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焦平面阵列成像像质分析理论与优化技术研究

作　者: 张毅
导　师: 张保民
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 红外焦平面空间积分抽样中心布里渊区折叠混淆效应微扫描超分辨率自适应温度窗调整二维时间延迟积分
分类号: O435
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

热成像技术把物体表面的红外辐射分布转变为可见光图像，既克服了主动红外夜视的人工红外辐射源容易暴露的缺点，又克服了被动微光夜视完全依赖于环境光的不足。随着红外焦平面技术尤其是非制冷红外焦平面技术的发展，红外热成像技术得到了日益广泛的应用。与可见光CCD之类的阵列器件一样，凝视型红外焦平面探测单元间距决定了空间抽样频率，而被探测场景的空间频率往往要高于红外焦平面阵列探测单元重复频率的一半，这种欠抽样所产生的折叠混淆效应严重损坏了图像质量。另外现阶段非制冷红外焦平面技术由于器件及工艺的缘故，热图像空间分辨率低、温度分辨能力差，也一定程度上限制了红外焦平面技术的应用。有鉴于此，本文提出了阵列成像空间积分抽样的相位理论模型，为焦平面技术的研究、测试和消减因欠抽样而产生的频谱折叠混淆效应提供了理论依据；作为该理论模型的应用，本文对固定与非固定模式微扫描过程进行了分析；针对微机械式微扫描技术的不足，结合液晶光谱特性及电光特性的研究，提出并设计了基于红外TFT-LCD的非机械式微扫描技术。在彩色阵列显示方面，室外全彩色LED显示屏、便携式数字视频等特种显示设备，因各种各样的原因难以达到很高的分辨率要求，存在着阵列成像空间欠抽样的不足。本文在阵列成像空间抽样相位理论的指导下，从阵列显示单元的组合排列方式出发，提出了三角形像素重组和正方形像素重组的虚拟像素技术方案，在欠抽样结构下实现过抽样的超分辨率显示技术。在红外热图像实时处理方面，基于对红外焦平面热成像系统的空间分辨、动态范围、噪声特征以及红外热图像灰度分布的分析，研究了提高红外焦平面热成像系统空间分辨能力的电子微扫描技术、红外热像动态范围自适应调整的新型直方图均衡HE算法、改善红外焦平面热图像信噪比及图像对比度的自适应二维时间延迟积分2D—TDI算法。设计了以ALTERA公司STRATIX芯片EP1S20为核心的非制冷红外焦平面实时图像处理板，进行了算法的实时实现，取得了一定的效果。本文的研究工作，为在焦平面阵列器件与系统的设计研制与技术发展中，分析与优化成像质量，提供了必要的理论依据与技术基础。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-18
  1.1 热成像技术的发展概况  11-12
    1.1.1 热成像技术及其特点  11
    1.1.2 热成像技术的发展概况  11-12
  1.2 红外焦平面热成像研究情况  12-15
    1.2.1 红外焦平面成像理论研究  12-13
    1.2.2 红外焦平面热成像器件研究  13-14
      1.2.2.1 短波红外(SWIR)焦平面阵列  13-14
      1.2.2.2 中波红外(MWIR)焦平面阵列  14
      1.2.2.3 长波红外(LWIR)焦平面阵列  14
    1.2.3 红外焦平面热成像整机技术研究  14-15
  1.3 本文研究工作  15-16
  小结  16
  参考文献  16-18
2 抽样成像过程分析  18-27
  2.1 光电抽样成像系统  18-20
    2.1.1 光电抽样成像系统影响像质的因素  18
    2.1.2 光学成像与有限空间频率抽样  18-20
  2.2 抽样成像过程与频谱混淆效应  20-24
    2.2.1 扫描成像过程  20-22
    2.2.2 凝视阵列成像  22-24
  小结  24-25
  参考文献  25-27
3 抽样成像相位理论模型与微位移分析  27-34
  3.1 焦平面积分抽样相位理论模型  27-30
    3.1.1 焦平面积分抽样  27-28
    3.1.2 中心布里渊区的真假频混淆效应  28-29
    3.1.3 参与混淆效应的真假频谐波的模与空间频率的关系  29
    3.1.4 微位移引发的相位移因子  29-30
  3.2 微位移情况讨论  30-31
    3.2.1 微位移受控变化  30-31
