高性能三分幅相机的研制及应用

高性能的分幅相机是强流脉冲电子束束参数测量及加速器调试中必不可少的一部分,为了满足这种要求,研制了一种新的高性能超高速的三分幅相机。该分幅相机采用一种成像质量较好的会聚光成像的全口径分光原理,由高速快门、科学电子耦合组件(CCD)相机及高速的控制器等组成,具有快门时间和幅间时间独立控制的能力,灵活的控制方式很好地满足了各种测试要求,并且在有效像面面积达到?25 mm的情况下可以获得约3 ns的最高快门速度和高于30 lp/mm的像面空间分辨力。     

星上TDI CCD相机成像工作模式的配置与管理?

为了解决星上TDI CCD相机成像工作模式较多、工作模式切换时间较长、配置效率较低等问题,提出了一种高效、可靠的成像工作模式配置和管理方法。首先,分析了星上TDI CCD相机成像单元的内部结构和工作特点;其次,针对成像工作模式中大量的轨道参数、姿态参数和时间参数,结合相应的图像数据提出了一种成像工作模式的有效管理方法;然后,对成像工作模式中比较重要的配置参数(增益、偏置、积分级数和行频)的配置过程分别进行了详细的介绍;最后,对五个增益配置点下TDI CCD相机的响应度进行了检测,同时在4级和8级的积分级数下进行了外场成像试验。实验结果表明:所提出的配置方法准确、可靠,TDI CCD相机响应度的线性较好,且外场成像质量较好、层次分明,实现了星上成像工作模式的有效、可靠的配置和管理。     

不同偏置下CCD器件γ射线及质子辐射研究

电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器,在空间应用环境下受辐射效应作用导致CCD性能退化甚至失效。对于CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究,辐照试验中CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感,因此针对CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁,开展不同辐照偏置下CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟CCD器件,开展不同偏置条件下的γ射线和质子辐照试验,获得了CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应,位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对CCD辐射效应的影响机制。研究表明,γ射线辐照下CCD的偏置产生重要影响,质子辐照下没有明显的偏置效应。根据CCD结构和辐照后的退火试验结果,对CCD的辐射效应损伤机理进行分析。     

低信噪比下星光点目标的检测

大气相干长度仪作为测量大气参数的仪器,白天用太阳边缘(夜晚利用恒星)成像在CCD上,利用到达角起伏法测量大气参数.在昼夜交替阶段,肉眼看不到星光而太阳高度角不在可测范围而无法测量.为进行此时间段连续测量,首先要实现低信噪比下星光点目标的检测.在选用合适红外滤波片和高灵敏度CCD的基础上,对采集到的图像进行帧累加和局部增强等处理方法,较好地完成了目标的检测.     

激光光束质量参数测量的实验研究

采用CCD系统实验测量了LD泵浦Nd:YAG激光器的光束质量参数,研究了CCD系统的背景噪声特性和积分区域选取对光束质量参数测量的影响,从实验数据中得到以下结论:(1)在有、无背景光两种条件下,背景记数强烈地依赖于曝光时间和像素的合并,温度影响可以忽略不计;(2)为获得M2合理的测量结果,至少要选择5%积分区域。     

基于电光调制器的全Stokes矢量的遥感测量

在利用光学方法测量参数的技术领域,偏振光的调制和检测具有重大的实用价值.但目前的偏振遥感主要是线偏振参数的测量,不是全Stokes矢量的测量.为实现全矢量图像的测量和显示,需要构建一种应用于遥感测量的全偏振图像采集、存储、计算和显示系统.整个全偏振测量装置的核心是一个包含液晶调制器的双CCD成像装置.系统通过对液晶调制器的控制,对入射光进行相位调制,偏振分光棱镜将调制后的光束分为强度相等的两束光(o光和e光),并由两个CCD进行图像的实时同步采集,最后由数字信号处理器(DSP)进行全Stokes参数的计算并输出结果图像.实验结果表明:全Stokes矢量图像包含更多的图像信息,在目标识别和其他图像测量的应用上将会发挥巨大的作用.     

