科学级光学CCD非线性特性测试

在惯性约束聚变(ICF)实验研究中,科学级CCD常和光谱仪、条纹相机等诊断设备组合进行冲击波等物理过程的时间、空间方面的诊断研究。非线性作为CCD一个非常重要的性能参数,在实验的后处理过程中有着相当重要的作用,实验分别采取固定曝光时间,改变光源的出射功率密度、固定光源的输出功率密度和改变CCD的曝光时间两种方案对TEK 512×512DB CCD的非线性特性进行测试,计算得到两种实验方案下该CCD的非线性度分别为0.595%和0.508%,并通过对各种因素的评估得到第一种标定方案为最佳,为科学级CCD的性能参数自动测试平台的建立提供参考。     

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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。     

光学CCD快门系统特性

基于国内惯性约束聚变实验精密化需求,开展了可见光CCD机械快门特性研究的分解实验,定量表征了机械快门的时间特性,不仅为物理实验参数设置提供了依据,也对信号强度不确定度的定量分析提供了基准数据。另外根据物理实验的实时控制需求,设计开发了一套机械快门状态检测系统,它能及时快速反馈快门运转情况,提高了实验的可靠性。     

KAF-4301E CCD在低温下微光成像特性的实验研究

介绍了实验的原理和方法;重点介绍了在低温下KAF_4301E CCD的成像特性———量子效率(QE)、电荷转移效率(CTE)、读出噪声、暗电流和满阱等的测试结果。实验结果显示,随CCD工作温度降低并超过其最小标称值后,虽然暗流则明显减小,但CTE性能快速变差。从理论上对所得的结果进行了简短的分析和讨论。分析了该型号CCD在微光成像方面的应用前景。     

石英晶体右旋光与左旋光折射率差的温度特性

利用Jones矩阵,从理论上分析了石英晶体的旋光特性。在-10～60℃的温度范围内,实验测试了石英晶体的旋光角随温度的变化关系,并得出了石英晶体右旋圆偏振光与左旋圆偏振光折射率差随温度的变化关系。结果表明,对单色光来说,石英晶体右旋光与左旋光折射率差随温度的升高而增加,也就是说,石英晶体的旋光率随温度变化的这一特性是由晶体的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的折射率差随温度的变化引起的。     

机载成像光谱仪CCD制冷系统设计与实现

为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声,提高系统信噪比,需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路,利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃,满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试,结果表明:环境温度变化不会影响制冷效果,在达到制冷目标温度-20℃后,CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072,暗背景信号非均匀性下降到0.5%,满足光谱数据反演要求.     

基于CPLD的面阵CCD驱动时序发生器设计及其硬件实现

在分析FTT1010-M型面阵CCD图像传感器驱动时序关系的基础上，设计了可调曝光时间的面阵CCD驱动时序发生器及其硬件电路．选用CPLD器件作为硬件设计平台，使用VHDL语言对驱动时序发生器进行了硬件描述．采用QuartusⅡ对所设计的驱动时序发生器进行了功能仿真，并针对ALTERA公司的EPM7160SLC84—10进行了RTL级仿真及配置．硬件实验结果表明，所设计的驱动时序发生器不仅可以满足面阵CCD图像传感器的驱动要求，而且还能够调节其曝光时间．     

帘幕式CMOS全局曝光成像技术

为了消除面阵CMOS航空相机高速成像时帘幕快门效应对成像质量的影响,分析了CMOS成像原理,开展了基于高速中心式机械快门与面阵CMOS图像传感器协同工作的全局曝光成像模式研究.建立了该成像模式下的航空高分辨率成像系统的信噪比模型与前向像移模型,并基于信噪比模型与前向像移模型论证存在合理的曝光时间参数.设计了体积小、质量轻、电驱动、曝光时间可准确控制的高速中心式机械快门,最短曝光时间可达1/2 000s,快门效率最高达80%.对采用自主研发的国产CMOS图像传感器的航空摄影相机参数进行验证计算,并进行直升机载人带飞拍摄实验.影像结果表明:该成像模式曝光时间参数论证正确,影像无拉伸、扭曲及拖尾现象,相机动态传递函数为0.21(奈奎斯特截止频率处),能够满足实际应用需求.     

