基于FPGA的模式可调线阵CCD驱动电路设计

光谱仪的微型化是光谱仪的发展趋势,其中具有高灵敏度、高信噪比、光谱响应宽、体积小特性的线阵CCD用作光电探测器成为研究热点。针对传统对CCD驱动电路遇到参数修改情况而需要改变硬件电路或重复烧写程序的缺点,以线阵CCD-ILX554B配合CCD专用信号处理芯片AD9826为例,结合FPGA控制芯片搭建了一个CCD驱动与信号采集系统。通过研究CCD与AD9826内部结构并分析控制驱动时序,结合Verilog HDL语言,设计了CCD工作模式、积分时间及工作频率软件可调整的CCD驱动系统,硬件电路设计考虑EMC并设计针对CCD输出信号的处理电路与数据传输模块。实验结果表明,该设计成功地驱动了线阵CCD并实现了模式可调,进行数据传输,且电路体积小、控制时序精确,可用作微型光谱仪的光电探测电路。     

线阵列硅探测器多通道光谱仪性能评价研究

研究和讨论了线阵列硅探测器多通道光谱仪的性能及实验评价。在完成可见一近红外平谱面多色仪调试、线阵列硅探测器的驱动电路及触发电路设计、微机系统接口与软件开发的基础上,进行了以下几方面研究和讨论:对多通道光谱仪各谱带的中心波长、光谱带宽及光谱范围进行了定标,并分析和讨论定标误差、光谱分辨率及辐射响应;光谱辐射定标:以光谱辐照度(或辐亮度)标准建立探测器各元的数字响应与入射辐照度(或辐亮度)的关系,并分析和讨论辐射动态范围,辐射定标误差和线阵列硅探测器各元响应不均匀性;分析和讨论多通道光谱仪的杂散光特性;最后通过数据处理得到了两种材料的光谱分布,并与用分光光度计测得的结果进行了比较。     

卷烟周长测量仪的研制

介绍的卷烟周长测量仪以光学投影的原理测量卷烟的直径,它以线阵CCD为光电传感器,以MCS51系列单片机为核心组成控制系统。文中详细介绍了测试系统的构成,线阵CCD驱动电路,对CCD信号的采集、处理电路,并对测量误差进行了详细分析。本仪器所采用的原理和电路对柔软物体的非接触性测量有参考意义。     

基于线阵TDI CCD相机的辐射标定实验

光学遥感器辐射定标的任务是在遥感器的输入辐亮度和探测器数字化输出之间建立定量关系.地面上进行的定标是检验各项指标是否达到设计要求的手段,也为以后考察任务全过程内各项参量提供稳定性的初始数据.为了尽可能地获得最佳的最终图像,在地面必须进行精确的辐射标定.在中科院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室内用积分球做了辐射标定,标定了TID CCD响应的线性度、TDI CCD响应分别与增益和级数的关系以及暗电平的不均匀性、CCD响应的不均匀性,最后给出了非均匀性校正结果.     

光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测方法

提出了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法,该方法首先对被检设备的CCD标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统检测。该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像。根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度。并且将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测。     

数字光电自准直仪的研究与设计

采用线阵CCD器件作为光电转换器,用单片微处理器进行数据处理的数字光电准直仪。是新一代的精密测量仪器,文中介绍了系统的设计方法,并提出了用矩心法进行内插细分来提高仪器的精度的设计思想。最后给出测试结果。     

使用CCD进行动态高精度角度测量

本文讨论了使用线阵CCD作为光电接收器的高精度动态测角系统的原理,结构及系统的精度,最后对衍射及滤波对测量精度的影响也进行了分析。     

极坐标下LAMOST光纤坐标检测方案

介绍极坐标下用多个线阵CCD对大尺度范围内多目标位置检测方法及系统搭建情况.对LAMOST光纤定位系统中球面焦面板上4000个光纤头位置的检测,采用极坐标旋转扫描装置进行检测.试验系统主要包括:控制主机,多个线阵CCD,精密旋转台,扫描梁,旋转平台,积分球光源以及自行设计的数据处理程序.检测装置包括精密旋转台和扫描梁,后者由多片线阵CCD软拼接而成,采用"光重心法"对光纤出射光斑处理从而获取光纤端部的位置.实验结果理想.     