CCD成像型亮度计测量方法研究

利用CCD成像的特点,通过分析CCD成像过程中亮度与数字图像灰度之间的关系,提出了CCD成像型亮度计的设计方法。使用积分球作为标准亮度光源,对CCD拍摄得到的数字图像中像素灰度值与实际亮度之间的关系进行标定,得到图像像素灰度与测量点亮度之间的对应关系,保证亮度测量的准确性。通过对不同曝光时间下亮度分布的测量,拓展CCD成像型亮度计的测量范围。同时为了保证不同曝光时间下亮度的测量精度,将不同曝光时间下的图像灰度结果与积分球产生的标准亮度进行对比,实现成像型亮度计的非线性校正。利用光度特征匹配方法,保证光度计的相对光谱灵敏度与标准光度观察者的光谱光效率接近,减小测量误差。根据CCD成像型亮度计的标定和测量原理,使用Visual C++编制相应的软件,并进行了标定和测量试验来验证CCD成像型亮度计的测量方法,取得了较好的效果。     

1.06μm连续激光损伤CCD的进程及损伤对成像能力的影响

研究了1.06μm连续激光辐照损伤CCD探测器的进程及不同损伤阶段CCD探测器成像能力的削弱程度。通过电子显微镜(SEM)扫描分析损伤机理,结合损伤状态下的CCD图像,解释了各损伤阶段成像质量变化的原因。结果表明:在点损伤阶段,微透镜熔融汽化,失去聚焦光束的能力,使得进光量减少,图像灰度降低,同时汽化的微透镜冷却后附着在封装玻璃表面,这是成像质量下降的主要原因;在线损伤阶段,激光对探测器多层结构有更深层次的损伤,使得部分像元失去成像能力,加上激光对封装玻璃的损伤,使得CCD探测器的成像能力逐渐降低。以已有的评估方法为基础,通过清晰度评定和形态学检测相结合的方式,建立了损伤评估模型,对不同损伤阶段的成像能力和成像质量进行评估,获得了损伤时间、损伤形貌、损伤阶段和探测器成像能力的对应关系。     

单脉冲激光对CCD探测器的硬损伤及损伤概率

在纳秒激光脉冲辐照下,随着CCD探测器损伤程度的加深,成像系统输出画面中先后出现点损伤、白线损伤以及完全失效等现象,且损伤阈值呈现出概率分布特性。实验激光波长为1 064 nm,首先采用n-on-1辐照模式,研究CCD探测器在不同损伤程度下的损伤现象,从器件工作原理的角度分析各种现象出现的机理。利用光学显微镜观察样品的损伤形貌,发现探测器的损伤部位从内部材料开始,逐渐发展到位于表面的微透镜结构。接下来,采用1-on-1辐照模式测量了点损伤和完全失效阶段的激光能量密度阈值,并以损伤概率的形式进行描述,得到实验样品的完全失效阈值在100 mJ/cm2左右。     

激光对CCD及CMOS图像传感器的损伤阈值研究

针对激光对CCD及CMOS图像传感器的干扰损伤进行了理论分析和实验研究.实验测量出常压及真空条件下1064nm激光对CCD及CMOS图像传感器的干扰阈值、损伤阈值及完全损坏阈值.实验结果表明,CCD或CMOS图像传感器的各种阈值在常压和真空两种不同条件下的差别不明显.实验结果还显示,无论在常压还是在真空条件下,CCD比CMOS更容易受到激光的干扰和损伤甚至严重损坏;而CMOS相机具有很好的抗干扰和抗损伤能力.     

