利用Σ-Δ型模数转换器解决光辐射定标中弱信号测量的设计难题

随着光学遥感仪器的迅速发展,要求光谱辐射定标技术具有前所未有的高精度和长期测量的稳定性。基于探测器的新一代辐射定标技术可以满足这一需求。多波段绝对辐亮度标准探测器是辐射定标技术中的核心仪器,这种光学遥感仪器在野外、机载和星载高精度辐射定标中具有广阔的应用前景。在多波段绝对辐亮度标准探测器的设计中,需要实现对低电平微弱信号的高精度测量,这种测量通常需要采用可编程增益放大器对信号进行放大,但它不仅会引入测量误差,而且还会增加系统的复杂性。通过采用一种低噪声高精度Δ Σ型模数转换器(ADC),解决了多波段绝对辐亮度标准探测器中弱信号高精度测量的设计难题,为光辐射精确计量领域中经常面临的低电平弱信号的高精度检测提供了一种有效的途径。     

低温真空红外傅里叶光谱仪噪声等效辐亮度定标系统

红外傅里叶光谱的等效噪声辐亮度(NESR)是反映其对红外目标信号的极限探测能力,也是仪器的主要技术指标。受限于我国当前的技术条件,尚无相关能力的测试定标系统和检定规范。通过借鉴当前国内外的红外辐射计量装置的标准传递思路,提出了一种NESR高精度测试装置方案。给出了该装置的溯源链路,描述了其整体和光路结构,并设计了低温真空背景抑制模块。着重介绍了宽动态范围红外积分球辐射源设计、等效光路设计和真空低温环境模块等设计方案。提出的设计方案为NESR高精度测量提供基本的参考依据,为我国傅里叶光谱的NESR的量值溯源提供支撑条件。     

基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究

声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪是一种新型高光谱成像系统。针对系统存在的波段间辐射灵敏度差异较大,低照度条件下部分波段信噪较低的问题,引入了电子倍增CCD(EMCCD)作为感光器件。对该原理仪器在普通和电子倍增两种工作模式下的噪声进行了分析,推导了信噪比模型,并利用研制的原理样机进行了实验验证。在此基础上,提出了电子倍增模式下系统动态范围的评价方法,给出了以入瞳光谱辐亮度为判据的工作模式选择方法。结果表明,信噪比模型与实测结果吻合,电子倍增模式的合理选择有效提高了低照度条件下的信噪比,改善波段间辐射灵敏度的非一致性。     

双向反射分布函数绝对测量装置研制

基于太阳-漫射板+稳定性监视辐射计的星上定标方式能有效地提高遥感数据定量化水平,其中漫射板的双向反射分布函数(BRDF)定标精度是高精度星上定标的关键,BRDF绝对测量可实现漫射板的高精度定标。为解决高精度BRDF绝对测量的关键技术,设计了高亮度、高稳定度、高均匀性积分球光源;使用单色仪和单片探测器对大动态范围入射和反射辐亮度信号进行高精度探测,并利用锁相放大器对信号进行放大和采集;采用样品漫射板三维转动和三维平移及光源一维转动的组合运动形式,以高精密六轴串联机械手和中空分度盘分别作为样品漫射板和光源的定位机构,可高精度、无遮挡、快速地构建BRDF测量所需的几何关系。研制的装置可实现包括"平面外"在内的全角度BRDF绝对测量,可测量的入射、反射光束角度范围:天顶角为0°~75°、方位角为0°~360°,目前可测量的光谱范围为250~1700nm,装置的BRDF绝对测量不确定度优于1%。     

115～180nm远紫外临边成像光谱仪信噪比分析与验证

115～180nm远紫外临边成像光谱仪原理样机是针对电离层探测而开发的预研空间光谱仪器。由于远紫外波段的特殊性,仪器所能接收到的信号非常微弱,因此灵敏度和信噪比就成为了衡量性能的重要指标。该文根据信号统计检测理论,在阈值理论的基础上,提出了计算这种仪器的灵敏度和信噪比的方法。首先分析了接收信号和系统噪声的概率分布,然后引入探测概率和虚警概率因子,从而推导出仪器的灵敏度与信噪比的计算表达式。根据灵敏度计算和电离层中探测粒子辐射波长的亮度范围,可知仪器的灵敏度能够满足探测需求。之后对仪器的信噪比进行了理论计算,并建立了相关的实验系统进行验证,结果表明,由该方法计算出的结果和实验结果之间的误差在允许范围内,因此是合理的。     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

圆形渐变滤光片光谱辐射计辐射定标

基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究,以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间,采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱,并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时,将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对,从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数,通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明,待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度,等效温度误差小于2%。     

面阵CCD信号采集系统的噪声抑制

分析了CCD输出噪声及其一般抑制方法,提出了一种基于面阵CCD信号采集系统的噪声抑制方法。设计了CCD信号采集系统的噪声抑制电路和处理电路,应用于CCD442A型面阵CCD;并使用积分球对采集系统进行辐射定标,计算得到系统的信噪比。仿真和辐射定标实验表明,该面阵CCD信号采集系统具有相关双采样和暗电平校正功能,抑制了CCD输出信号的复位噪声和暗电流噪声;在中等照度条件下,系统信噪比达到40dB。     

