一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统；在扫描成像模式下，智能综合处理单元驱动光学快扫组件进行正向扫描，完成星下点大范围区域内地物信息采集，并经光学镜头会聚成像，由光子计数焦面接收并形成表征地物信息的光子计数值矩阵，传输至智能综合处理单元，由智能综合处理单元完成重要目标或区域位置信息的提取，然后智能综合处理单元驱动光学快扫组件进行反向扫描，同样经光学镜头会聚成像、光子计数焦面形成光子计数值矩阵、传输至智能综合处理单元，智能综合处理单元根据正向扫描时提取的重要目标或区域位置信息，对重要目标或区域位置进行切片、形成重要目标或区域的图像信息。或区域的图像信息。或区域的图像信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统


[0001]本专利技术属于卫星光学遥感器
，涉及一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，适用于星载光学相机。

技术介绍

[0002]随着空间光学遥感技术的进步，航天应用对星载光学相机提出了高分辨率超宽幅的应用需求，直接导致相机口径、视场、外形尺寸等越来越大，焦面阵列规模也越来越大。以500km轨道高度实现0.5m分辨率、300km幅宽为例：若按照常规推扫成像模式，则需要的相机口径一般需要0.5m以上、视场达到33.4
°
，需要的焦面阵列规模则需要不少于60万元，即便按目前已知最小的3.5μm探测器像元尺寸计算，焦面长度也达到2.1m，系统体量在3000mm
×
3000mm
×
2500mm以上，尺寸、重量及功耗远超常规相机，作为有效载荷的资源需求已远超常规卫星能力，实现的综合成本太高；而若采用光机扫描实现300km以上幅宽，则在相机口径同样达到0.5m以上的同时，需要的焦面阵列规模仅约2万元，相应视场约1.14
°
，系统体量约2000mm
×
750mm
×
900mm，此时常规卫星能力可以满足如此体量的资源需求，但由于积分时间超短、仅1μs，带来了高速读出和低信噪比的问题，一方面读出的行速率需要达到约1000kHz，同时按典型辐照度计算，此时的光子数仅约10个，积分级数需要约1000级才能实现40dB信噪比。此外，当前针对广域复杂背景下低照度有价值目标探测发现、晨昏/微光等暗弱条件下亮暗共存成像，对系统也提出了高灵敏度、大动态范围的应用需求，动态范围需要达到100dB。综合以上应用需求，对系统提出了超高行频(1000kHz)、超高积分级数(1000级)和超大动态范围(100dB)的核心性能需求。
[0003]而目前传统探测器——TDI CCD和TDI CMOS等受限于采用光电转移成像体制的固有缺陷：一方面接收的光信号转换为电子后，在每一级TDI(时间延迟积分)转至下一级时，由于固有的转移残留导致转移效率一般＜1，而转移效率又会对相同成像MTF产生影响，为了减小转移效率对系统成像质量的影响，同时也为了提高探测器成品率(像素良率要求100％)，因此传统探测器的积分级数一般仅128级；另一方面，每一级TDI转至下一级的光电转移过程一般需要约百ns的转移时间，需要侵占曝光时间，同时每个像元又需要一定的读取时间(含模数转换)，因此传统探测器的行频一般仅100kHz；另外，探测器逐级光电转移后，最终电子均需要累积至位于像元下方的积分电容中，而受到积分电容最大量程的限制即存在固有的满阱电荷上限，同时又存在固有的读出噪声，因此传统探测器的动态范围一般仅80dB。因此，基于TDI CCD或TDI CMOS等传统探测器的成像系统其行频、积分级数、动态范围受现有体制局限，已无法满足高分辨率超宽幅或高灵敏度的应用需求。
[0004]此外，系统若实现高分辨率超宽幅，将产生超大数据率的图像数据，基于现有数传传输能力将带来极大负担，仍然以0.5m分辨率、300km幅宽为例，按量化位数12bit计算，原始数据率将达到248.65Gbps，无论是从相机端传输至数传端，还是从数传端下传至地面系统，均意味着极高的资源需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，基于时间延迟积分的光学快扫成像，突破传统光电转移成像体制瓶颈，可在微秒级乃至亚微秒级超短积分时间内，实现高分辨率超大幅宽、高分辨率高灵敏度、高分辨率视频多模式成像，同时还可实现重要目标自搜索发现与识别确认，大幅提升光学遥感器使用效能。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，包括光学快扫组件、光学镜头、光子计数焦面和智能综合处理单元；在扫描成像模式下，智能综合处理单元驱动光学快扫组件进行正向扫描，完成星下点大范围区域内地物信息采集，并经光学镜头会聚成像，由光子计数焦面接收并形成表征地物信息的光子计数值矩阵，传输至智能综合处理单元，由智能综合处理单元完成重要目标或区域位置信息的提取，然后智能综合处理单元驱动光学快扫组件进行反向扫描，同样经光学镜头会聚成像、光子计数焦面形成光子计数值矩阵、传输至智能综合处理单元，智能综合处理单元根据正向扫描时提取的重要目标或区域位置信息，对重要目标或区域位置进行切片、形成重要目标或区域的图像信息。
