前言
前 言 空间光学遥感器是装载在人造地球卫星、飞船等航天器平台上, 对地球和太阳系其他星球及系外深空进行探测的仪器,是航天器及 时获取信息的重要仪器,得到世界各国的高度重视.典型的空间光 学遥感,由来自目标的电磁辐射穿过介质进入空间光学遥感器镜头, 经光电转换和处理变成数据,数据通过无线传输方式传回地面,通 过数据处理及分析 (解译)获取目标信息.空间光学遥感器的发展 在于追求极致的精度和高分辨率,这与新型光电探测技术、新光电 器件以及信息处理等技术密切相关. 本书的重点是空间光学遥感器的光电探测及控制,从光电探测 技术基础理论出发,对光电探测器驱动与信号处理,信号采样与数 字化理论及设计,星上数据处理技术,光电和光机控制技术以及电 磁兼容技术等进行了阐述,最后对光电探测及控制系统的空间适应 性进行了分析,并对其测试与评价体系进行了全面说明.本书主要 为从事空间光学遥感器研制的光电专业技术人员以及本方向的高校 学生提供参考. 全书共９章.第１章,主要介绍遥感器光电探测系统的总体框 架;第２章,主要介绍光电探测物理基础及探测器件;第３章描述 CCD、红外及单光子探测器及其处理电路的设计;第４章,介绍了 信号采样与数字化理论基础以及各类探测器采集及传输的设计方法; 第５章,对星上预处理技术、智能云检测技术等进行描述;第６章, 对光电探测系统的测试及评价要素分９项进行了详细阐述;第７章,
Ⅱ分别介绍了控制系统的分类、组成及各类型控制技术的性能评测方 法;第８章、第９章分别从电磁兼容性及空间适应性方面分析了光 电探测系统的设计要素. 本书以王小勇为主撰写.其中郭崇岭负责第１章统稿,第２章 由吴淞波统稿,第３章由董龙、薄姝撰写,第４章由荣鹏、程芸撰 写,第５章由武文波、李春梅撰写,第６章由李春梅、董书莉撰写, 第７章由宋莉撰写,第８章由苏浩航撰写,第９章由赵宇、武永见、 赵野撰写. 本书的出版得到了北京空间机电研究所领导的指导和鼎力支持, 作者在此表示诚挚的谢意.由于本书涉及的知识面较广,限于作者 水平,难免会有一些疏漏和不足之处,恳请读者批评指正.作 者 ２０２０年１０月
第1章绪论1
1.1空间光学遥感器概述1
1.2空间光学遥感器光电探测系统简述2
1.2.1光电探测系统概论2
1.2.2光电探测系统总体框架4
参考文献9
第2章光电探测技术基础10
2.1光电探测物理基础10
2.1.1不同谱段的光电转换的原理10
2.1.2不同物质、材料感光特性12
2.2光电探测器件17
2.2.1可见光CCD探测器17
2.2.2可见光CMOS探测器50
2.2.3红外探测器组件62
2.2.4单光子雪崩光电二极管（SPAD）80
2.3光电探测系统原理及基本组成85
参考文献86
第3章光电探测器驱动与信号处理（焦平面FPA）88
3.1CCD探测器驱动与模拟信号处理88
3.1.1典型CCD探测器成像电路组成88
3.1.2CCD探测器驱动电路设计88
3.1.3CCD探测器模拟信号处理108
3.1.4CCD探测器电源设计110
3.1.5CCD探测器驱动与模拟信号处理电路设计举例115
3.2红外探测器驱动与模拟信号处理118
3.2.1红外探测器驱动与模拟信号的特点118
3.2.2红外探测器驱动与模拟信号处理电路的典型
组成119
3.2.3偏置电压的产生119
3.2.4时序驱动信号的产生122
3.2.5模拟信号的调理123
3.2.6应用设计举例125
3.3单光子探测器及焦面电路133
3.3.1SiAPD及其驱动电路134
3.3.2偏置电压调节电路141
3.3.3前置放大电路145
3.3.4主放大电路153
参考文献159
第4章信号采样与数字化161
4.1信号采样与数字化理论概述161
4.1.1采样定理161
4.1.2采样保持163
4.1.3噪声的种类和分布165
4.1.4均方根噪声与信噪比168
4.1.5无噪声码分辨率和有效分辨率168
4.1.6滤波器169
4.2CCD的采集与数字化176
4.2.1CCD信号采集与双采样理论176
4.2.2CCD信号通道带宽设计178
4.2.3CCD模拟信号传输179
4.3红外探测信号的采样和数字化182
4.3.1红外探测信号的采集182
4.3.2红外信号通道带宽设计183
4.3.3红外模拟信号传输184
4.4单光子探测信号的采集和数字化187
4.4.1单光子探测信号的采集187
4.4.2单光子信号通道带宽设计189
4.4.3单光子模拟信号传输190
4.5高速数字图像传输190
4.5.1CCD图像高速数字传输190
4.5.2红外图像数字传输194
4.5.3单光子点云数据传输197
