基于相关双采样的线阵CCD信号采集电路设计

针对CCD信号相关双采样（CDS）难于实现的问题,介绍了一种简单实用、易于实现的线阵CCD信号相关双采样电路。该电路采用CPLD、AD9844实现了线阵CCD时序驱动、信号相关双采样、自动增益、A／D转换等一体化设计。实验表明,设计的采集电路能有效地消除复位等多种噪声的影响,实现对背景光的自适应调整,达到提高信噪比,改善视频图像的目的。     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

高分辨率光谱仪线阵CCD采集系统设计

为了满足高分辨率光谱仪高灵敏度、高分辨率、低噪声的技术要求,设计了用于微光成像系统的背照式CCD驱动电路及主控电路。线阵CCD采集系统采用Altera公司的MAX X系列FPGA作为核心控制器件,为线阵CCD提供多路驱动信号;线阵CCD探测器输出模拟信号经过信号预处理及AD采样,变换为数字信号后通过USB接口模块发送给光谱仪。通过将线阵CCD采集系统安装到高分辨率光谱仪,对汞灯谱线进行特征峰测试,光谱分辨率可以达到0.062 nm,满足高分辨率光谱仪的探测要求。     

高精度线偏振辐射计数据采集系统设计

根据高精度线偏振辐射计应用需求,设计了基于电容积分法的可见光至短波红外波段偏振辐射计信号采集系统。简要介绍了高精度线偏振辐射计的工作原理,分析其采集系统具有的探测信号动态范围大、采样频率低和探测精度高的特点;建立了基于跨阻放大法和电容积分法的2种放大电路噪声模型,并推导出信噪比公式,采用DDC112的电容积分法放大电路的数据采集系统能够有效减小系统噪声、简化电路设计、提高系统灵活性和系统信噪比;实验测试了系统的动态范围、等效噪声辐亮度、信噪比、稳定性和线偏振度,并进行了外场试验。实验结果表明:该数据采集系统具有较高的响应动态范围,等效噪声辐亮度比较理想,常规气溶胶探测波段信噪比≥127,典型地表探测波段信噪比≥147,仪器稳定性优越,线偏振度测量精度优于0.5%,达到仪器设计指标。     

一种低成本线阵CCD驱动与数据采集处理系统的研究

探索了一种在低成本下实现线阵CCD输出信号快速采集以及与PC通信的方法。讨论了线阵CCD系统的整体结构及工作流程。采用VHDL语言编写了驱动程序,实现了CCD的正确工作。利用DSP实现了对下位CCD的控制,在控制程序中利用"乒乓原理"实现了线阵CCD的数据采集,并同时给PC快速上传数据。基于Visual C++6.0平台编写了PC机控制软件,实现了对硬件电路的控制和对CCD输出信号的分析处理。     

