嵌入式系统的制冷CCD相机

根据天文摄影中CCD的工作特性,提出了基于嵌入式技术制冷CCD相机的新方法,以ARM微处理器为硬件平台设计了嵌入式制冷CCD相机,并在低照度下的天文观测中取得了良好的效果.基于天文制冷CCD的具体特性和对信号数据输出的要求,选用CXD1267和AD9826分别设计CCD的列转移驱动时序和CCD的水平读出时序.通过微处理器定时中断,实现对CCD制冷温度的实时控制.分析了科学级CCD噪声的种类及来源,通过实验得到了温度、曝光时间与暗电流噪声的关系以及CCD的读出速率与读出噪声的关系.进而在硬件和软件上采取了相应的措施有效地降低了CCD的噪声.     

4096×4096元全帧转移CCD的设计和研制

重点讨论了像元尺寸为11μm×11μm的4096×4096元可见光CCD全帧转移结构和技术性能参数的设计,采用CCD埋沟工艺和辐射加固技术,研制出了高性能4096X4096元可见光CCD。结果表明器件动态范围达到75dB,读出噪声电子数为30,暗电流产生率为2mV／s,响应非均匀性为2％,非线性为0．4％,且具有抗γ射线辐射能力。     

面阵电荷耦合器件的辐射性能函数（英文）

电荷耦合器件(CCD)作为一个将光学图像转换到电子学图像的传感器,其成像质量与辐射响应参数的性能直接相关。针对面阵CCD越来越广泛的应用,提出利用"辐射响应矩阵"的概念和评价方法,表述面阵CCD每个像元的辐射性能参数。分析该矩阵,明确矩阵各元素的物理意义,并将面阵CCD每个像元的绝对辐射响应度、响应非线性度、暗噪声、信噪比以及非均匀性的数学关系与其物理含义一一对应。对面阵CCD DALSA-FTF6080M进行辐射性能检测,并利用辐射响应矩阵计算出各像元的响应系数。以测试结果为例,讨论和描述该矩阵的应用结果。实验结果表明:使用辐射响应矩阵可以计算出面阵CCD非均匀性为3.1%,该CCD近似成线性响应,暗噪声为3.84。此方法实用,满足对面阵CCD的客观评价。     

TDI CCD视频响应性能的高精度检测

TDI CCD主要应用于空间遥感和科学实验中,为了解决TDI CCD性能检测过程中精度不够高、检测方法不够准确等问题,提出了一套更为科学而准确的高精度TDI CCD性能检测方法。首先,增加TDI CCD视频信号的增益可调范围和视频AD的量化位数,尽可能高地提取出TDI CCD的噪声;其次,改变TDI CCD接收的辐照度,制定TDI CCD各项视频响应性能的检测方法;最后,提出TDI CCD各项视频响应的准确计算方法,确定测量不确定度。实验结果表明:和以前测量方法相比,暗电流信号和CCD噪声的测量不确定度减小了10倍,其他视频响应性能的不确定度也减小了5倍多,因此,现有测量方法提高了TDI CCD视频响应的检测精度和准确性。     

大视场遥感相机的时间延迟积分电荷耦合器件测试系统

为了在基于多片CCD拼接的大视场遥感相机研制时挑选高性能和性能一致的CCD,提出了一种CCD性能参数测试系统。首先,介绍了该测试系统的各部分组成和功能。其次,阐述了该测试系统的核心部分CCD成像评估电路关键技术,提出了基于电荷泵的CCD时序驱动策略和闭环自动可调电压供电策略。然后,针对多片CCD拼接时主要考虑的一致性参数CCD像元响应非均匀性、盲像元、过热及过冷像元,提出了基于图像处理的CCD性能测试方法。最后,测试系统对XX-X遥感相机的17片CCD性能进行了测试。结果表明,待测的各片CCD参数性能指标均符合项目的设计要求。其中,各片CCD响应非均匀性均小于5%,响应度大于985 V/(J.cm-2),动态范围大于2 320:1。测试系统可以全面地评价待选用的各片CCD性能。     

电子倍增CCD性能参数测试方法研究

电子倍增CCD（EMCCD）性能参数测试是电子倍增CCD芯片及其成像系统研制的重要辅助手段和设计依据。在对 EMCCD的工作原理进行了阐述之后,介绍了 EMCCD 的各项特性参数,分析了相关参数的测试方法。针对测试过程中出现的单位转换问题,引入了转换增益的概念,提出了基于改进的光子转移技术的EMCCD性能参数的测试方法,建立了EMCCD性能参数测试系统,该系统包括高稳定度可控标准钨灯、光学系统、暗箱、数据采集与处理系统等。对Andor Luca相机的转换增益、满阱容量、倍增增益、读出噪声、时钟诱导噪声和暗电流进行了测试。实验结果表明:测试值与相机的指标值基本一致,测试结果准确,证明了所提出的测试方法有效可靠。     

天文CCD相机的噪声分析与信噪比模型的研究

全面分析了天文CCD相机系统中的几类主要噪声:光子噪声、读出噪声和暗电流噪声等,提出了在低照度条件下的信噪比(SNR)模型,并进一步提出了在不同曝光时间长度下CCD的信噪比简化模型.根据不同的简化模型,可以将曝光时间分为两个不同的噪声主导区域:光子噪声主导区域和读出噪声主导区域.为了更加有效地提高信噪比和检测CCD图像中的目标,可以采用像素合并技术.实验结果表明,所提出的信噪比模型及其简化模型是有效的.因此,在不同的应用条件下,可采取不同的曝光策略来获取图像数据,从而更加有效地检测图像中的目标.     