基于CPLD的空间面阵CCD相机驱动时序发生器的设计与硬件实现

在分析e2v公司的CCD47-20 Backthinned NIMO型CCD器件驱动时序关系的基础上, 设计了可调帧频和曝光时间的空间面阵CCD相机驱动时序发生器及其硬件电路.选用可编程逻辑器件作为硬件设计载体,使用VHDL语言对驱动时序发生器进行了硬件描述.针对ALTERA公司的EPM9400LC84-15对设计进行了RTL级仿真及配置,完成了时序发生器的硬件电路.硬件实验结果表明,所研制的驱动时序发生器不仅可以满足空间CCD相机的驱动要求,而且还可以调节帧频和曝光时间.     

利用DSP底层结构提高MPEG-4编码的实时性

由于利用TMS320C6000系列的DSP底层结构可以提高图像压缩的实时性,本文在TMS320C6416平台上针对DSP底层结构对MPEG-4视频编码进行了优化,包括对8个运算单元能并行执行的特性进行汇编。针对DSP芯片两级高速缓存的工作特点,对编码器中代码和数据所占用的内存空间进行优化。利用EDMA级联特性在内存开辟双缓冲区,同时完成视频数据编码和传输的工作,从而有效地改善编码效率。实验结果表明：该编码器可以对512 pixel×512 pixel大小的灰度图像,以30 frame/s帧频进行压缩,实现了对视频图像的实时编码。     

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。     

温度对4管像素结构CMOS图像传感器性能参数的影响

为了对4管像素结构CMOS图像传感器的空间应用提供可靠性指导,对4管像素结构的CMOS图像传感器进行了-40~80℃的变温实验,着重分析了样品器件的转换增益、满阱容量、饱和输出和暗电流等参数随温度的变化规律。实验结果表明,随着温度的升高,样品器件的转换增益从0.026 54 DN/e下降到0.023 79 DN/e,饱和输出从4 030 DN下降到3 396 DN,并且暗电流从22.9 e·pixel-1·s-1增长到649 e·pixel-1·s-1。其中器件转换增益的减小应主要归因于载流子迁移率随温度升高而下降使得像素后端读出电路增益降低;饱和输出的降低则是因为转换增益的降低,因为转换增益随温度变化对饱和输出的影响要大于满阱容量随温度变化对饱和输出的影响。     

极紫外平场光栅光谱仪的研制和性能测试

研制了一台高分辨率极紫外光谱仪,用于磁约束等离子体诊断。采用一块具有平场特性的全息球面变线距光栅作为分光元件,光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,掠入射角为3°。一台可深度制冷、背照式面阵CCD作为光谱探测器,用机械快门控制曝光时间。通过CCD在光谱聚焦面的移动,可以记录的光谱范围为5～50 nm。用Penning放电光源测试了光谱仪的性能; 利用光源的标准谱线,进行了波长标定,波长精度为0.003 nm,并计算出系统各参数的实际值;当入缝宽度设置为30 μm时,在20 nm附近,光谱分辨率达0.015 nm,达到设计指标。     

生物芯片扫描仪CCD背景噪声研究

冷CCD(Cool CCD)是生物芯片扫描仪的核心检测器件,其背景噪声直接影响到检测精度。CCD背景噪声可分为光子噪声、热噪声、读出噪声和量化噪声。其中热噪声Hn与读出噪声Rn最为核心,采用拍摄暗场帧的方法对其进行实验研究。实验表明对于某一指定曝光时刻,背景噪声图像各像素的强度可认为符合正态分布,并可将均值与标准方差的估计值即■与■作为其相应正态分布的表征参数。■与■的95%置信区间较小,最大区间长度分别占■与■的0.16%和28.36%。在此基础上讨论了温度、曝光时间对均值与方差的影响。     

