短波红外是一种波长范围为0.76 μm-3 μm的电磁辐射,它在电磁波谱中的位置位于可见光和中长波红外之间,利用该波段光进行探测成像能得到不同于可见光以及中长波红外探测成像的信息。短波红外成像方式与可见光成像方式类似,主要利用物体表面反射的光信号实现成像。相比于主要获取轮廓像的中长波红外热成像,短波红外成像获得的图像存在阴影,目标的细节更为丰富,更易于识别辨认;而与可见光成像相比,短波红外成像具备大气传输特性好的特点,在烟、雾、霾等恶劣环境下往往能获得更好的成像效果。短波红外成像以其独有的特点,能够作为可见光和中长波红外成像的有益补充,填补两者之间的光谱空白,推动全波段成像的发展,近年来成为国际研究的热点领域。目前,短波红外成像技术在军用、工业、医疗、农业、航天以及商用等多个领域均有着十分迫切的应用需求,因此该技术具有重要的研究意义和应用价值。本论文基于国产InGaAs焦平面探测器,通过关键驱动采集硬件电路的研制,以及嵌入式控制处理软件和上位机处理显示软件的开发,研制出了面阵凝视型短波红外成像仪,针对影响成像仪成像效果的主要因素开展了短波红外图像处理技术的研究,针对高动态范围场景下的成像开展了短波红外高动态范围成像及显示技术研究,针对照明不良环境下的远距离目标成像探索研究了短波红外激光距离选通成像技术。本论文主要研究内容如下:1.研制了基于国产InGaAs焦平面探测器的面阵凝视型短波红外成像仪,其中InGaAs焦平面探测器选用上海技术物理研究所研制的激光选通InGaAs焦平面探测器。以FPGA芯片为核心研究开发了驱动采集硬件电路,设计了高速双采样全差分信号采集电路,其采集速度高达40MSPS,双采样同时保留参考输出和信号输出的原始数据,全差分具有动态范围大、失真小、抗共模干扰的特性。设计了由嵌入式控制处理软件和上位机处理显示软件组成的处理显示软件,其中嵌入式控制处理软件基于FPGA芯片进行设计开发,采用流水线设计思路,能够实时完成数据采集组帧并为焦平面探测器提供驱动时序;上位机处理显示软件是使用C#语言基于.NET框架设计开发的,其与上位机系统兼容性好,使用方便。所研制的面阵凝视型短波红外成像仪响应波长为0.9 μm-1.7 μm,分辨率为640 ×512,其不包含镜头的尺寸为76 mm × 68 mm × 62 mm,质量约为300 g,功耗为2.5 W,最大帧率可达122 fps。2.针对影响面阵凝视型短波红外成像仪成像效果的非均匀性和盲元等因素进行了研究,并针对性开展了图像处理方法研究。采用国家标准中红外焦平面参数测试方法中的响应法,对面阵凝视型短波红外成像仪的非均匀性和盲元进行了研究,计算得出短波红外成像仪的非均匀性和盲元率,并得到其非均匀性曲线和盲元分布图。根据盲元特性,将面阵凝视型短波红外成像仪的盲元分为成对盲元、单饱和像元、单死像元和十字死像元等,并采用激光光束诱导电流(LBIC)方法对这几类盲元的成因进行了进一步探索,得到各类盲元的成因分别为:PN结和读出电路的错误连接、缺陷和杂质、铟柱断开以及PN结未成型等。根据上述的研究结果,针对不同种类的盲元,针对性提出了以选择性中值滤波为核心的短波红外图像处理方法,能够有效地消除图像中的盲元,改善图像的非均匀性。并针对盲元随面阵凝视型短波红外成像仪工作时间延长而增多的情况,提出了一种基于响应法的实时盲元识别和校正方法,该方法简单易用,能准确识别出该类不断增多的盲元,且对这些盲元有很好的校正效果。3.在安全监控、机器视觉和医学影像领域存在许多对成像动态范围要求很高的场景,为了使面阵凝视型短波红外成像仪能够清晰地展现出场景的明暗细节信息,开展了短波红外高动态范围成像及显示技术研究。基于国产InGaAs焦平面探测器的相关双采样技术,提出了一种高动态范围成像方法,将面阵凝视型短波红外成像仪所获取图像中的像元分为高动态范围像元和常规像元,分别进行处理,并最终合成为一幅图像,该方法能够实现图像动态范围的扩展。除此之外,针对目前常规显示设备因显示动态范围不足而无法显示高动态范围图像的问题,采用全局映射方法中的对数映射结合直方图均衡,对高动态范围图像进行了实时动态范围压缩和显示。将高动态范围成像及显示技术应用于面阵凝视型短波红外成像仪,仍能保证短波红外成像仪良好的实时性,达到100fps以上的帧率,且其图像细节方面的表现明显优于常规成像及显示的图像细节。4.在照明不良的环境下,采用被动成像方式和常规主动照明成像方式对远距离目标成像,均难以获得很好的成像效果。针对这个问题,探索研究了短波红外激光距离选通成像技术。基于面阵凝视型短波红外成像仪,配合主动照明光源和同步控制模块,完成了短波红外激光距离选通成像系统的搭建,通过系统选通门开启时间和主动照明光源光发射时间之间的延时,以及选通门门宽的调整,实现系统成像距离和成像景深的调节,实现了场景中不同距离目标选择性成像的基本功能。短波红外激光距离选通成像系统的最小选通门宽为2.6μs,对应系统成像景深为390m;系统选通门开启时间和光源光发射时间之间的延时调节可以达到ns级别的精度,对应可以实现米量级的系统成像距离调节精度。该方面的探索研究将为后续国产激光选通成像焦平面探测器的优化以及高集成度短波红外激光距离选通成像系统的研制提供重要参考及前期技术支持。论文中的主要创新点和贡献总结如下:1.设计了高速双采样全差分信号采集电路,能够实现焦平面探测器在最高频率工作时的信号采集,双采样同时保留参考输出和信号输出的原始数据,比不采用全差分的方案动态范围提升一倍且不易失真。所研制的基于国产InGaAs焦平面探测器的面阵凝视型短波红外成像仪,积分时间和频率等参数可灵活调节,最大成像帧率可达122 fps。2.针对国产InGaAs焦平面探测器,提出了一种更详细的盲元分类方法,并实验探索了各类盲元的成因,根据探索的结果,提出了以选择性中值滤波为核心的短波红外图像处理方法。同时,对于盲元随面阵凝视型短波红外成像仪工作时间延长而增多的情况,提出了一种基于响应法的实时盲元识别与校正方法。这两种方法能有效地改善面阵凝视型短波红外成像仪非均匀性和盲元的问题。3.提出了一种基于国产InGaAs焦平面探测器相关双采样技术的短波红外实时高动态范围成像技术,并研究了相关的实时高动态范围显示技术。将该技术应用于面阵凝视型短波红外成像仪中,在保证实时成像与显示的同时,丰富了图像层次与细节信息,在动态范围较高的场景下能获得较好的成像结果。4.探索研究了基于面阵凝视型短波红外成像仪的短波红外激光距离选通成像技术。基于面阵凝视型短波红外成像仪,搭建了短波红外激光距离选通成像系统,实现了场景中不同距离目标选择性成像的基本功能。该技术的探索研究有利于推动短波红外成像在照明不良的环境下对远距离目标成像的应用发展。