COMPARISON BETWEEN FEL AND CYCLOTRON RADIATION

In general,in free electron lasers there are two kinds of stimulated radiations:FELradiation and cyclotron radiation.This paper chows theoretically that if the initial transversevelocity of electron beam is large and the selected parameters for FEL are not suitable,thecyclotron radiation will be dominant,especially when the energy of electron beam is low.But thecyclotron radiation does not have double Doppler frequency upshift effect,its frequency is limitedby axial megnetic field,and when the energy of electron beam is high,the cyclotron radiationfrequency will be much lower than FEL radiation frequency.Therefore,in FEL experimentshow to distinguish these two kinds of radiations and to suppress the cyclotron radiation are veryimportant.     

大功率激光对CCD探测器损伤研究

针对大功率激光辐照可见光成像探测器损伤机理,开展了1080nm波段大功率连续激光对CCD探测器损伤模型仿真与实验研究。首先,基于CCD典型结构及各层材料特性,建立了连续激光对CCD探测器热效应损伤模型,仿真模拟了CCD各层瞬态温度场和应力场,分析了连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律;其次,开展了连续激光对CCD探测器损伤实验,获取了CCD损伤阈值,并利用金相显微镜、扫描电镜对CCD探测器各层熔融情况进行了分析;最后,对模型仿真与损伤实验结果进行了对比,并分析了损伤阈值存在差异的原因。结果表明,1080nm连续激光辐照可见光CCD探测器400ms时的仿真损伤阈值为145×106W/cm2,实验损伤阈值213×106W/cm2,误差约为319。仿真与实验结果对探究大功率激光辐照CCD探测器损伤机理、评估干扰效果具有一定的参考意义。     

CCD辐射损伤效应及加固技术研究进展

综述了电荷耦合器件(CCD)在空间环境和核辐射领域中的辐射效应研究进展;阐述了不同粒子辐照CCD的损伤效应机理及暗电流、平带电压和电荷转移效率等敏感参数的退化机制;从制造工艺、器件结构、工作模式等方面介绍了CCD抗辐射加固技术;分析了CCD辐射效应研究的发展趋势。     

规律性圆环测量中光电探测器的选型研究

采用可见光面阵CCD测量激光的远场能量分布时,在其光敏面上观察到了规律性圆环条纹的出现。为了精确测量圆环的能量分布和条纹间距,分析其形成机理,依据光的干涉和衍射理论,研究了面阵CCD主要参数的选取。研究结果表明:CCD的分辨率主要取决于衍射效应的条纹间距,动态范围取决于衍射条纹的级次,而最低照度由入射激光的功率和作用距离决定。研究成果可为分析规律性圆环条纹的形成机理提供技术支持和有益参考。     

自由电子激光辐射和迴旋辐射的比较研究

在自由电子激光器中一般存在两种受激辐射形式:自由电子激光辐射和迴旋辐射。本文从理论上阐明,如果电子束的初始横向速度较大,自由电子激光器的参数选用不当,则迴旋辐射将占优势,特别当电子束能量较低时,产生迴旋辐射的倾向更大。但是迴旋辐射并不具有双重多普勒频率上漂移的特性,由于受轴向磁场强度的限制,在电子束能量较高时,其辐射频率要比自由电子激光辐射频率低得多。因此在自由电子激光器的实验研究中,如何区别这两种辐射,并有效地抑制迴旋辐射,是一个十分重要的课题。     

A helium plasma simulator

The results of an investigation of the plasma parameters generated by a large V-groove cathode discharge are presented. Stable plasmas with electron densities up to 2×10¹²cm^-3have been obtained in a 30-cm diameter chamber. The electron temperature is about 1200°K and is independent of discharge current and gas pressure over the range, 0.3 to 0.9 torr. The discharge operates in much the same fashion as a conventional brush cathode discharge but with lower operating voltage for equal current densities. It is shown that the plasma is beam generated and the dominant electron loss mechanism in the steady state is electron-ion recombination. However, although most electrons are lost by recombination, diffusion losses still play a strong role in determining the electron density profile. Some measurements of primary electrons in a helium negative glow are presented. The measured flux of the high energy electrons is an exponential function of pd/V²where p is the helium pressure, d is the distance from the edge of the cathode fall and V is the discharge voltage. Some data on microwave noise radiation near the plasma frequency are also presented. In particular, the noise radiation near the cathode is shown to be proportional to the flux of high energy electrons near this electrode. Data are shown which correlate the high energy flux and the peak noise radiation.     

