天文观测相机低噪声CCD视频处理电路的分析与设计

在讨论天文观测相机低噪声视频处理电路的基础上,对前置放大、差分放大、可编程增益放大、相关双采样及16bit模数转换等关键组成部分进行了分析,给出各组成部分的设计方法。对所设计的低噪声视频处理电路进行了PSPICE仿真和实验测试,仿真和实验结果表明,该视频处理电路在本身引入噪声较小的同时,有效地抑制了CCD的复位噪声和1/f等低频噪声,使天文观测相机的整机噪声<15e-,达到了指标要求。     

以CCD为探测器的长程差分吸收光谱系统

介绍了采用科研级面阵CCD作为探测器的长光程差分吸收光谱系统,对该系统所使用的CCD探测器的偏置、暗电流、噪音、线性响应以及光谱仪的分辨率、光谱范围等性能进行了详细的测试,并将北京外场实验DOAS系统测量SO2、NO2的结果与传统点式仪器的测量结果进行了比较.结果显示,两种方法有着很好的一致性.性能测试和对比结果表明该系统的性能较为优越,满足多种痕量气体的同时、长期监测.给出了应用该系统进行外场观测SO2、NO2和HONO的变化趋势,确定出相应光程下不同痕量气体的最低检测限.     

基于TMS320F240的CCD相机消旋控制器

为实现机载CCD像机的图像旋正,采用了基于DSP技术(TMS320F240)的机械消旋控制方法,充分利用了DSP的硬件和软件资源,实现了较高精度的消旋控制。在介绍TMS320F240的主要特点、功能及结构基础上,重点描述了它在CCD像机消旋控制器中应用的硬件结构及其算法流程,给出以这种算法流程进行控制的实验结果。实验结果满足控制精度要求。     

多光谱大面阵彩色CCD数字航测相机设计

针对大比例尺数字航空测量系统的特点,利用系统高度集成技术,研制了一套大像幅,高分辨率、多光谱的数字航空测量系统.该系统的核心是四台面阵CCD相机,其中一台是9k×9k的大面阵CCD相机,获取全色图像;另三台是2k×2k面阵CCD相机分别获取红(Red,R),绿(Green,G),蓝(Blue,B)三个可见光的图像,通过数据融合实现彩色图像的获取.详细阐述了高分辨、多光谱相机的关键技术及其实现方法.该系统在Y-5遥感飞机上进行了搭载飞行实验,对获取的图像进行处理和分析,获得满意的图像,满足了大比例尺数字航空测量要求.     

CCD器件相对光谱响应测试仪

设计并实现了一种涵盖400~950 nm的全自动CCD器件相对光谱响应测试仪。分析了成像器件的相对光谱响应测试原理,采用宽光谱、高灵敏度响应的科学级光纤光谱仪QE65000作为参考探测器,基于单光路直接比较法,构建了CCD器件相对光谱响应测试仪器。该装置可全自动完成CCD器件的相对光谱响应测量,不确定度分析结果表明,该装置对CCD器件开展相对光谱响应测试的最大不确定度为6.21%,满足应用需求,可为CCD等图像传感器甄选、参数性能评价及后续整机测试提供关键数据支撑。     

静止轨道星载差分吸收光谱仪CCD成像系统设计

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测,针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10min、高分辨率模式下探测周期小于1h的要求,进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器,设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式,并合理设置了帧叠加数和像元合并数,达到优化成像周期的目的.1s曝光时间条件下,该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515s和3 315s,图像信噪比均大于1 000,污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求,为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.     

TDICCD亚像元技术应用于小相对孔径光学系统

TDI CCD器件和亚像元成像技术都是实现相机小型化的有效途经,TDI CCD器件和亚像元成像技术结合应用于小相对孔径光学系统具有重要的应用价值.就成像系统需要满足Nyquist频率处静态传函≥0.2条件对系统进行了分析、讨论,并就设计中引入信噪比指标提出了一点建议.     