基于CCD和VC++的滤光片设计与测试系统

介绍滤光片设计与测试系统的结构，讨论了PC机高速数据采集、线阵CCD光谱功率测量和符合CIE1931标准的滤光片设计方法等。     

基于时间参考点的差动式线阵CCD位移传感器

为了将线阵CCD应用于实际工程的大尺寸位移测量,利用线阵CCD像元空间与输出时间的对应关系,提出了一种差动式测量的线阵CCD位移传感器测量系统。分析了线阵CCD位移测量存在的问题,结合线阵CCD中像元空间与驱动脉冲之间的对应关系,提出一种以时间为参考点的差动式测量方法。该方法用两个空间上对齐、时间上错开半个积分周期的线阵CCD检测透光挡板上等间距分布的透光光线的位置变化;通过计算两个CCD上输出光信号的时间差,用匀速扫描测量原理实现对空间位移的测量。用雷尼绍激光干涉仪对所研制的线阵CCD位移传感器进行了校准,结果显示：在有效测量范围（600.05 mm）内,经过修正后的测量误差可控制在±2 μm以内,验证了用差动法实现线阵CCD大尺寸精密位移测量的可行性。     

三坐标测量机驱动的摄像机标定技术

为了降低摄像机的标定费用和提高标定精度,提出了一种基于三坐标测量机平动的摄像机标定技术,对该技术的原理、数学模型、标定步骤和标定精度进行了研究。根据摄像机标定的基本原理,利用三坐标测量机沿X、Y、Z轴移动和正交精度都很高的特点,以三坐标测量机带动待标定摄像机产生和白色陶瓷标准球球心(标定特征点)在X、Y、Z轴方向上的相对平动,得到标定特征点在测头坐标系中不同位置的坐标;在每一个确定位置,摄像机拍摄标定特征点的像,经图像处理后,计算出像点在计算机帧存坐标系中的坐标。引入测头坐标系,建立了该项摄像机标定技术的数学模型,给出了标定步骤,组建了标定系统。比对标定实验结果表明,基于三坐标测量机平动的摄像机标定系统与专用标定系统的标定精度相当,数据相差在±1μm以内,满足工程实际精度要求,成本低、标定效率高。     

CCD图像灰度与照度的转换标定方法

本文提出了一种基于CCD摄像机利用图像灰度获得实际照度的新方法,该方法适用于摄像机的任意曝光和增益参数,且考虑了摄像机安装位置和角度对测量的影响。CCD摄像机照度测量法的实际应用主要涉及两个过程:一是标定过程,即应用CCD摄像机进行照度测量前,标定CCD图像灰度与照度之间的转换参数和转换模型;二是照度测量过程,即通过CCD摄像机拍摄图像,将图像灰度代入已定的转换模型,获得测量对象的照度值。其中,灰度与照度转换模型的标定是利用CCD摄像机实现照度测量的基础和关键,文中主要讨论了该模型的推导过程以及标定方法。具体为:首先通过理论推导获得图像灰度与CCD传感器感应的相对辐照度的关系,然后借助以均匀光源搭建的实验系统标定CCD传感器相对辐照度与物面实际照度之间的关系,进而获得图像灰度与物面实际照度的转换关系。在转换过程中讨论了曝光时间、增益以及CCD相机与照度测量点之间的距离和角度对转换模型的影响,为CCD摄像机照度测量法的实际应用奠定了基础。实验结果表明本测量及标定方法适用于摄像机任意曝光和增益条件,经过本方法标定后,应用CCD摄像机进行照度测量,测量结果的相对误差在4.5%以内。     

多角度偏振辐射计星上积分球结构设计及检测

为满足星载多角度偏振辐射计六孔径同时定标及全光路定标的要求,根据多角度偏振辐射计的光路特点和结构约束设计了六出孔椭球形积分球定标源,并对积分球辐射输出的一致性﹑均匀性及偏振特性进行了检测。其中,一致性的检测采用定标后的光谱辐射计直接测量;均匀性的检测考虑积分球出口小,采用了透镜加光阑扫描的方法;偏振度的检测使用了根据马吕斯消光定律设计的线偏振检测仪。实验和检测结果表明,采用的检测和数据处理方法提高了系统的信噪比和测量的准确性。积分球成对开孔输出一致性优于99.5%,面均匀性优于99%,偏振度低于1%,这些结果满足多角度偏振辐射计的辐射定标需求。     

