多次采样平均在长波红外高光谱成像系统中的应用

长波红外高光谱成像系统由于光谱细分导致探测器所接收的目标信号的能量较一般成像系统弱,因此系统噪声对成像效果影响较大。针对这一现象,本文在分析系统噪声成分的基础上,提出采用ADC多次采样平均的方法来降低其噪声,并从理论上推导了该方法的有效性。然后搭建了实验系统,分析计算不同积分时间下,利用多次采样平均技术得到的信号和噪声大小,并计算系统的信噪比和NETD。结果表明,多次(m次)采样平均对系统的信号值几乎无影响,但可以将系统噪声降低至原来的m~(-1/2)倍。因此,该方法可将系统的信噪比提高至原来的m~(1/2)倍,并能有效降低系统的NETD,提高系统灵敏度。该方法为改善长波红外高光谱成像系统成像效果提供了一种方案。     

多电容非制冷红外探测器动态范围调整技术

针对非制冷红外焦平面阵列（Uncooled Infrared Focal Plane Array, UIRFPA）对多目标成像时动态范围有限的问题,基于探测器特性提出了一种根据目标调整动态范围的方法。积分前,根据所选目标初始成像的灰度分布实时调整电容;同时逐点配置像元偏压,以适应动态范围并完成非均匀性校正(Non-Uniformity Correction, NUC);依次实现局部目标的最佳成像效果。最后搭建了一种用于验证此方法可行性的红外成像系统。结果表明,本文方法实现了动态范围的实时调整,并获得了清晰的局部关键目标图像。由于解决了动态范围与目标不匹配的问题,该方法对非制冷红外成像系统在多目标场景下的拓展应用具有一定意义。     

宽幅长波红外高光谱扫描成像系统的设计

为了满足宽幅长波红外高光谱成像需求,基于光导型碲镉汞线列探测器和平面闪耀光栅,提出了一种在长波红外8~12.5 μm范围内具有150个连续波段、30°成像视场角、基于地面应用的低成本、轻小型高光谱扫描成像系统的设计方法。该系统由光栅扫描机构和视场扫描机构组成,两机构同步控制以实现精细分光和宽幅成像功能。推导了光栅扫描角度与探测器接收单色光的波长、视场扫描角度与成像视场角间的关系式。在分析扫描系统扫描定位精度的基础上,设计了一套以步进电机为运动核心,采用“摆扫定位+停止成像”工作模式的扫描系统。实验表明,该扫描系统可满足系统视场定位精度及分光精度的要求。获取的硅碳棒在长波红外波段的发射光谱曲线表明该系统的设计合理有效。该扫描系统的设计方法对长波红外高光谱系统的设计具有一定的指导意义。     

大幅宽长波红外变帧频变焦成像

为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果,并降低扫描镜控制难度。首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系;针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题,在结合探测器变帧频分析与实现的基础上,提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法。推导了扫描镜匀角速度扫描时,光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式。最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统,搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统,并利用该系统进行了成像验证。成像结果表明,采用变帧频结合变焦成像方法,可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题。变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度,证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力。     

可见近红外宽波段复消色差高光谱物镜设计

为满足高光谱成像仪在365~1000 nm波段范围的成像需求,设计了一款中等视场角、大相对孔径的复消色差物镜。从初级色差理论出发,分析了可见近红外波段的玻璃材料的色散特性,为光学设计选择玻璃材料提供了理论依据。设计结果表明:通过对低色散氟冕玻璃的合理使用,物镜在宽波段内的色差得到了良好校正,二级光谱仅为0.014 mm。物镜焦距18 mm,相对孔径1∶2.4,视场角30°,成像质量接近衍射极限,满足高光谱成像仪的设计要求。