高分辨率蓝光光学显微测量系统

本系统用波长为405nm的超亮度蓝色发光二极管作为光学显微镜的照明光源，结合CCD图像传感技术和图像采集技术，实现了对显微图像的实时观察和存取的计算机化。观察到的DVD盘片的清晰显微图像表明，其光学分辨率优于400nm。运用自编的图像分析软件对采集到的CD RW光盘图像进行分析和标定，测定其道间距为1.6μm。因此，本系统在显微观测领域，特别是对观测和分析接近普通光学显微镜分辨极限尺寸的微结构，有重要的实用价值。     

光场强度分布测量中CCD噪声的校正北大核心CSCD

为了有效抑制CCD测量噪声带给激光对比度分布测量的影响,基于对比度测量模型,利用CCD测量噪声的先验知识及其输出观测值,给出了CCD噪声的校正方法。与现有计算方法的比较表明,该方法可以有效抑制CCD测量噪声带给测量的影响,其扩展不确定度从0.6%降低至0.3%,降低了测量不确定度,提高了测量的置信度。     

兆线元EBCCD微光探测系统

研发了一种兆线元EBCCD微光探测系统。该系统采用了俄罗斯生产的电子轰击CCD传感器,该传感器为倒像式静电聚焦系统,CCD为背照式1000×1000像元,传输模式为帧传输。为了获得高质量的图像,采用了多重滤波、自动去背景噪声以及帧叠加的方法。该系统能在10-5lx照度条件下得到较好的视频信号。该系统具有很高的灵敏度和分辨力,与ICCD微光摄像机作了比较。结果表明,电子轰击CCD微光成像系统性能较为理想。     

基于TDI-CCD的高速小目标交汇测量系统

介绍了TDI CCD图像传感器的工作原理和成像特点 ,提出了基于TDI CCD的交汇测量系统 ,初步分析了该交汇系统行扫描速率和目标运动速率的同步控制问题。同一般线阵CCD组成的交汇测量系统相比较 ,TDI CCD构成的交汇测量系统能够提高探测灵敏度、扩大动态探测范围、增大信噪比 ,从而大大提高系统对目标的捕获几率。同时亦可减小照明光源的亮度及功耗。对大靶面、高速小目标物体运动轨迹的精密测量具有重要意义。     

Design of a very high frame rate camera based on an asynchronous CCD driving method

A very high frame rate camera is designed based on an innovative CCD driving method. The CCD driving method is mainly implemented on frame transfer CCDs. Asynchronous drive timing sequences are applied in the image and storage section of the CCDs. Several rows of the charge in the image section are binned onto the same row in the storage section, and there are the same number of images to be stored in the storage section before they are read out. Based on the new driving method, the frame transfer CCDs can work at a very high frame rate in acquiring burst images though the reading speed remains at a lower level. A very high frame rate camera is designed in this paper. The innovative CCD driving method is mainly of concern. An e2v's CCD60 is adopted in the camera system, whose full size resolution is 128 × 128, and the up most frame rate is 1000 Hz in the conventional CCD driving method. By using the presented method, the CCD60 based imager is capable of operating at up to 40000 frames per second (fps) at a recognizable resolution of 128 × 32. Comparing cameras using traditional binning and region of interest technologies, the frame rate is normally less than 5000 fps while the resolution is only 32 × 32 left.     

基于场景坏点检测的面阵CCD暗电流估计方法

利用CCD中的部分坏点作为温度敏感器,提取CCD温度估计值,建立温度估计值与暗电流的函数模型,并结合均值滤波的方法,在真实场景图像中提取CCD温度估计值,实现了面阵CCD的暗电流估计。在方法分析的基础上,以真实的暗电流数据为基准参考,对暗电流的估计结果进行了比对实验。实验结果表明,在不同的积分时间及大动态范围的成像条件下暗电流的估计结果十分准确,偏差小于0.4%,并且具有一定的抗噪性。该方法利用场景本身的特征信息对拍摄时刻的暗电流进行估计,不需要额外采集暗电流数据,节省了图像采集时间,十分适合于积分时间较长的高光谱成像或天文观测领域,采用无温度控制的低成本CCD成像探测系统进行实时图像采集。     

Design of a very high frame rate camera based on an asynchronous CCD driving method

