  51-62
    3.2.1 直视型光学系统  52-55
    3.2.2 电视型光学系统  55-58
    3.2.3 选通试验光学系统  58-60
    3.2.4 助视试验光学系统  60-62
  3.3 成像器件  62-66
    3.3.1 基于成像介质、目标和夜天光特性选择像管  62-63
    3.3.2 基于MTF选择CCD与显示器  63-66
  3.4 小结  66-67
4 微光选通成像研究  67-81
  4.1 像增强器的高速选通  67-71
    4.1.1 像增强器选通控制电路  67-70
    4.1.2 选通参数匹配  70-71
  4.2 选通夜视系统  71-75
    4.2.1 三代选通ICCD系统  71-72
    4.2.2 选通试验及结果  72-75
  4.3 主动成像探测系统  75-79
    4.3.1 助视及选通成像系统  75-77
    4.3.2 助视、探测及控制  77-79
  4.4 小结  79-81
5 高性能系统研发与试验  81-91
  5.1 远距离夜视系统  81-83
    5.1.1 完成的夜视系统  81-82
    5.1.2 试验结果  82-83
  5.2 高动态分辨力选通ICCD系统  83-85
    5.2.1 试验系统  84
    5.2.2 性能测试  84-85
  5.3 主动成像ICCD系统  85-87
    5.3.1 试验系统  85-86
    5.3.2 性能测试  86-87
  5.4 分析与讨论  87-89
    5.4.1 基于MTF优化设计的微光成像系统相关问题  87-88
    5.4.2 选通微光成像系统的相关问题  88
    5.4.3 主动成像系统的相关问题  88-89
    5.4.4 可进一步开展研究的方向  89
  5.5 小结  89-91
结束语  91-95
致谢  95-96
参考文献  96-102
附录  102-104

微光成像探测优化理论与高性能系统技术研究

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