影响基于CCD相机激光光束宽度精确测量的因素

分析了基于CCD相机激光光束宽度测量过程中引入的噪声特性,并给出了有效抑制噪声的方法,说明了在光束宽度计算过程中尤其采用4σ算法时,积分区域选取的意义及正确的选取方法,总结了影响基于CCD相机激光光束宽度精确测量的因素。通过实验,进一步验证了用4σ算法计算激光光束宽度时,特别是计算小光斑光束宽度时,积分区域限制的重要性;提出了积分区域最佳选取值为2倍的光束宽度;得出了如无噪声影响,CCD空间分辨率对基于4σ算法的光束宽度结果影响很小的结论,即采用4σ算法虽然光束宽度内仅有十几个甚至几个像素,仍可得到准确的光束宽度值;定量给出了高频随机噪声对基于4σ算法的光束宽度测量重复性的影响,以及提高测量结果精确度的方法;分析了基底噪声对基于4σ算法的光束宽度测量结果的影响程度,提出了正确的背景图像扣除方法以减少基底噪声的影响。     

CCD的非线性响应特性对光束质量测量的影响及修正

在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中,通过对比不同的激光波长,分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大,这会对激光光束质量的测量精度带来影响,因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统,建立高斯型激光光束的近远场传输模型,对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样,利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明:利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正,对比国际标准激光光束质量分析仪,所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度,对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。     

激光束质量因子M2及其测量

激光束的质量因子M2是一种全新描述激光束质量的参数,能够定量地表征单模、多模光束的传播特性.描述了M2因子的概念和测量方法,利用面阵CCD探测器研制一套光束质量测量系统,对激光束质量因子M2进行测量,并给出测量结果的不确定度.     

基于CCD的激光束宽自适应测量算法

为了获取激光束的准确束宽值,模拟了基模和高阶模的高斯光束以及CCD噪声,并根据国际标准ISO11146规定的二阶矩算法计算激光束宽。为减小CCD噪声对测量结果的影响,通过改变积分项以及积分范围,对积分结果进行分析,提出了一种新的自适应方法来确定理想积分范围大小,从而获取准确束宽值。这种自适应方法对CCD噪声有较好的鲁棒性,并可以根据指定精度来确定参与积分的窗口大小范围。利用实际CCD采集系统进行了半导体激光器的M^2因子测量实验,利用该自适应方法确定积分范围,计算激光束宽,并进行曲线拟合求得激光束的M^2因子。结果证明了该种方法的可行性。     

阈值法对激光远场焦斑质量测量和计算的影响

建立了非稳腔激光束通过大气湍流随机相屏传输至远场焦平面上的光斑强度分布模型,并考虑CCD像素单元对激光能量的离散化积分采样及探测噪声的影响,以峰值斯特雷尔比Rs、环围能量斯特雷尔比Ree和光束质量因子β作为评价远场光斑质量的指标,利用蒙特卡罗法研究了在不同信噪比(SNR)和光斑分布形态情况下,采取四种不同阈值去噪方法对远场光斑质量评价参数计算精度的影响。结果表明,足够的测量信噪比是保证光束质量测量精度的前提,在测量信噪比和光斑分布形态给定的情况下,采取阈值为CCD背景噪声均值,同时保留随机噪声起伏的去噪方法是较为合理的选择。     

固体激光远场瞬时光斑时空分布测量技术

基于漫透射CCD成像法原理,建立了固体激光瞬时光斑时空分布测量系统。开展了该测量方法的可行性验证实验,能够精确地获得激光远场光斑图像,并运用Matlab软件对测量数据进行处理,得到激光远场光斑半径、光束质量、质心位置、光轴抖动、光强分布以及平均功率密度等参数。实验结果表明:利用漫透射CCD成像法测量固体激光远场瞬时光斑时空分布是可行的,测试系统采集频率可达120 Hz。该方法具有高分辨率、高帧频、低成本、使用方便的突出优点,能同时实现激光强度分布和功率的测量,测量功率误差小于2%。     

系统噪声和动态范围对激光束参数测量影响的分析

目前在激光束空域参数及传输因子的测量中，一般采用基于面阵ＣＣＤ的数字图像采集系统，本文应用计算机模拟仿真的手段，针对基模高斯光束和高阶厄米－高斯光束，分析了系统中的是电噪声和动态范围对激光束一阶四阶矩等空域参数以及Ｍ＾２因子测量精度的影响，提出了有效积分区域的概念，给出了实际工作中合理的积分范围，并通过大量的数据说明噪声和动态范围对光束测量精度影响不显著，为合理要求光电探测器和电路和系统的噪声性能     

准直误差对光束质量因子测量影响的理论与实验研究

测量激光光束质量(M~2)因子时一般要求光路准直,同时要求降低噪声对光斑半径测量的影响。光路偏移会导致CCD采集的光斑偏离CCD中心,噪声使偏移光束的光斑半径和M~2因子的测量值存在额外误差。针对含噪声且光路偏移CCD中心的情况,提出了一种测量M~2因子的改进方法,即当光路不准直时,在光路每个位置采集两个不同偏移量的光斑,则可校正得到光斑半径的真实值,从而得到无准直误差的M~2因子。理论推导了激光光束的光斑半径和M~2因子与偏移量的变化关系,通过数值仿真和实验研究了偏移光束的光斑半径和M~2因子随偏移量的变化,二者结果一致,验证了所提方法的可靠性。     