基于极值统计的拉曼光谱信噪比评估方法与应用

随着近年来便携式光谱仪技术的迅速发展,CCD光谱仪相对于传统光谱仪在光谱收集方式上发生了很多变化：（1）采集到的光谱对信号进行叠加积分,传统信噪比评估方法无法通过单次检测获得探测器波动;（2）对于谱图噪声（谱线随机波动）,由探测器响应随机波动和扫描重复误差转变为CCD探测器像素响应差异、探测器随机噪声和与光学系统分辨力有关的模式噪声。噪声类型发生改变,导致原有的光谱质量评价方法适用性变差,基于实测光谱提出更具适应性的光谱质量评价方法具有很强的现实意义。根据拉曼光谱仪检测器的变化,对采集光谱信号的成分进行分析,在该分析的基础上提出了CCD光谱仪的噪声模型假设,根据该假设使用不同的信号极值点频率对不同的噪声进行像素分离,并对噪声频率模式进行了数值模拟,模拟结果与假设相符;在此基础上提出并实验验证了通过谱线极值间距评估谱线噪声的拉曼光谱信噪比评估方法,该方法包括以下两个步骤：（1）通过采集多次实测光谱进行叠加,叠加过程中对对应不同频次的光谱极值点数量进行统计,得到统计结果后基于文中规律分离光谱仪中的环境噪声和暗噪声;（2）应用上述分离结果,对实测光谱中对应暗噪声的谱线极值点作统计平均,再将该值应用于文中公式,计算得到信噪比。该方法在进行了步骤（1）的前期准备后,可以通过单张谱图评估CCD拉曼光谱仪的随机噪声,并用于评估光谱的信噪比。基于光学构架相同、CCD探测器不同的三个拉曼光谱系统进行实验,采用该方法通过设定信噪比阈值对谱图质量进行控制,获得了一致的光谱曲线;基于该方法对同步叠加平均法进行信噪比拟合,拟合优度达到98%。该方法可用于拉曼光谱仪的性能评估和获取拉曼光谱谱图的质量实时控制。理论和实验表明：对于基于CCD探测器的拉曼光谱仪器,当确定样品和特征峰时,可以基于此方法获得信噪比。该方法还可用于比对不同配置的拉曼光谱设备,以及作为控制谱图质量一致性的标准,并对基于拉曼光谱技术的智能鉴别系统的开发具有指导意义。     

CCD摄像机的输出调制度阈值分析

应用数理统计学的有关内容对CCD输出信号中的随机噪声进行了相关分析。引入了“噪声等效调制度”这一概念 ,利用计算机模拟技术对摄像机成像时所产生的随机噪声进行了模拟与计算。通过计算机模拟 ,推导出了噪声等效调制度与CCD摄像机系统信噪比之间的关系。将信噪比对CCD摄像机成像质量的影响予以量化 ,并对摄像机的输出调制度阈值进行了分析与计算     

随机共振的模拟实验

用模拟电路的方法对随机共振现象进行多方面的实验研究,讨论随机共振机制,测量输出信噪比(SNR),由于在随机共振过程中部分噪声能量可转变为信号能量,利用这个机制可能在强噪声对信号的抑制下取出信号。 关键词：     

用基于DSP的线阵CCD实现二维图像信号采集的系统设计

对光电转换系统，尤其是采集信号的后处理进行了研究。介绍了在光电精密数据采集处理中通过DSP用硬件实现对CCD信号的采集和处理过程。给出了对CCD信号进行边缘识别的微分算法和将线阵CCD信号进行组合，恢复出二维图像信号的算法。同时还给出了详细的硬件处理电路。重点介绍了DSP与FIFO的数据传输、DSP与USB的接口电路。解决了一般情况下系统无法做到的用线阵CCD实现二维图像信号复原的问题。通过实验，证明了该方法的有效性。线阵CCD信号是以若干线段的形式存在的，特别适用于激光雕刻机图像采集系统，应用前景广阔。     

脉冲信号被噪声调制的单模激光随机共振

建立了一个脉冲信号受噪声调制的新型的单模激光随机共振模型, 采用线性化近似的方法计算了相应的光强关联函数和系统的输出信噪比, 并详细讨论了相应的随机共振现象. 研究结果表明: 由于噪声调制脉冲信号, 使得单模激光表现出崭新的随机共振现象, 即通过改变脉冲信号周期T来实现抑制或优化输出信噪比的目的.     

时域光学相干层析系统噪音分析和实验研究

本文从理论和实验上分析了存在拍频噪音时时域光学相干层析系统的噪音特性,给出了拍频噪音的具体估算方法.建立了描述一般时域光学相干层析系统实际噪音的简化模型,并给出了测量和寻找平衡探测光学相干层析系统最佳工作状态的方法.理论计算表明,平衡探测光学相干层析系统的信噪比受限于拍频噪音,理想情况下,最大信噪比可达100 dB左右|同时实验表明,如果实际的系统不能完全消除冗余噪音,其信噪比可能要比理论值小10~20 dB.本文的主要结果将可直接用于时域光学相干层析系统工作状态的测试和诊断当中,对频域光学相干层析系统噪音性能的分析和优化也将有所裨益.     

