基于面阵探测系统的扫描成像信息获取方式研究

为了实现对目标进行高信噪比、高时间分辨率的探测,近年来数字时间延迟积分技术(TDI)逐步应用于面阵探测系统。结合自行研制的CMOS探测器,搭建测试平台,对面阵探测系统的扫描成像方式进行深入研究。重点针对数字时间延迟积分技术(TDI)对面阵探测系统信噪比提高的分析,结合试验研究系统信噪比提高倍数与数字TDI级数M的关系,并对探测系统时间分辨率与数字TDI级数M的关系进行讨论。引入数字TDI及多帧叠加两种图像信息获取方式的对比,分别对特定目标获取图像的噪声特性及非均匀性对比分析。     

扫描非均匀性对点目标探测影响

为了深入研究物方扫描机构与点目标探测性能的关系,定义了度量扫描机构运动特性的扫描非均匀性指标。根据扫描成像的物理过程,建立了线阵探测器扫描成像模型,并以目标信噪比为核心分析了TDI探测器下扫描非均匀性的影响。首先,根据物方扫描工作特点设置了与扫描机构工作方式相配合的探测器积分时序,并建立了扫描非均匀性度量参量;其次,在经典成像模型的基础上建立了符合积分时序和TDI工作原理的点目标成像模型,并结合探测器噪声模型和TDI工作原理推导了目标信噪比计算公式,通过该公式分析了不同光学系统、TDI级数及目标尺度条件下目标信噪比与扫描非均匀性的关系;最后,从保证能够目标检测性能的角度给出了在相对信噪比限制条件下扫描非均匀性上限。所建立的成像模型准确反映了扫描探测系统各部分特性,分析结果对探测系统的总体设计和指标分配具有指导意义。     

红外焦平面探测器的非均匀性校正与算法实现

与红外单元器件系统相比,焦平面面阵探测器的一个最大的缺点是其固有的非均匀性,它极大地限制了凝视红外系统的探测性能。实用化、实时的非均匀性校正是红外焦平面器件应用的一个关键技术。文章首先介绍了探测器的非均匀性的成因,然后对被普遍采用的多种非均匀性校正方法进行了讨论,最后分别利用DSP和FPGA实现焦现面探测器的两点校正算法。     

采用卷帘数字域TDI技术的CMOS成像系统设计

利用FPGA实现面阵CMOS传感器数字域TDI功能,可避免模拟域TDI的复杂电路设计、完善CMOS传感器成像方式、并可改进TDI CCD缺陷,具有重大的研究和应用价值。首先分析了同步快门方式和卷帘快门方式实现TDI的差异,然后根据TDI工作原理,提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域TDI算法,并利用设计的CMOS成像系统进行了成像实验。实验结果表明:卷帘数字域TDI算法正确,不仅可以实现等效于积分时间增加或入射照度增强M倍功能的M级积分,而且可明显改善成像质量,将信噪比为18.37 dB的未积分图像通过10级积分提高至32.65 dB。所提出的卷帘数字域TDI技术使得CMOS相机具备了时间延迟积分功能,改善了成像质量,并改进了TDICCD难以调焦和级数不可连续调整的缺陷。     

红外焦平面探测器辐射非均匀性校正方法

大面阵红外焦平面探测器的应用日趋广泛,而面阵的不断增大会导致很多不可避免的成像误差,对最终成像效果有较大影响,有必要对其进行校正。在红外焦平面探测器输出信号参数的测试中,针对圆形冷屏限制的红外焦平面分析比较了两种辐射非均匀性校正方法,一种方法为建立光敏元立体角的数学模型,用SolidWorks和MATLAB等软件求出这些立体角从而得到校正因子;另一种方法为从光敏元的视场角ω′出发,按辐射光照度以cos4ω′衰减的规律进行校正。以320×320红外焦平面探测器为例,从面阵中选取均匀性较好的若干行作为样本,对其测试数据进行校正。分析表明,两种方法校正后的曲线较为平直,但第二种方法的校正效果比较理想,可见视场角校正法对数据的非均匀性有较大改善。因此,为了真实地反映探测器的非均匀性,需要对像元辐射通量进行校正。     

利用FPGA实现红外焦平面器件的非均匀性校正

与红外单元器件系统相比,焦平面面阵测器的一个最大的缺点是其固有的非均匀性,尽管现在面阵探测器的非均匀性有了很大改进,但是非均匀性仍然限制凝视红色系统的探测性能。实用化、、实时的非均匀性校正是红外焦平面器件应用的一个关键技术,尽管现在已经有很多种基于场景的非均匀性校正方法,但是两点校正算法仍然是基础的校正方法,有不可替代的价值。两点校正算法的流程简单固定,非常适合用ＦＰＧＡ实现。文章介绍了利用ＦＰＧ     