高精度紫外标准探测器的定标

研究了紫外标准探测器定标方法,以便进一步提高紫外波段辐射定标的精度。构建了高精度紫外标准辐射计,并推导了紫外辐射计响应度标准。在定标过程中直接利用高精度标准辐射计进行标准传递,并根据替代法定标原理消除了多项影响因子,使得定标精度大幅提高。最后,利用标准光源及标准探测器定标方法对待测光源辐照度、空间遥感仪器辐照度响应度进行了标定。两种方法定标结果表明:采用标准探测器定标方法可使定标不确定度降低到1.6%,充分证明了紫外标准探测器定标方法的有效性及高精度,实现了紫外探测器定标方法的工程化应用。     

CCD摄像机快速标定技术

在视觉检测系统中,针对视觉传感器数量多,且每个摄像机需标定的内部参数及外部参数较多的特点,提出了一种新的简单的快速摄像机标定方法.分析了摄像机的各个关键参数,采用了全线性标定方法和矢量分析法,逐步求出CCD摄像机的参数.该方法具有标定速度快、精度较高、实用和算法性能分析容易等优点,适用于一般视觉检测系统的摄像机参数的标定,尤其是大型视觉检测系统中多视觉传感器的摄像机参数的标定.实际结果表明,摄像机标定误差优于0.05mm.     

双探测器结构的近红外光谱仪的研究

目的：为了提高近红外光谱探测信号的稳定性,研制了双探测器结构的滤光片型漫反射近红外光谱仪。方法：首先单色光被分束镜分成两束,一束光直接被一个探测器接受,另一束光经过积分球后照射到样品上,样品的漫散射光被积分球上的另一个探测器接受,然后将两个探测器的测量值相比较,最后计算出样品的吸光度。结果：应用该仪器检测了漫反射标准板的漫反射率,测量值与标称值的相关系数平均为0.995,标准偏差平均为0.01。另外使用该仪器测定了奶粉、牛奶及酱油的相关成分含量,近红外光谱与奶粉的蛋白质脂肪含量的相关系数高于0.9,与酱油及原奶的相关成分含量的相关系数高于0.8。结论：检测结果说明,自制双探测器结构的滤光片型近红外光谱仪可以获得样品的正确漫反射率,同时可以用于食品的成分分析。     

自校准型光谱辐亮度标准光源

针对高精度空间光学定量遥感的需求,研制了一种采用数字微镜器件的自校准型光谱辐亮度标准光源。该光源具有两种工作模式:在窄带工作模式下,由Gershun管辐射计和CAS光谱辐射计自校准;在宽带工作模式下,作为光谱辐亮度标准光源用于地面或空间遥感仪器的光谱辐亮度响应度定标。以光谱辐照度标准光源和Spectralon标准漫反射板组成光谱辐亮度标准光源为CAS光谱辐射计定标,测得自校准光源的光谱辐亮度。又以标准探测器定标的Gershun管辐射计测量自校准光源,采用迭代法得到自校准光源的光谱辐亮度。窄带模式下两种不同定标方法对自校准光源的光谱辐亮度测量结果在测量不确定度允许范围内一致。不确定度分析显示:基于标准光源和基于标准探测器的自校准光源光谱辐亮度测量不确定度分别为1.41%~2.09%和1.28%~1.61%。实验及不确定度分析结果表明,该光源可以满足高精度空间光学定量遥感的使用要求。     

线阵CCD暗电流和灵敏度实时校正

线阵CCD摄像器件的暗电流和灵敏度的不均匀性是影响图像质量的两个主要问题。本文介绍对CCD(Charge Coupled Device)暗电流和灵敏度进行实时定标和自动校正的方法、预处理电路和航空遥感试验的校正效果。     

用150 W氘灯标定200~300 nm光谱辐照度

采用150 W大功率氘灯标定光谱仪器的紫外波段光谱辐照度响应度,解决了大多数光谱辐射计由于在紫外波段响应度低、信噪比小导致的定标困难。在此基础上以氘灯加球面反射镜构建了平行光光谱辐照度定标单元,满足了某些遥感类光谱辐射计辐照度响应度定标要求,该单元通过照度标准传递的方式获得标准光谱辐照度值,避开了球面反射镜光谱反射率的测量难点。与美国NIST 的FEL标准灯标定同一台光谱辐射计,其结果最大偏差为3％,200~300 nm定标误差为4.7％。