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提高星载红外成像系统空间分辨率的关键技术研究

作 者: 赖睿
导 师: 刘上乾
学 校: 西安电子科技大学
专 业: 物理电子学
关键词: 超分辨率 天基预警 IRFPA 图像配准 图像插值
分类号: TP391.41
类 型: 博士论文
年 份: 2007年
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内容摘要


星载红外成像系统的空间分辨率在很大程度上决定了天基预警卫星对来袭目标的探测识别概率和跟踪精度,因此,提高星载成像系统的空间分辨率是提高预警卫星战术性能的重要技术途径之一。现阶段,提高星载成像系统的空间分辨率的主要手段是采用超大阵列的红外探测器或采用超分辨率成像方法。然而,低噪声、高密度红外探测器的研制投入大、耗时长,难以很快解决现有问题,而现存的超分辨率成像算法大多涉及复杂的迭代运算,不能满足星载成像系统的实时性要求。因此,有必要针对现有预警卫星系统的工作方式,研究一种能有效提高其星载红外成像系统空间分辨率的新方法。本文首先对超分辨率成像的理论基础、机理以及现有实现方法进行综合归纳和对比研究,并对星载红外成像系统的工作原理以及输出图像的特点进行了深入分析,在此基础上,讨论了影响星载红外成像系统空间分辨率的各种因素,并指出空间采样率不足和噪声干扰是影响星载红外成像系统空间分辨率的最主要因素。因此,本文主要从提高系统信噪比和空间采样率两个方面入手研究探索解决星载红外成像系统分辨率不足的问题。为了在提高星载红外成像系统空间分辨率的同时兼顾其实时性要求,本文研究并提出了易于分解成多任务并行处理的超分辨率处理算法,该算法依次采用红外图像预处理、红外图像配准和图像超分辨率插值这三项关键技术,以实现对成像系统空间分辨率的有效提升。其中以非均匀性校正和图像增强为主要研究内容的预处理技术主要用于提高图像信噪比和对比度,而图像配准技术和超分辨率插值技术则旨在提高图像的空间采样率。其次,从红外图像采集和处理两方面入手对星载成像系统的超分辨率成像硬件实现方案进行了讨论。针对星载红外成像系统超分辨率成像实时性和可靠性的要求,本文提出了一种模块化的并行处理硬件系统方案。该方案通过将整个处理过程划分成多任务,而后,由多个信号处理单元以流水线的方式并行执行,实现了由串行处理到并行处理的转化,有效地节省了处理过程的时间开销,提高了系统的实时性;此外,还设计了一种抗干扰能力强、数据传输带宽宽的以标准CPCI总线架构为基础的系统数据馈送方案,提高了系统在恶劣条件下工作的稳定性和可靠性。最后,基于实验室硬件仿真平台的超分辨率重建实验结果,证实了本文研究的各项关键技术确能有效提高红外成像系统的空间分辨率。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-12
第一章 绪论  12-21
  1.1 天基预警卫星系统  12-14
    1.1.1 预警卫星的工作原理  12-13
    1.1.2 预警卫星系统的基本工作流程  13
    1.1.3 预警卫星的发展历程  13-14
  1.2 提高成像系统空间分辨率的有效途径  14-15
  1.3 超分辨率成像的发展历程及研究现状  15-16
    1.3.1 发展历程  15
    1.3.2 国内外研究现状  15-16
  1.4 论文的选题及实用价值分析  16-17
    1.4.1 课题的选题背景  16-17
    1.4.2 课题的提出  17
    1.4.3 课题的实用价值分析  17
  1.5 论文的主要研究内容及结构安排  17-18
  参考文献  18-21
第二章 超分辨率成像理论及方法  21-40
  2.1 成像系统观测模型  21-24
    2.1.1 连续模型  21-22
    2.1.2 离散模型  22-23
    2.1.3 点扩散函数(PSF)  23-24
  2.2 超分辨率的概念  24-28
    2.2.1 图像的空间分辨率  24-26
    2.2.2 超分辨率成像  26-28
  2.3 超分辨率成像的理论基础  28-30
    2.3.1 超分辨率成像的数学物理基础  28-29
    2.3.2 超分辨率复原能力  29-30