    3.2.2 微位移非受控变化情况  31
  3.3 计算机模拟仿真结果  31-32
  小结  32-33
  参考文献  33-34
4 微扫描技术研究  34-47
  4.1 机电微扫描技术  34-36
  4.2 基于液晶的微扫描技术研究  36-41
    4.2.1 基于红外TFT-LCD的非制冷红外焦平面微扫描方案  36-38
      4.2.1.1 红外液晶材料特性  37
      4.2.1.2 红外TFT-LCD原理方案  37-38
    4.2.2 红外液晶微扫描驱动  38-41
  4.3 电子微扫描技术研究  41-44
    4.3.1 2×2虚拟微扫描技术  41-44
    4.3.2 3×3虚拟微扫描技术  44
  小结  44-46
  参考文献  46-47
5 空间抽样理论在阵列显示中的应用  47-53
  5.1 阵列显示中的频谱混淆效应  47-48
  5.2 像素重组模式  48-50
  5.3 像素重组技术的数据分配  50-51
  5.4 像素重组技术应用展望  51
  小结  51-52
  参考文献  52-53
6 红外焦平面热图像分析及实时处理算法  53-76
  6.1 红外焦平面热图像分析  53-63
    6.1.1 热成像系统空间分辨性能估算  54-57
    6.1.2 红外热图像的灰度分布  57-59
      6.1.2.1 红外热图像一维灰度直方图分布  57-58
      6.1.2.2 红外热图像二维灰度直方图分布  58-59
    6.1.3 红外图像的动态范围  59-61
    6.1.4 热成像系统的噪声  61-63
  6.2 红外图像实时处理的算法  63-73
    6.2.1 基于直方图均衡化的温度窗动态自适应调整  63-65
    6.2.2 自适应二维时间延迟积分2D-TDI  65-73
      6.2.2.1 视频信号传统累加模式  66
      6.2.2.2 二维时间延迟积分(2D-TDI)  66-67
      6.2.2.3 二维时间延迟积分的噪声抑制与对比度拉伸  67-69
      6.2.2.4 二维时间延迟积分的灰度溢出与运动模糊效应  69-71
      6.2.2.5 二维时间延迟积分自适应准则  71-72
      6.2.2.6 自适应二维时间延迟积分工作流程  72-73
  小结  73
  参考文献  73-76
7 红外焦平面热像实时处理  76-93
  7.1 实时图像处理器的设计  76-87
    7.1.1 红外图像实时处理器的设计思想  76-77
    7.1.2 红外图像实时处理器的基本结构  77-80
      7.1.2.1 模拟视频信号处理模块  78
      7.1.2.2 逻辑处理模块  78-79
      7.1.2.3 存储器模块  79
      7.1.2.4 视频信号合成与显示模块  79-80
    7.1.3 DMA框架  80-82
      7.1.3.1 传统的DMA框架  80-81
      7.1.3.2 DMA的组成  81-82
      7.1.3.3 DMA数据传送流程  82
    7.1.4 本系统DMA框架设计  82-86
      7.1.4.1 PIPE的结构  82-83
      7.1.4.2 本系统DMA内部结构  83-86
    7.1.5 红外焦平面实时图像处理系统  86-87
  7.2 实时图像处理算法的实现  87-91
    7.2.1 双邻域外推虚拟微扫描技术  87-88
    7.2.2 自适应温度窗选择  88-90
    7.2.3 自适应二维时间延迟积分  90-91
  小结  91
  参考文献  91-93
结束语  93-96
攻读博士学位期间的学术论文、专利与成果  96-98
附录  98-103
  附录A 基于像素重组的彩色阵列超分辨率显示技术  98-100
  附录B 红外焦平面实时图像处理  100-103
    附B1 虚拟微扫描技术  101-102
    附B2 温度窗的动态自适应调整  102-103
    附B3 自适应的二维时间延迟积分(2D-TDI)  103

焦平面阵列成像像质分析理论与优化技术研究

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