短波InGaAs红外面阵视频成像系统技术研究

短波红外是红外探测领域的重要应用波段。针对短波红外在薄雾、阴霾、夜晚等条件下的视频成像应用背景,提出了完整的面阵凝视视频成像系统方案,基于320×256短波红外InGaAs面阵探测器完成了成像系统原理样机的设计和性能测试,且为满足视频级数据流的实时性要求,基于FPGA实现了硬件上的非均匀性校正。实验结果表明:成像系统电路设计合理有效,噪声低、体积小,满足系统指标和探测器工作要求,探测器在视频工作条件下性能良好,获取了有效的高质量短波红外视频图像。     

像面编码计算成像实验研究及重构图像的质量评价

针对国产化大面阵红外器件技术缺乏,用红外焦平面探测器获取图像时难以消除自身的非均匀性以及信噪比低,航空航天成像应用中的图像采集、传输、存储成本越来越高等问题.论文引入了像面编码计算成像,首先分析了这种成像系统的原理模型,然后将压缩感知理论应用于计算成像中,搭建成像原理样机,进行非压缩和压缩的计算成像实验.最后在重构的图像质量评价中引入了信号子空间分析方法,进行重构图像的信噪比估计,实验结果表明,这种信噪比估计方法更加准确有效,并且可以以此作为实验结论给出实际压缩成像时需要的合理采样次数.     

大面阵碲镉汞长波红外焦平面器件刻蚀工艺非均匀性研究

作为探测器组件的性能指标之一,响应率非均匀性对其实际应用具有重要影响,尤其是在低背景空间应用领域。大面阵探测器芯片的接触孔尺寸不均匀是导致器件响应不均匀的因素之一。对1280×1024大面阵长波红外探测器芯片的接触孔刻蚀工艺进行了研究,并提出了优化改进措施。结果表明,本文方法可提高刻蚀工艺的均匀性,进而降低探测器组件响应率的非均匀性。     

非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料表征和器件性能研究

本文利用分子束外延（MBE）技术成功生长了GaAs/AlGaAs 非均匀量子阱红外探测器材料,并对相关微结构作了细致表征。分析比较了非均匀量子阱结构和常规量子阱红外探测器性能差异,并对比研究了不同势阱宽度下非均匀量子阱红外探测器的性能变化。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结合能谱仪（EDS）对非均匀量子阱红外探测器材料微结构进行了分析,并利用二次离子质谱仪（SIMS）对非均匀势阱掺杂进行了表征。结果表明,该量子阱外延材料晶体质量很好,量子阱结构和掺杂浓度也与设计值符合较好。对于非均匀量子阱红外探测器,通过改变每个阱的掺杂浓度和势垒宽度,可以改变量子阱电场分布,而与传统的均匀量子阱红外探测器相比,其暗电流显著下降（约一个数量级）。在不同阱宽下,非均匀量子阱的跃迁模式发生改变,束缚态到准束缚态跃迁模式下（B-QB）的器件具有较高的黑体响应率以及较低的暗电流。     

高性能TDI扫描式红外传感器读出电路研究

扫描式红外成像传感器在遥测遥感、卫星成像等远距离成像领域具有广泛的应用。为了缓解信噪比相对较低而影响图像质量的问题,提出了一种时间延时积分(TDI)型读出电路。该读出电路由电容跨阻放大器(CTIA)像素电路阵列、并行TDI电路、多路开关选择电路和输出缓冲器等组成。为实现对宽动态范围光电流的处理,CTIA电路设计有多档可选增益,且非线性度小于0.3%。该读出电路采用0.35 μm CMOS工艺设计与制造,芯片面积约为1.3 mm×20 mm,采用5 V电源时功耗小于60 mW。为了评估1024×3 TDI读出电路的功能,采用了对TDI输入端注入不同电压激励的方式进行测试,测试结果验证了所提出的设计方案。     

CMOS TDI readout circuit that improves SNR for satellite IR applications

A novel CMOS readout circuit for a satellite infrared time delay and integration (TDI) array is proposed. An integrate-while-read readout for the TDI scheme is adopted, and a dead pixel elimination circuit solving a critical problem of the TDI scheme is integrated within a chip. In addition, an adaptive charge capacity control method is utilised to improve the signal-to-noise ratio (SNR). Using the proposed circuit, the SNR at 200 K can be improved by as much as 12 dB.     

基于EMCCD和CMOS的天基微光成像

电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)利用电荷雪崩机制可以实现低于1e-的读出噪声,适用于微光成像。随着背照式CMOS成像探测器技术的发展,具有高量子效率和低于1.5e-读出噪声的CMOS成像探测器已中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功。针对天基微光成像的需求,分别构建了基于EMCCD CCD201的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机,并建立了系统的噪声模型。对基于EMCCD的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机的微光探测性能和工作机理进行了对比分析。分析结果表明:当采用凝视成像模式,积分时间为2 s,相机入瞳辐亮度为10-9 Wcm-2sr-1m-1时,基于EMCCD的天基微光相机在焦面温度为20℃的条件下的信噪比为23.78,相同条件下基于CMOS的天基微光相机的信噪比为27.42。当采用制冷系统将焦面温度降低至-20℃时,基于EMCCD的天基微光相机的信噪比提高到27.533,而基于CMOS的天基微光相机的信噪比提高到27.79。     