参考文献198
第5章星上数据处理技术199
5.1遥感器星上处理技术概述199
5.2星上遥感器预处理技术200
5.2.1星上遥感数据辐射校正技术201
5.2.2星上成像参数自适应调整技术206
5.2.3星上图像增强技术209
5.2.4星上图像HDR技术212
5.3星上云检测技术218
5.3.1基于阈值法的云图像分割218
5.3.2基于光谱特征的云检测技术221
5.4星上瞬态点目标（闪电）检测识别技术222
5.5基于深度网络学习的遥感目标检测技术225
5.5.1遥感目标检测特点225
5.5.2卷积神经网络原理及实现227
5.5.3基于卷积神经网络的遥感目标检测233
5.6星上数据压缩编码技术236
5.6.1星上JPEG2000压缩技术237
5.6.2星上视频压缩编码241
5.6.3图像压缩质量评价243
5.6.4星上压缩技术未来发展247
5.7星上数据处理平台技术249
5.7.1星上处理资源分析249
5.7.2数据处理通用框架设计251
5.7.3星载瞬态点目标（闪电）检测设计与实现257
5.7.4基于专用压缩芯片的压缩编码处理设计与实现261
5.7.5遥感目标实时检测系统的设计与实现264
参考文献275
第6章光电探测系统测试与评价278
6.1光电响应非线性度和满阱279
6.1.1定义及物理意义279
6.1.2测试方法279
6.1.3数据处理280
6.2增益线性度281
6.2.1定义及物理意义281
6.2.2测试方法282
6.2.3数据处理282
6.3稳定性283
6.3.1定义及物理意义283
6.3.2测试方法284
6.3.3数据处理方法284
6.4信噪比287
6.4.1定义及物理意义287
6.4.2测试方法288
6.4.3数据处理288
6.5暗信号290
6.5.1定义及物理意义290
6.5.2测试方法290
6.5.3数据处理290
6.6像元非均匀性295
6.6.1定义及物理意义295
6.6.2测试方法295
6.6.3数据处理295
6.7动态范围296
6.7.1定义及物理意义296
6.7.2测试方法296
6.7.3数据处理297
6.8异常像元297
6.8.1定义及物理意义297
6.8.2测试方法298
6.8.3数据处理298
6.9红外噪声等效温差298
6.9.1定义与物理意义298
6.9.2测试方法 299
6.9.3数据处理299
参考文献300
第7章空间光学遥感器控制技术302
7.1空间光学遥感器控制系统概述302
7.2空间光学遥感器控制系统的分类与组成302
7.2.1测量元件304
7.2.2执行元件308
7.2.3控制器310
7.3光束指向控制技术及性能评测方法311
7.3.1光束指向控制技术311
7.3.2光束指向控制系统的性能评测方法318
7.4光束扫描控制技术及性能评测方法321
7.4.1扫描镜的光束扫描控制技术321
7.4.2望远光学系统的扫描控制技术326
7.4.3光束扫描控制系统的性能评测方法329
7.5光束跟瞄控制技术及性能评测方法334
7.5.1光束跟瞄控制技术334
7.5.2光电稳定平台目标跟踪试验344
7.5.3光束跟瞄控制系统的性能评测方法347
7.6光束质量调整控制技术349
7.6.1光机稳定成像及其复合控制技术349
7.6.2自适应成像控制技术357
7.7小结374
参考文献376
第8章电磁兼容性设计378
8.1空间光学遥感器EMC问题特殊性379
8.2遥感器的EMC设计382
8.2.1滤波设计384
8.2.2电缆设计386
8.2.3接地和搭接设计387
8.2.4屏蔽设计390
8.2.5PCB EMC设计394
8.3遥感器EMC试验及预测403
8.3.1遥感器EMC试验403
8.3.2遥感器EMC预测404
参考文献406
第9章空间适应性设计与分析407
9.1概述407
9.2电子学热设计与热分析407
9.2.1遥感器电子设备热环境408
9.2.2热设计方法414
9.2.3热分析方法420
9.3抗辐照设计424
9.3.1自然空间辐照环境424
9.3.2光学遥感器辐照效应425
9.3.3空间抗辐照技术427
9.4材料放气和污染对相机的影响430
9.5表面冷焊的影响430
9.6遥感器充电与放电431
9.6.1真空放电431
9.6.2微放电431
9.6.3表面静电充放电432
9.6.4体内放电432
参考文献433
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