CCD光电响应非线性特性对高功率激光光束质量评价的影响

对利用电荷耦合器件(CCD)测量高能激光系统近远场能量分布时,CCD光电响应非线性特性对光束质量评价的影响进行分析计算。提出了一种基于单缝衍射的CCD光电响应标定方法,完成对某CCD的标定工作。利用该标定结果分别对理论模拟及实际系统下的近远场能量分布进行灰度修复,考察灰度修复对近场填充因子(FF)及远场环围能量分布的影响。对实际光束的修复结果表明,经过灰度修复的近场填充因子会提高1%~2%,对远场评价基本无影响。     

基于高斯光束的飞秒激光光束质量检测技术

为了研究飞秒激光光束质量因子M2基于高斯光束的传播特性和能量密度分布, 在对飞秒激光光束质量因子进行理论研究的基础上, 进行了相应的数据计算, 给出了飞秒激光脉冲照射屏幕表面时所形成的环形光斑宽度的测量方法, 设计了一套由飞秒激光器、透镜、介电材料玻璃屏幕所组成的实验平台; 将该方法与刀口法和CCD法测量值进行了对照, 并用刀口法、CCD法确认了飞秒激光束腰在不同位置时的激光光束质量因子取值范围。结果表明, 光束质量因子M2在x和y方向上的测量值分别为2.04, 1.24。该实验结果与理论分析基本一致, 比刀口法和CCD法结构简单, 所得结论数据可靠、执行方便, 对精密测量有一定的参考价值。     

Computer analysis of surface-charge transport between transfer electrodes in a charge-coupled device

A computer program has been developed that simulates two-dimensional dynamics of electrons and holes in a p-channel charge-coupled device. By using this program we have investigated the effects of two-dimensional device structure on surface-charge transfer, particularly a potential-barrier and fringing field. We have obtained the following results: 1) in case of a p-channel CCD negative charges on the SiO2film at a gap reduce the potential-barrier between transfer electrodes. This effect aids transfer of surface-charge in a CCD with wide gaps. 2) In transfer operation of a CCD with wide gaps, the signal charge must be less than a particular value so that a potential-barrier does not emerge. The particular value depends upon the device parameters and the transfer pulses. 3) The fringing field created by the adjacent electrode enhances the speed of surface-charge transfer. This effect increases with decreasing the transfer-electrode length and the signal charge level. 4) The computer results indicate that 100 percent transfer efficiency is obtained from the strong fringing field after the transfer time is equal to the transit time if no surface states exist.     

基于DSP的双线阵CCD红外测宽系统

研制了一种基于数字信号处理器（DSP）技术的双线阵CCD红外测宽系统。测量系统采用CCD传感器光采样与ADC数据采集、DSP数据处理3级流水线结构,利用板材自身红外辐射进行测量。根据CCD曝光时间与输出模拟电压的关系,自动调整CCD增益,从而在高速数据处理的同时保持信号不失真,提高测量准确度。由于测量系统采用基于立体视觉原理的双线阵CCD测量方法,消除了板材横摆、跳动、倾斜对测量精度的影响,因而在无背光源情况下,实现了宽带钢宽度的高速和高精度测量。     

变焦彩色CCD成像系统的激光外场干扰实验

开展了变焦彩色CCD成像系统的激光外场干扰实验,测得了半导体激光（750 nm）对变焦距（17~187 mm）彩色CCD相机的干扰效果;同时利用典型的激光干扰CCD模型,完成了对实验结果的验证与理论分析。理论与实验结果表明:750 nm激光对彩色CCD成像系统的干扰效果明显,CCD靶面出现了明显的光饱和和串扰现象;在激光辐照条件相同情况下,光学系统焦距f越大,被光阑截断的激光就越少,到靶的激光功率密度就越高,CCD靶面的光饱和面积就越大;光学系统焦距f为17 mm时,CCD靶面的光饱和面积为0.33 mm0.29 mm,而当光学系统焦距f增大至120 mm时,CCD靶面的光饱和面积为1.8 mm1.2 mm。仿真结果与实验结果基本一致,证明了理论模型的正确性。研究结果将对CCD器件的实际应用具有一定的指导意义。     

行间转移型面阵CCD成像系统设计

采用行间转移型面阵CCD KAI-1020作为图像传感器,以现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制器,设计并实现了一个完整的成像系统。FPGA产生驱动时序、控制CCD上电顺序、调节曝光时间,并实现数据缓存。CCD模拟视频信号经过预处理,通过同轴电缆传输到CCD专用视频处理器进行相关双采样和模数转换,以10位像素深度输出到FPGA,数字视频信号经过差分芯片驱动以低压差分信号（LVDS）格式输出到数据采集卡。集成化视频处理电路提高了系统的信噪比,改善了成像质量。实验表明,CCD成像系统工作稳定可靠,像素读出时钟为10 MHz时,帧频为10帧/s。设计的CCD成像系统性能好、可靠性高、实现周期短,具有很强的可扩展性。     