基于CMOS图像传感器的微光成像系统信噪比研究

信噪比是微光成像系统的关键参数,决定了成像系统的性能与成像质量。给出了互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）图像传感器微光成像系统的信噪比模型,仿真计算了系统的信噪比与信号、噪声的关系。搭建了信噪比测试环境,完成了系统信噪比测试实验。实验结果表明,理论值与实测值一致。最后,根据信噪比分析结果对给定系统进行了参数优化。计算结果显示,优化后的系统在1 mLux照度下,信噪比能达到4.5。信噪比的研究为基于CMOS微光成像系统的总体设计与优化提供了理论依据。     

采用稀疏读出策略的电容触摸屏前端IC设计

针对采用触摸预测和窗口采样(TPWS)稀疏读出策略实现的电容触摸屏系统容易受到显示噪声和充电器噪声干扰的问题,本文提出了并行互补驱动和差分感应的方法以提高系统的信噪比。基于本文提出的并行驱动和差分感应方法,并结合TPWS系统的特点,采用0.35μm CMOS工艺设计实现了一个48通道电容触摸屏模拟前端IC,并设计了一个11.6in原型触摸屏系统用于评估该IC的性能。测试结果表明,本文设计的IC不仅能满足TPWS系统对于点测量和线测量的功能需求,并且系统的信噪比从原来的25.0dB提升到了35.8dB。     

基于数字TDI技术的紫外成像系统的设计

为了实现高灵敏度紫外探测,基于600×500元紫外电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD) 图像传感器,创新性地运用软件开窗技术设计了一种基于数字时间延迟积分(Time Delay Integration, TDI)的 紫外成像系统。具体分析了成像系统的噪声来源以及TDI阶数M对成像系统信噪比的影响,并从理论上分析了 采用M阶数字TDI技术对成像系统信噪比的影响。然后详细介绍了在FPGA内部实现数字TDI算法的情况,并给 出了数据采集系统中的上位机交互流程。实验结果表明,基于数字TDI技术的紫外成像系统可以获得较 高的图像对比度和信噪比以及优良的成像质量。     

480×6长波红外探测器的低噪声采集系统设计

480×6长波制冷红外探测器是一款480列,6阶TDI的高探测器率的CMOS探测器.以此探测器为例,介绍了长波红外探测器采集系统的低噪声设计过程.着重解决了硬件电路在满足驱动的条件下如何降低噪声的问题,试验结果表明采集系统工作正常,且具有较好的噪声特性,在300 K黑体直接照射情况下,整个采集系统所测得的均值噪声为1.20 mV,信噪比可达到55 dB以上.     

衍射光学系统红外光谱目标探测性能

衍射光学系统具有大口径轻量化的优点,但其光谱范围较窄,能利用的红外信号能量较小,通常认为采用后会使红外相机的探测信噪比降低。基于衍射光学系统,分析了对地观测红外相机的目标探测性能,结合一个非制冷红外相机信噪比计算示例,明确了在地物背景和目标光谱特性不同的条件下,基于衍射光学系统的红外相机仍可能具有良好的目标探测性能。同时将红外相机等效噪声功率与激光和电子学系统进行对比,提出了红外探测系统的性能还可能进一步提高的观点,给出了一种引入激光本振结合电子学滤波细分红外光谱降低等效噪声功率的方法。     

液氮温区集成式数字温度传感器设计

温度传感器是制冷型红外焦平面探测器的重要组成部分,它用于测量探测器工作温度,其输出用于制冷机控制,从而控制探测器温度。探测器的工作温度将直接影响探测器的性能,如信噪比、探测率和盲元率等。针对传统PN结温度传感器需要模拟信号处理电路及易受电磁干扰的弊端,设计了一种基于CMOS工艺的集成式数字温度传感器,可以集成到红外焦平面探测器读出电路中,直接通过SPI接口输出数字测温值。设计的集成式数字温度传感器采用0.35 m CMOS工艺流片,芯片面积为380 m500 m（不包含PAD）,在电源电压2.5 V和采样频率6.1次/s条件下,功耗为300 W,分辨率0.061 6 K。在77 K温度下输出的RMS噪声为0.148 K。测试结果表明,集成式数字温度传感器可以应用于制冷型红外焦平面探测器温度测量。     

线列TDI型红外探测器组件坏元替代方法

国产线列TDI型红外探测器组件在红外系统中的应用越来越广泛,但由于加工材料和制造工艺等因素的影响,探测器组件存在坏元,将造成图像质量下降,图像灰度分布失真,进而影响红外系统的性能。本文介绍了576×6线列TDI型红外探测器组件的读出电路坏元替代方法,采用该方法可进行线列TDI型红外探测器组件通道内的坏元替代,提高图像质量。