[0007]光学快扫组件采用低密度、高弹性模量材质扫描镜；扫描成像模式下，光学快扫组件的扫描角度θ按如下公式进行计算：
[0008][0009]式中，H为系统所处轨道高度，R为地球半径，SW为系统幅宽。
[0010]光学镜头采用低密度、高弹性模量同质材料3D打印一体成型；光学镜头的焦距fl按如下公式进行计算：
[0011]IFOV＝GSD/H
[0012]fl＝pl/IFOV
[0013]式中，IFOV为系统瞬时视场，GSD为系统星下点地面像元分辨率，pl为光子计数焦面像元尺寸。
[0014]光子计数焦面采用单光子雪崩光电二极管阵列，对经光学镜头会聚成像的地物信息进行单光子计数，最小可探测光子数为N
min
、暗计数为DCR，N
min
表示光子计数焦面每接收N
min
个光子、光子计数值增加1，DCR表示光子计数焦面对单光子计数的随机误差；单光子雪崩光电二极管阵列规模为K
×
T，K表示沿轨飞行线阵方向像元数，T表示穿轨扫描时间延迟积分方向像元数；在扫描成像模式下，光子计数焦面的工作行频f按如下公式进行计算：
[0015][0016][0017]式中，v
s
为星下点飞行速度，G为引力常量，M为地球质量，η为光学快扫组件的扫描效率。
[0018]在扫描成像模式下，智能综合处理单元对光学快扫组件进行双向扫描驱动控制，光学快扫组件正向和反向两次扫描之间的指向角度差Δ
X
、Δ
Y
按如下公式计算：
[0019][0020][0021]在扫描成像模式下，智能综合处理单元对光子计数焦面采集的光子计数值矩阵进行如下处理，正向扫描时光子计数值矩阵(K
×
T)分割为两组矩阵[K
×
(1～X)]和{K
×
[(T
‑
X+1)～T]}，分别累加X级后形成具有时间差ΔT的两组矩阵(K
×
1)，从而适用于目标差分检测，反向扫描时光子计数值矩阵(K
×
T)累加T级后形成一组矩阵(K
×
1)，从而提高图像信噪比。ΔT按如下公式计算：
[0022][0023]式中，X为预先定义的正向扫描时间延迟积分级数。
[0024]在视频成像模式下，智能综合处理单元驱动光学快扫组件以不小于v
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，其特征在于：包括光学快扫组件、光学镜头、光子计数焦面和智能综合处理单元；在扫描成像模式下，智能综合处理单元驱动光学快扫组件进行正向扫描，完成星下点大范围区域内地物信息采集，并经光学镜头会聚成像，由光子计数焦面接收并形成表征地物信息的光子计数值矩阵，传输至智能综合处理单元，由智能综合处理单元完成重要目标或区域位置信息的提取，然后智能综合处理单元驱动光学快扫组件进行反向扫描，同样经光学镜头会聚成像、光子计数焦面形成光子计数值矩阵，传输至智能综合处理单元，智能综合处理单元根据正向扫描时提取的重要目标或区域位置信息，对重要目标或区域位置进行切片，形成重要目标或区域的图像信息。2.根据权利要求1所述的一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，其特征在于：光学快扫组件采用低密度、高弹性模量材质扫描镜。3.根据权利要求1所述的一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，其特征在于：扫描成像模式下，光学快扫组件的扫描角度θ：式中，H为系统所处轨道高度，R为地球半径，SW为系统幅宽。4.根据权利要求1所述的一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，其特征在于：光学镜头采用低密度、高弹性模量同质材料3D打印一体成型。5.根据权利要求1所述的一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，其特征在于：光学镜头的焦距fl：IFOV＝GSD/Hfl＝pl/IFOV式中，IFOV为系统瞬时视场，GSD为系统星下点地面像元分辨率，pl为光子计数焦面像元尺寸。6.根据权利要求1所述的一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，其特征在于：光子计数焦面采用单光子雪崩光电二极管阵列，对经光学镜头会聚成像的地物信息进行单光子计数，最小可探测光子数为N
min
、暗计数为DCR，N
min
表示光子计数焦面每接收N
min
个光子、光子计数值增加1，DCR表示光子计数焦面对单光子计数的随机误差；单光子雪崩光电二极管阵列规模为K
×
T，K表示沿轨飞行线阵方向像元数，T表示穿轨扫描时间延迟积分方向像元数。7.根据权利要求1所述的一种基于单光子时域累计的广域高灵敏度探测系统，其特征在于：在扫描成像模式下，光子计数焦面的工作行频f计算如下：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张正慧，阮宁娟，王茹，聂云松，田国梁，刘晓鹏，李岩，魏久哲，王征，李妥妥，李强，康建兵，武文波，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：