双通道红外光谱辐射计的研制及标定

研制了一台双通道(1.40±0.02μm,4.50±0.03μm)光谱辐射亮度计(以下简称辐射计),并进行了光谱辐亮度定标[1]。该辐射计主要由前置光学系统、精密机械调制器、双路单元红外探测器、锁相放大器、A/D转换器和单片机等组成。在短波红外波段,由InGaAs探测器和积分球光源传递国家光谱辐照度标准灯的标准[15],对辐射计进行标定[7];在中波红外波段,用大面积标准黑体辐射源和腔型黑体辐射源,标定辐射计的光谱辐亮度。由数据统计分析,得出辐射计的光谱辐亮度响应度的不确定度[12,14]。     

推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm-2·μm-1·sr-1以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪（WIS）数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。     

CMOS图像传感器时间域噪声分析及其应用研究

针对目前CMOS探测器的噪声研究绝大部分采取频率域的分析方法,所得的结果对于实际的探测器应用指导性不强。从时间域出发,构建了全新的探测器噪声模型,分析了在探测器的不同工作时期内噪声量大小同时间的关系。给出了探测器工作时序的优化准则,积分时间越长,系统的信噪比增加,输出信号电压值增大,等效输入端信噪比不变,系统的动态范围减小;复位时间越短,输出噪声量越小,但是图像的滞后效应也就越严重,在对弱小目标进行成像时应该尽可能地减少复位时间,增大积分时间,对于亮目标成像,应该增大复位时间,减少积分时间。     

一种基于容栅编码器测量炮塔高精度动态转角的方法

容栅编码器是在传统容栅技术上发展起来的新型传感技术,针对目前炮塔相对地盘转角的高精度测试需求,提出了一种基于容栅编码器测量高精度动态转角的方法。结合炮塔环境,设计了容栅测角装置的安装方式,分析了测角装置的工作原理,通过机械结构设计和容栅编码器后续的电路设计,提高了其工作的稳定性与可靠性。对测角装置分别进行了实验室角度标定与某靶场实地试验,结果表明:该测角系统能够满足实际需求,具有断电保护、通电位置识别及零位记忆等功能,测试精度达60。     

高精度多脉冲激光测距回波检测技术

针对远距离激光测距机回波信号脉宽强度特征和噪声的统计特性,提出了一种高精度多脉冲激光测距机的回波信号检测技术。采用时钟移相分配方式实现了400 MHz高速信号采集及数字化处理,提高了回波脉冲的检测精度。采用ARM嵌入式高速核处理器进行数据算法处理,完成了滤波降噪、自适应门限检测和多帧相关检测等功能,使回波信噪比提高了7.6 dB,达到远距离精确获取目标距离信息的目的。     

基于HgCdTe红外探测器的微弱信号检测电路设计

 被动动态傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪可用于周围环境红外辐射的光谱分析,其中红外信号检测是光谱仪中的重要组成部分。基于高信噪比、高灵敏度、温漂小和抗干扰能力强的电路设计原理,采用滤波电源供电,使用高速低噪声高精度的运算放大器,通过合理的电路布局和元器件选择来设计红外信号检测电路。在大气环境和室内气室的实验条件下,红外信号检测电路组成的红外光谱仪对目标气体进行红外遥感,并对实验结果进行了分析和探讨。实验结果表明：在系统中运行的检测电路具有较高的信噪比和较好的稳定性,测量精度高,可实现对大气环境的红外遥感。     

Signal-to-Noise Ratio in Bistable System Subject to Signal and Monochromatic Noise

Signal- to-noise ratio (SNR) of stochastic resonance under white noise is smaller than thatproduced by linear filter under the same condition. For bistable system acted by signal ofproper strength and equal-frequency (monochromatic) noise in certain range, the outputSNR can be greater than that of the linear system under the same condition. Therefore, itcan provide a method superior to linear filter of acquiring signal from noise.     

Dynamic range and asymmetry of the auditory filter

This experiment was designed to measure the shape and asymmetry of the auditory filter over a wider dynamic range than has been measured previously. Thresholds were measured for 2-kHz sinusoidal signals in the presence of two 800-Hz-wide noise bands, one above and one below the signal frequency. The spectrum level of the noise was 45 dB (re: 20 muPa), and the noise bands were placed both symmetrically and asymmetrically about the signal frequency. The deviation of the signal frequency from the nearer edge of each noise band varied from 0 to 0.8 times the signal frequency. Each ear of six subjects was tested, and the subjects' ages ranged from 22 to 74 years. The auditory filters derived from the data were somewhat asymmetric, with steeper slopes on the high-frequency side; the degree of asymmetry varied across subjects. The asymmetry could be characterized as a uniform stretching of the (linear) frequency scale on one side of the filter. The dynamic range of the auditory filter exceeded 60 dB in the younger listeners, but the dynamic range and sharpness of the filter tended to decrease with increasing age.