A 2-million-pixel CCD image sensor overlaid with an amorphoussilicon photoconversion layer

A highly sensitive 2-million-pixel high-definition charge-coupled device (CCD) image sensor was developed that features an overlaid amorphous silicon photoconversion layer on an interline transfer-type CCD scanner. The device is adapted to the 16:9 aspect ratio. 1125 scanning lines and 2:1 interlace high-definition TV system. A dual-channel horizontal CCD register is used to reduce the operating frequency to one half of the 74.25-MHz readout frequency. A horizontal period signal storage memory (1H line memory) is provided between the vertical CCD register and the horizontal CCD register to provide the signal distribution from the vertical CCD to the horizontal CCD register during the 3.77-μs short horizontal blanking interval. This device realized a 1000 TV line horizontal limiting resolution 210 nA/1x high sensitivity. Total random noise was found to be 52 electrons RMS and a 72-dB dynamic range was achieved     

基于FPGA的CCD光积分时间大范围实时自调节系统

为了提高系统的自适应性、探测能力及测量精度,常常需要系统能根据待测光照强度自动实时大范围地调节电荷耦合器件(CCD)光积分时间.在分析了TCD1304AP型线阵CCD的特性、工作过程与驱动时序的基础上,设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)控制的CCD光积分时间大范围实时自适应调节系统.研究分析了光积分时间计算算法,选用EP1C20F400C8作为硬件载体,使用Verilog语言对算法及CCD驱动时序进行了硬件描述;采用QuartusII软件对设计进行编译、综合,并用Modelsim进行了前后仿真;用自然光与LED光源对整个设计进行了实际测试.测试结果表明系统光积分时间调节范围在10μs～10 s以上,最小调节时间精度为0.25 μs,完全可以满足光积分时间的大范围实时自动无极调节.     

线阵CCD相机模拟器的分析与设计

为降低某线阵CCD相机因屡次调试而被损坏的风险,对相机的特性和时序进行了分析,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的CCD相机模拟器.整个系统以FPGA作为核心器件,在FPGA内部开辟一片ROM,里面存放一幅标准图像的灰度值,在像素时钟的下降沿输出灰度值,并对像素时钟进行计数,产生外加行同步信号和行有效信号.仿真结果显示,此线阵CCD相机模拟器模拟过程符合实际相机的输出时序要求.模拟器的设计缩短了工程上的调试时间,为后期的采集和存储等处理提供了保证.     

XeF激光与YAG倍频激光对CCD软破坏效应对比实验研究

为了对比研究XeF(C-A)激光和YAG倍频激光对可见光面阵CCD的软破坏效应,分别建立了XeF(C-A)激光和YAG倍频激光对可见光面阵CCD辐照效应实验研究平台和CCD图像同步采集系统,在此基础上开展了上述两种激光对CCD的辐照效应实验,获得了CCD出现局部饱和、全饱和、串音以及全屏饱和时的激光能量密度阈值和CCD图像,并对实验数据进行了总结分析,采用激光能量密度阈值法和饱和面积法对CCD图像进行了分析处理。结果表明,两种激光对SONY SUPER HAD型CCD具有相同的软破坏效应。     

空间太阳望远镜的图象预处理系统研制

空间太阳望远镜太阳磁场测量要求图象的信噪比为10⁴.受CCD满阱电荷的限制,必须对CCD采集到的图象,在预处理单元进行图象积分以提高信噪比;为了减小CCD引入的噪声,还采用了CCD图象改正技术;对于宁静态的长时间太阳观测,为了克服图象漂移导致无法进行图象积分的难题,提出了图象相关内插累加技术,来进一步提高信噪比;预处理单元还担负着偏振测量中的Stokes参数归一计算、CCD控制、调焦控制和图象格式化等任务.文中分析了预处理系统的处理功能需求,确定了系统设计方案;采用FPGA加DSP的硬件结构,制作了地面原理样机,开发了系统软件.在地面支持设备上对系统功能进行了仿真和测试.     

Design and Implementation of 4S‐Van: A Mobile Mapping System

Recent advances in positioning and photogrammetry technologies have made it possible to build a mobile mapping system (MMS) that can obtain 3D coordinates of geographic objects from stereo images recorded from a moving vehicle. In this paper, we present a design and detailed implementation of an MMS called a 4S‐Van. Furthermore, we present four issues that have made major contributions to the performance of an MMS: 1) CCD camera calibration, 2) GPS signal condition, 3) integrating a GPS, inertial navigation system (INS), distance measurement indicator (DMI), and CCD cameras, and 4) the orientation angle of CCD cameras. In the experimental results, the performance of an MMS was analyzed for each component, giving an idea of how to effectively design and integrate each component in developing an MMS to get a maximal accuracy of 3D coordinates.