用于天文观测的InGaAs近红外探测器性能测试方法

基于天文红外探测器评价体系,利用改进的“光子转移曲线”测试方法,分别测试了液氮制冷和热电制冷的两款InGaAs近红外探测器的性能。NIRvana-LN光电子与输出数字量的转换因子为0.16ADU/e^-,读出噪声实测值是83 e^-,远高于标称值15 e^-;NIRvana的高、低转换因子分别为1.25ADU/e^-和0.097ADU/e^-,读出噪声分别为105 e^-和380 e^-;NIRvana在高转换因子档下暗电流实测值是415 e^-/s,大约是标称值的2倍。理论估算云南天文台两米环形望远镜在1.565 μm太阳磁场测量时的信号电子数约8800 e^-,在实测暗电流4.06 e^-/s,像元曝光时间20 ms,读出噪声83.59 e^-条件下,NIRvana-LN探测器信噪比为70。     

天文应用红外焦平面读出电路研究

成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点,为了实现探测器的高信噪比,需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略,在保证电路正常工作的前提下尽可能地降低电路功耗以减小电路辉光对器件暗电流的影响。同时,研究非破坏性读出的数字功能,实现了超长的积分时间和信号的多帧累积,并作为一种斜坡采样的策略有效地降低读出噪声。短波HgCdTe焦平面的测试结果符合理论设计预期,开启电路非破坏性读出功能,设置6 000 s的积分时间,当电路功耗调低至14.04 mW时暗电流为0.9 e-·pixel^-1·s^-1。读出噪声在两档增益下分别为50 e-(10 fF)和27 e-(5 fF),非线性度低于0.1%。     

BFOSC CCD控制系统设计及性能分析

分析了2．16m望远镜BFOSC摄谱仪CCD控制器系统的设计,并对该系统各项性能进行了测试和分析。通过修改软件波形表,该系统可以产生任意特定的波形和电压,可适用于不同类型的CCD芯片,同时它还具有多路读出功能和子图像读出功能。详细介绍了CCD的增益、转移效率、满阱、线性、暗电流、读出噪声、陷阱和量子效率的测试方法及测试结果。     

大视场空间相机CCD 性能测试及筛选方法

空间相机使用CCD 拼接技术组成长焦平面,可有效地增加空间相机的视场和幅宽。拼接 CCD 之间的性能差异会影响空间相机的成像质量,为了在大视场空间相机研制时挑选高性能且性能一致的CCD,提出了一种大视场空间相机CCD 性能测试与筛选方法。首先,介绍了CCD 的成像电路设计、以及CCD 光谱特性和辐射特性的测试方法。然后,介绍了CCD 的筛选流程,第一步是从各 CCD 裸片的几何特性、信噪比、相对光谱响应、响应非均匀性、非线性、暗电流以及动态范围等角度进行筛选,将不满足指标的CCD 剔除,第二步是依据辐射响应一致性筛选出满足要求的CCD,通过数据分析比较得出饱和辐照度筛选法优于响应度筛选法。最后,采用饱和辐照度筛选法从10 片CCD 中筛选出饱和辐照度一致性最好的4 片CCD,饱和辐照度相对偏差为0.23%,该组CCD 已经被应用于某大视场空间相机的研制,并获得了良好的效果。     

CCD区域倍频读出及其对成像的影响

在某空间项目中,需要使用一款指定的CCD传感器研制一套用于空间成像的CCD摄像机系统,并且要求图像的帧频高于CCD传感器的标准帧频。简单的超频读出CCD会使摄像机的信噪比下降。文中首先分析了CCD摄像机在空间条件下影响成像信噪比的多种原因,发现读出噪声对输出图像的信噪比影响是最大的。使用区域倍频读出方法来提高CCD摄像机的输出帧频,即在图像的水平和垂直方向都使用4倍的时钟读出部分像元。最后把区域倍频读出CCD的图像信号和整体超频读出CCD的图像信号进行了信噪比对比检测,测试结果表明区域倍频读出的CCD图像质量较好。     