A novel Smith-Purcell free electron laser

An experiment on a novel Smith–Purcell free electron laser (FEL) is described in this paper. The FEL is driven by a relativistic sheet electron beam of middle energy. The high frequency system of the device is a quasi-optical resonator composed of a diffraction grating and a three-mirror reflector. Coherent radiation with a peak power of tens of kW at the 3 mm waveband is sucessfully detected from an experimental facility. The main experimental parameters are: sheet beam energy from 400 kV to 500 kV; pulse length of voltage 70 ns; pulse beam current 0.2 kA; synchronous guide magnetic field up to 1.2 T with 10 ms pulse length; and grating period 2.2 mm.     

一种基于CCD的线路激光测量仪的研制

研制了一种基于电荷耦合器件(CCD)的线路激光测量仪.它利用激光的强方向性作为测量基准,激光束经CCD成像后,通过数据处理系统对激光光斑中心进行计算,从而可以测量出铁路钢轨在70 m弦长上任意位置处的高低和方位向偏差.与传统的弦绳测量法相比,此测量仪用激光束代替弦绳,用光电靶代替钢板尺,用数字显示代替人工读数,既解决了提速段钢轨参数的测量问题,又提高了测量精度和工作效率.

Abstract：

One track laser measuring instrument based on CCD is elaborated, which uses laser as strong directional measurement benchmarks. After the laser beam was imaged on CCD, the laser spot center would be calculated through the data processing system, so it is convenient to measure the deviation of the track in vertical and orientation directions within a 70 m chord length at an arbitrary position. Compared with the traditional rope chord measurement method, in this new method, a laser beam, a photoelectric target and a digital display are used to replace the string rope, the steel ruler and manual reading, respectively. This not only resolves the problem of measuring the parameters of a speed-raising rail, but also improves the measurement accuracy and working efficiency.     

脉冲激光干扰面阵CCD成像系统的实验研究

为了研究脉冲激光对面阵CCD的干扰效果,采用近场模拟实验的方法,设计了重复频率脉冲激光干扰CCD成像器件近场实验。当CCD器件表面接收激光功率密度达到2.97mJ/cm2时,观察和记录了CCD器件串音饱和现象;当CCD摄像机电子快门打开时,除发射窗口有激光光斑图像外,激光脉冲在激光器出光口竖直方向也会形成偏离出光口位置的漂移光斑图像。分析了CCD摄像机电子快门作用机理及图像信号转移方式机理,并对光斑漂移现象给出了合理解释。结果表明,重复频率脉冲激光可使CCD图像上出现漂移光斑而对图像形成干扰。这为重频脉冲激光干扰CCD的研究提供了理论基础和初步实验验证。     

一种新型激光测厚装置的设计

为了实现对热轧钢板的在线厚度测量,建立了自动激光测厚系统。对该系统所采用的机械设计、光路设计、基于MATLAB的图像算法等进行了研究。首先使用激光器将激光倾斜投射到待测钢板的侧面上,并在激光器前方设置一块挡板,挡住水平方向上的部分光线。接着使用工业摄像机将被测板上的激光光斑成像于CCD靶面上。然后根据CCD上挡板所成像的位置计算出钢板的离焦量。最后根据CCD上钢板侧面所成像高和钢板的离焦量与待测板厚的几何关系,计算出钢板的厚度。结果表明,钢板厚度为8mm～120mm时,系统测量精度为0.32mm,低于测量系统要求的0.5mm;测量系统受高温辐射影响较小。能够满足工业生产线上热轧钢板自动厚度测量的稳定性好、精度高、受外界干扰小等要求。