  2.4 超分辨率成像技术的分类及实现方法  30-37
    2.4.1 频率域方法  30-32
    2.4.2 空间域方法  32-37
  参考文献  37-40
第三章 提高星载成像系统空间分辨率的关键技术  40-49
  3.1 星载红外成像系统  40-41
    3.1.1 红外成像的基本原理  40-41
    3.1.2 红外成像系统的组成原理  41
  3.2 红外成像系统输出图像的特点及存在的问题  41-42
  3.3 超分辨率极限影响因素的理论分析  42-45
    3.3.1 “三步”超分辨率算法  42
    3.3.2 影响分辨率的主要因素  42-45
  3.4 影响成像分辨率的实际因素  45-46
  3.5 提高预警卫星空间分辨率的关键技术  46-47
  3.6 小结  47
  参考文献  47-49
第四章 超分辨率处理中的图像预处理技术  49-71
  4.1 红外成像系统的噪声源分析  49-53
    4.1.1 背景空间起伏噪声  49
    4.1.2 探测器噪声  49-52
    4.1.3 读出电路噪声  52
    4.1.4 A/D转换噪声  52
    4.1.5 电路噪声  52-53
  4.2 红外焦平面成像系统的非均匀性产生机理  53-54
  4.3 红外焦平面阵列的非均匀性校正  54-62
    4.3.1 基于参考辐射源的红外焦平面非均匀性校正  54-56
    4.3.2 基于场景的红外焦平面非均匀性校正  56-62
  4.4 红外图像对比度增强技术  62-68
    4.4.1 基于直方图投影(HP)的图像增强技术  63
    4.4.2 欠采样双阈值映射技术  63-68
  4.5 小结  68
  参考文献  68-71
第五章 超分辨率处理中的图像配准技术  71-92
  5.1 图像配准技术  71-72
  5.2 图像配准技术分类  72-74
    5.2.1 灰度信息法  72-73
    5.2.2 图像特征法  73
    5.2.3 变换域方法  73-74
  5.3 图像的空间变换  74-76
  5.4 基于积分投影的梯度配准方法  76-79
  5.5 基于积分投影和多分辨谱分解的图像亚象素配准方法  79-82
  5.6 基于LTS-HD测度的低信噪比图像鲁棒配准方法  82-88
  5.7 小结  88-89
  参考文献  89-92
第六章 超分辨率处理中的图像插值技术  92-108
  6.1 数据插值的基本概念  92
  6.2 图像插值  92-100
    6.2.1 理想插值  93-95
    6.2.2 常用图像插值方法  95-99
    6.2.3 图像插值核的性能分析  99-100
  6.3 自适应图像插值  100-102
    6.3.1 基于有偏距离的图像插值  100-101
    6.3.2 基于区域活跃度的图像插值  101-102
  6.4 基于局部纹理特征的自适应图像插值方法  102-105
  6.5 小结  105-106
  参考文献  106-108
第七章 提高星载成像系统空间分辨率的硬件实现方案  108-119
  7.1 系统的组成结构及功能  108-109
  7.2 红外图像采集模块  109-111
  7.3 图像超分辨率处理模块  111-115
    7.3.1 超分辨处理子模块结构原理  111-112
    7.3.2 各部分电路功能详述  112-114
    7.3.3 超分辨率处理执行流程  114-115
  7.4 基于硬件平台的超分辨率处理实验  115-117
  7.5 系统的技术特点总结  117
  参考文献  117-119
第八章 总结  119-121
致谢  121-122
攻读博士学位期间的研究成果  122-124

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理(信息加工) > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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