提高微光信号检测灵敏度的新方法

摘要

微光信号检测是指夜间和其它低光照度时目标信息的获取、转换、增强、记录和显示，它使人眼视觉在空间、时域和频域得到有效扩展。微光信号检测在军事安全、科学研究以及工程技术领域发挥重要作用。随着科技的发展各种微光信号检测器件都具有很高的灵敏度，但在光照极其微弱的条件下，它们依然具有检测极限。所以如何进一步突破照度极限提高微光检测的灵敏度是一个永恒的主题。为此本文提出一种提高微光信号检测灵敏度的新方法，该方法可以使一维和二维光电检测系统的灵敏度得到明显提高，这为微光信号检测增添了一种可行的手段，更为其它传感器使用过程中分辨力与灵敏度的提高开辟了一个新的途径。
　　1．在对光电直接检测系统中基本工作原理、噪声来源、灵敏度以及阈值的分析的基础上，建立光电直接检测系统的黑箱理论分析模型，进而将光电直接检测系统视为类似A/D转换的量化系统。在此前提下，借鉴成形信号与过采样技术，并尝试将光学成形信号与过采样技术相结合，以提高光电直接检测系统的灵敏度。同时以一维微光信号检测为例，在初步理论分析的基础上，通过实验验证了该方法的有效性。
　　2．采用帧积累与成形信号技术，进行提高二维微弱图像信号的检测灵敏度的理论研究及实验验证。首先通过统计理论证明了用该方法可以得到微弱图像信号的无偏估计，并采用Lindberg-Levy定理计算出用该方法可以将信噪比提高。通过对微弱投影的xs检测实验，验证了这种方法的有效性。
　　3．对帧积累与成形信号技术进行优化，克服其使用过程中因两次帧积累所造成的成像速度慢操作复杂的缺点。首先通过摄像头前的LED产生锯齿型光学成形信号，在镜头中发生漫散射后均匀分布在CCD上，使得该方法适用于远距离微弱成像；然后在数据处理过程中采用最小二乘法去除光学成形信号的成分，获得微弱图像信号的最佳拟合矩阵，使所需帧数减少一半，成像速度提高一倍。
　　4．以Altera公司的DE2多媒体开发平台为核心设计基于FPGA的微弱图像检测系统。系统以帧积累与光学成形信号技术为理论基础，利用FPGA可以对数据进行并行处理的特点，实现了对微弱图像检测数据的高速实时处理，从而克服了以PC机为微弱图像处理核心的处理速度的限制，减轻了由于数据离线处理所带来的存储负担。同时该检测系统便携式的特点有助于在各种环境下进行微弱图像检测，从而为帧积累与光学成形信号技术的进一步完善创造更加有利的条件。

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第一章 绪论

1.1微光信号的定义以及微光检测所涉及的范围

1.2微光信号检测的发展及研究现状

1.3本文的研究目的和主要研究内容

第二章 提高一维微光信号检测灵敏度的方法及实验

2.1引言

2.2光电直接检测系统的基本工作原理与基本特性

2.3光电直接检测系统的灵敏度与阈值分析

2.4黑箱理论、过采样与成形信号技术原理

2.5一维微光检测实验

2.6结果的初步分析与讨论

2.7小结

第三章 提高二维微光信号检测灵敏度的方法和实验

3.1引言

3.2光电成像系统的结构与基本特性

3.3帧积累与成形信号技术原理

3.4微弱投影检测实验

3.5小结

第四章 施加和去除光学成形信号的方法优化

4.1引言

4.2光学成形信号去除方法的研究

4.3光学成形信号施加方法的研究

4.4优化方案的实验验证

4.5小结

第五章 基于FPGA的微弱图像检测系统

5.1引言

5.2 Altera DE2多媒体开发平台

5.3微弱图像检测系统的硬件平台

5.4微弱图像检测系统的软件设计

5.5程序资源耗用及微弱图像检测结果

5.6小结

第六章 总结与展望

6.1论文完成的主要工作

6.2论文研究的创新点

6.3研究工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

一维微光检测实验ADμC841程序

AD9742锯齿波信号发生程序

ADV7181B对PAL制信号的解码配置程序

致谢