Signal-to-noise ratio of Raman signal measured by multichannel detectors

Raman spectroscopy has been widely used to characterize the physical properties of two-dimensional materials(2 DMs). The signal-to-noise ratio(SNR or S/N ratio) of Raman signal usually serves as an important indicator to evaluate the instrumental performance rather than Raman intensity itself. Multichannel detectors with outstanding sensitivity, rapid acquisition speed and low noise level have been widely equipped in Raman instruments for the measurement of Raman signal. In this mini-review, we first introduce the recent advances of Raman spectroscopy of 2 DMs. Then we take the most commonly used CCD detector and IGA array detector as examples to overview the various noise sources in Raman measurements and analyze their potential influences on SNR of Raman signal in experiments. This overview can contribute to a better understanding on the SNR of Raman signal and the performance of multichannel detector for numerous researchers and instrumental design for industry, as well as offer practical strategies for improving spectral quality in routine measurement.     

铷原子气体自旋噪声谱的测量与改进

利用自主设计并制作的基于现场可编程门阵列的实时傅里叶变换采集卡(FFTsDAC),采用线偏振光检测碱金属铷原子气样品中的自旋随机涨落(即自旋噪声谱).详细讨论了背景噪声以及自旋噪声随探测光光强的变化关系,证实了自旋噪声来自于系统中自旋的随机涨落.对比了两种FFTsDAC(8 bit采样的FFTsDACl和12 bit采样的FFTsDAC2)的测量性能,分析了影响实验信噪比的因素.FFTsDAC2具有更高的测量效率和采样深度以及更长的单次采样时间,因而具有更高的信噪比和更好的频率分辨率,与数值模拟的结果一致.     

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从噪声来源出发,基于入射光子、暗电流、偏置信号的涨落均近似满足泊松分布的条件,得到了更为精准的信噪比表达式。实验设置CCD增益、读出速率、冷却温度分别为3、100k Hz、?25°C,得出光子转移曲线。通过设置不同实验条件,分别探讨了暗电流、读出速率和系统增益对该科学级光学CCD信噪比的影响。实验结果与理论预期吻合得很好,为科学级光学条纹相机的设计以及弱光标定实验室自动化平台的搭建提供了良好的实验依据。     

Intense acoustic bursts as a signal-enhancement mechanism in ultrasound-modulated optical tomography

Biophotonic imaging with ultrasound-modulated optical tomography (UOT) promises ultrasonically resolved imaging in biological tissues. A key challenge in this imaging technique is a low signal-to-noise ratio (SNR). We show significant UOT signal enhancement by using intense time-gated acoustic bursts. A CCD camera captured the speckle pattern from a laser-illuminated tissue phantom. Differences in speckle contrast were observed when ultrasonic bursts were applied, compared with when no ultrasound was applied. When CCD triggering was synchronized with burst initiation, acoustic-radiation-force-induced displacements were detected. To avoid mechanical contrast in UOT images, the CCD camera acquisition was delayed several milliseconds until transient effects of acoustic radiation force attenuated to a satisfactory level. The SNR of our system was sufficiently high to provide an image pixel per acoustic burst without signal averaging. Because of the substantially improved SNR, the use of intense acoustic bursts is a promising signal enhancement strategy for UOT.     

Effects of electron multiplication on the CCD SNR in remote sensing application

A mathematical model describing the effect of electron multiplication (EM) gain on the detector signal to noise ratio (SNR) is presented, and then two types of experiment have been made to test their relationship. The experimental results of the radiometric calibration and imaging in practice both show that the initial EM gain amplification makes the most significant improvement on the EM charge coupled device (CCD) SNR, while as the gain factor continues to increase, the EMCCD SNR improvement will become negligible.