全帧型CCD数码相机曝光时间的精确控制

提出一种全帧型CCD数码相机曝光控制方案.在测量机械快门机械延时的基础上,控制CCD触发脉冲TRG和机械快门的控制时序,使得带电子快门的CCD相机,在机械快门的配合下,CCD的感光区都能按各种设计要求的曝光时间精确曝光,从而有效的提高了照片的分辨率.该方法设计简单,不需要额外的硬件电路,可以广泛应用于带机械快门的CCD数码相机曝光时间的精确控制中.     

长焦距小型无热化电视光机系统设计

针对长焦距小型化电视的设计要求,采用摄远型光学结构压缩系统的轴向尺寸,使摄远比达到了0.53,并对系统进行了消杂光及光机无热化设计,通过合理地设置光阑减少系统的杂散光,选择合适的结构材料与光学材料相匹配,在整个工作温度范围（-40 ℃～+65 ℃）,像面漂移量在焦深范围内,20 lp/mm时系统的MTF在0.7以上,点列斑4.7 m,小于探测器的像元尺寸6 m,光轴稳定性达到了0.04 mrad,系统无需调焦便可满足高低温等恶劣环境下的像质和光轴稳定性要求。试验结果表明:探测和识别特定目标距离均达到了指标要求。     

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。     

TG-2/MAI CCD像元响应特性不一致性的在轨分析及校正

CCD像元响应特性的差异是制约MAI成像质量及其数据定量化应用的主要因素之一。为了提高MAI数据质量,本文基于全量程多段分析与校正法,利用2016年9月至2018年3月期间共104403帧观测数据,分别对MAI偏振通道和非偏振通道的像元响应特性的不一致性开展了在轨分析与校正,并利用GOME-2和MODIS数据产品对校正结果进行了验证。首先,假定观测样本足够多,即每个CCD像元观测的样本具有相同的遍历性,则各CCD像元对应的所有样本的平均DN值可以代表CCD各像元的响应特性;其次,利用104 403帧观测数据构建各个通道的参考图像,并利用MAI中心5×5像元给出各参考图像对应的标准DN值;在此基础上分别对MAI偏振通道和非偏振通道开展了像元响应特性的分析,结果表明,MAI各通道均存在CCD像元响应特性不一致的问题,各通道的不一致性大约在4%～10%之间,对偏振通道而言,同一偏振波段的三个偏振通道之间像元响应特性的不一致性有一定的相似性,像元响应特性不一致性的差异基本在1%以内。然后,将MAI近两年的观测数据分为前后两个时间段进行对比分析。结果表明：前后两个时间段偏振通道和非偏振通道的图像均具有很好的一致性,即CCD像元响应特性未随时间发生显著变化,这也进一步验证了前面MAI数据量充足的假定。因此,可以利用全量程多段校正法逐通道逐像元开展CCD像元响应特性不一致性的校正。基于该方法校正后,MAI图像质量得到显著改善,图像四周响应偏低的区域明显改善,基本和周围像元的响应达到了同一水平;图像更加平滑,颗粒感基本消除;部分区域的场景发生了变化,特别是碎云等反射率介于中低反射率之间的目标。基于GOME-2的交叉对比结果表明,MAI 565,670和763 nm波段反射率与GOME-2的参考反射率之间的平均绝对偏差分别由校正前的1.6%,4.2%和2.2%减小至校正后的0.5%,2.6%和0.4%;此外,基于多通道云识别方法开展的云检测表明,校正后的MAI云检测结果与MODIS云检测产品一致性更好。因此,全量程多段校正方法可以有效解决MAI CCD像元响应特性的不一致性,显著提高MAI在轨观测的质量,且该方法也可以应用于其他CCD仪器的在轨校正。