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目前在深空探测、太阳活动观测、火箭导弹航空航天器发射过程等高动态范围场景观测应用中,常常需求成像设备系统动态范围达到120d B以上,传统的CCD或者CMOS图像传感器成像动态范围不足以满足目前高动态范围场景的科学观测需求。现存的很多成像系统动态范围扩展技术手段也仍然不能满足很多高亮度目标实时成像观测的要求。本论文提出了一种采用数字微镜器件(DMD)作为空间光学调制器对传统成像设备到达像面的光能进行像素级别衰减,经过衰减调节后场景中高亮目标与暗目标可同时被探测并在图像中展示,从而可以提高传统成像系统可探测的动态范围。本论文在DMD控制套件的基础上设计了适用于高动态范围场景下的DMD驱动控制程序,利用牺牲时间换取动态范围的方式,在满足系统成像帧频(10fps)的条件下提高DMD的调制能力,扩展传统成像设备动态范围达60d B以上。而为了对高达120d B动态范围场景进行成像探测,专门研制了具有高动态范围的s CMOS相机作为成像设备,通过在相机内部FPGA芯片嵌入相关四采样算法和高动态范围数据合成等算法,在全局曝光模式下输出高分辨率高清晰高动态范围图像数据,相机同时可配合DMD以1?s精度同步控制触发曝光,实测相机动态范围达到78d B,有力保障了整个成像系统的动态范围。在光机电平台搭建过程中通过利用莫尔条纹相位性质对微镜单元与像元的精确匹配进行指导,并对存在的特殊光学系统畸变进行了分析和校正,验证了微镜单元与像元的映射精度可达到像素级别。以此平台为基础对微镜的摆动,微镜调制线性度,s CMOS响应线性度以及延迟曝光起始时刻的影响进行分析,建立了精确的像素级调光模型,实验验证系统动态范围大于126d B。在此平台上进行了高动态范围场景像素级调光算法的研究,结合人眼视觉特性提出了适于静态原始场景恢复的调光算法,获取了初步的高动态范围场景成像结果。同时还提出一种基于阈值分割的快速调光算法,能够实时对高动态范围场景观察。提出一种结合全局算子与局部算子的高动态范围图像压缩算子,对获取高动态范围图像数据具有较好的显示效果。