A very high frame rate camera is designed based on an innovative CCD driving method. The CCD driving method is mainly implemented on frame transfer CCDs. Asynchronous drive timing sequences are applied in the image and storage section of the CCDs. Several rows of the charge in the image section are binned onto the same row in the storage section, and there are the same number of images to be stored in the storage section before they are read out. Based on the new driving method, the frame transfer CCDs can work at a very high frame rate in acquiring burst images though the reading speed remains at a lower level. A very high frame rate camera is designed in this paper. The innovative CCD driving method is mainly of concern. An e2v's CCD60 is adopted in the camera system, whose full size resolution is 128×128, and the up most frame rate is 1000 Hz in the conventional CCD driving method. By using the presented method, the CCD60 based imager is capable of operating at up to 40000 frames per second (fps) at a recognizable resolution of 128×32. Comparing cameras using traditional binning and region of interest technologies, the frame rate is normally less than 5000 fps while the resolution is only 32 × 32 lett.     

一种使用线阵型CCD实现高精度二维位置测量的方法

介绍了一种使用ＣＣＤ测量位置的方法。与其它ＣＣＤ位置测量系统不同，通过设计一个特殊的光学系统，实现了使用两个线阵型ＣＣＤ进行高精度二维位置坐标测量。文中对该光学系统进行了误差分析，证实该方法具有很高的测量精度。该二维位置测量方法具有一些突出的优点：系统响应速度快，可以对动态目标进行测量；测量精度高；制造成本低。上述特点使它在工业制造领域内有着广阔的应用前景。     

电子倍增CCD噪声特性研究

讨论了电子倍增CCD的噪音组成及各自的产生机理,在此基础上建立了电子倍增CCD的总噪音理论模型.按照信号倍增过程的随机性,推导了电子倍增CCD的过剩噪音因子并求出了增益趋向无穷大时的极限值.对电子倍增CCD相机进行了噪音测试,采集了不同增益下噪音的输出波形和频谱图.根据增益和噪音电压的函数曲线,结合理论模型对不同增益下的噪音组成进行了定性分析.结果表明：低增益时,电子倍增CCD主要受限于读出噪音,高增益时则为暗电流噪音和时钟感生电荷.     

Implementation of a novel low‐noise InGaAs detector enabling rapid near‐infrared multichannel Raman spectroscopy of pigmented biological samples

Pigmented tissues are inaccessible to Raman spectroscopy using visible laser light because of the high level of laser‐induced tissue fluorescence. The fluorescence contribution to the acquired Raman signal can be reduced by using an excitation wavelength in the near infrared range around 1000 nm. This will shift the Raman spectrum above 1100 nm, which is the principal upper detection limit for silicon‐based CCD detectors. For wavelengths above 1100 nm indium gallium arsenide detectors can be used. However, InGaAs detectors have not yet demonstrated satisfactory noise level characteristics for demanding Raman applications. We have tested and implemented for the first time a novel sensitive InGaAs imaging camera with extremely low readout noise for multichannel Raman spectroscopy in the short‐wave infrared (SWIR) region. The effective readout noise of two electrons is comparable to that of high quality CCDs and two orders of magnitude lower than that of other commercially available InGaAs detector arrays. With an in‐house built Raman system we demonstrate detection of shot‐noise limited high quality Raman spectra of pigmented samples in the high wavenumber region, whereas a more traditional excitation laser wavelength (671 nm) could not generate a useful Raman signal because of high fluorescence. Our Raman instrument makes it possible to substantially decrease fluorescence background and to obtain high quality Raman spectra from pigmented biological samples in integration times well below 20 s. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

双CCD立体视觉系统的理论研究

依据几何成像原理建立起双CCD立体视觉系统的数学模型,并从图像转换的角度上,综合分析了CCD与物体之间的距离、两个CCD的间距和观看距离三个参数之间的关系。利用这些关系可指导立体视觉系统的结构设计。     

摄像CCD

本文对用作成象传感器的电荷耦合器件(CCD)首先进行了一般性技术介绍。概括了大量的最新文献,涉及到许多物理学特性和电路技术。同时较全面地介绍了主要厂家的产品。对于CCD图象传感器的目前的应用和潜在应用也作了叙述。     

利用Michlshon干涉仪测量CCD的调制传递函数

介绍了利用Michlshon干涉仪测量CCD调制传递函数的方法,与其他方法相比,该方法具有测量装置简单、将正弦图样投射到待测CCD阵列上无需借助光学系统等特点。给出了典型的线阵和面阵CCD的调制传递函数曲线的测量结果。