TG-2/MAI CCD暗电流特征及其通道依赖性分析与校正

多角度偏振成像仪(MAI)采用背照式面阵CCD探测器,用于定量获取云与气溶胶参数。暗电流是影响面阵CCD探测器数据质量及其定量应用的主要因素之一。为了分析CCD暗电流特征及其通道依赖性,并改进CCD成像质量,在分析MAI 0级数据特征的基础上,提出基于夜间场景对MAI各通道暗电流特征进行分析的方法,并于2018年2月2日—16日开展了MAI夜间场景观测实验。通过对比MAI挡光通道白天和夜间的观测结果可知,白天和夜间观测到的暗电流特征无明显差异。故基于夜间观测数据对MAI 13个通道的暗电流特征开展分析,结果表明:各通道暗电流分布均存在一定程度的非均匀性及"坏点",且单个通道的分布具有较好的稳定性,但各通道之间存在显著差异。基于图像法对"坏点"进行校正,基于线性、非性线关系对像元间的不均匀分布进行校正后,暗电流图像的标准差由12.1%降至6.9%。以晴空洋面观测值为参考,暗电流及"坏点"对像元观测的最大相对误差由9.1%降至3.0%。分析结果表明:相对于设置暗电流监测通道,基于夜间观测的暗电流监测不仅可以监测各通道的暗电流特征,还可以处理暗电流的通道依赖性问题。因此,在后续的星载观测仪器设计中,无需单独设置暗电流监测通道就可以直接利用CCD夜间观测对各通道暗电流进行在轨监测与校正。     

天文全帧CCD图像拖尾的快速去除方法

在长时间的天文光电观测系统中,为降低运行成本,往往拆除机械快门。但对于天文全帧CCD相机而言,其由此产生的拖尾严重影响了目标的检测性能。本文首先根据全帧CCD的工作机理,从理论上分析了CCD图像拖尾产生的原因。结合实际工程对空间目标检测的实时性需求,提出一种快速而有效地去除恒星目标竖直拖尾和空间目标倾斜拖尾的方法。最后结合实测数据和硬件平台,验证了该方法的有效性及实时性。      

大气抖动矫正用高灵敏度高帧率CCD相机

针对自适应大气抖动探测的要求,设计了一种高灵敏度、高帧率的CCD制冷相机,并对其特性进行了测试.通过使用带低通滤波器的前置放大器降低了读出噪音,研究了读出噪音与读出速度的关系.相机采用USB2.0界面传输,16 bit TADC采样,电路本底噪音为7.2 ADU,读出噪音为6.9 e-,制冷时暗电流噪音为2.19 e-/pixel/s,系统增益为0.38 e-/ADU,1×2 BIN时传输速率为28.09 fps,50行子画面传输速率为128 fps.     

低成本科学级CCD数字相机的研制

介绍了科学级CCD芯片的主要性能参数和读出驱动时序要求，设计了图像采集总体方案。利用计算机EPP方式和采用CCD读出、A／D转换及数据传输流水线方法降低成本、噪声和实现难度。用复杂可编程器件(CPLD)实现了图像采集的各个控制信号，并给出了时序仿真波形。给出了相机的主要性能指标和在X射线数字实时成像检测中的应用。     

基于FPGA和NIOS的背照式CCD成像系统

设计了一种基于FPGA+NIOSⅡ的背照式CCD成像系统。系统采用半导体制冷器对CCD芯片致冷,大幅降低了CCD芯片的暗电流,从而使相机具有很高的灵敏度和很低的读出噪声特性。图像数据传输采用TCP/IP协议接口,可以进行远距离网络控制。详细介绍了系统的硬件设计、制冷系统结构设计,以及相关软件设计。     

基于面阵CCD的MAX-DOAS系统性能研究

介绍了自制的地基多轴差分吸收光谱系统,该系统采用二维面阵CCD探测器,将不同水平仰角所接收的光信息分布在面阵CCD的不同区域,实现了对不同水平仰角痕量气体的同时测量,并对系统中面阵CCD探测器的偏置、暗电流、噪声、响应线性以及成像光谱仪的分辨率、光谱范围等性能进行了测试.给出了该系统对不同观测水平仰角下大气O3的监测结果,结果表明此多轴差分吸收光谱系统能够满足大气监测的要求.     

中波凝视红外焦平面探测器性能参数的提取

320×320中波凝视红外焦平面碲镉汞探测器是红外相机的关键部件。红外焦平面性能参数的测试评价是红外探测器发展中的关键技术之一。针对这一情况进行探测器特性评价,定量化获取其性能参数的精确值显得尤为重要,如探测器的暗电流、响应线性度和非均匀性等。详细叙述了各个性能参数测试的方法,通过处理标准实验条件下得到的实验数据算出探测器各个参数的精确值。     

用ISD017AP型CCD研制高性能慢扫描相机

介绍了科学级制冷CCD器件ISD017AP的主要性能、结构及管脚，设计了构成相机的制冷电路与驱动时钟电路，对相机的暗电流和光响应不一致性进行了分析和校正。并介绍了其在高质量射线数字成像检测中的应用。