一体化EMCCD微光相机的设计

电子倍增电荷耦合器件(E1ectron Multiplying Charge Coupled Device,EMCCD)是一种新型高灵敏度图像传感器。近年来,EMCCD相机在微光探测领域的应用越来越广泛。为了在微光相机中应用新型EMCCD器件,设计了一种探测能力强、数据更新快、具有一体化光纤接口的微光成像系统。主要研究了EMCCD相机的设计方法,说明了EMCCD的工作原理,论述了基于TC253SPD—BO的EMCCD微光相机的设计方案。用成像实验和信噪比测试实验验证了所设计的一体化微光相机的性能。结果表明,该相机不仅可以实现20km以上的数据传输和30f/s的拍摄帧频,而且还可实现弱光条件下的探测功能,并具有较高的系统信噪比。     

电子倍增CCD噪声来源和信噪比分析

作为一种高灵敏度的图像传感器,电子倍增CCD(EMCCD)在微光成像领域应用前景非常广泛.详细分析了其噪声来源,重点讨论EMCCD相比普通科学级CCD特有的乱真电荷和噪声因子,计算信噪比.在噪声来源和信噪比分析过程中提出驱动波形优化设计方法,为成像系统电子学部分设计提供理论参考.     

电子倍增CCD 模拟前端设计与信号优化

基于电子倍增CCD（EMCCD）在微光低照度条件下的实时应用,针对EMCCD 对驱动信号相位、频率、幅度的严格要求,以及输出信号的特点,在深入分析模拟前端各部分功能的基础上,提出一种改善EMCCD 驱动电路,优化驱动信号质量,降低模拟前端噪声水平的驱动策略,设计一款实时、低噪、 稳定、适用于微光环境的EMCCD相机。工程验证表明,在环境照度为110-3 lx,信号时钟为12.5MHz,帧频为25帧/s 的条件下,EMCCD 相机具有实时快速成像能力,输出的模拟视频信号低噪稳定,成像系统捕获的图像清晰信噪比高,基本满足EMCCD 成像系统在微光低照度环境下的实时应用需求。     

微光CMOS图像传感器读出电路研究

高性能的信号读出电路是微光CMOS图像传感器的重要组成部分,如何降低读出电路噪声,提高读出电路输出信号的信噪比成为读出电路设计的重点。本文设计了一种高增益低噪声的电容反馈跨阻放大器CTIA（Capacitive Trans impedanceAmplifier）与相关双采样电路CDS （Correlated Double Sampling）相结合的微光探测器读出电路。在CTIA电路中,采用T网络电容实现fF级的积分电容,并通过增益开关控制,来达到对微弱光信号的高增益低噪声读出。采用CSMC公司的0.5μm标准CMOS工艺库对电路进行流片,测试结果表明：在光电流信号为20~300 pA范围内,积分时间为20μs,该电路功能良好,信噪比（SNR）达到10,能应用于微光CMOS图像传感器。     

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。     

基于sCMOS相机的超分辨定位成像技术

超分辨定位成像是一种代表性的超分辨成像技术,弱光探测器是该技术不可或缺的组成部分。和传统的串行输出EMCCD相机相比,并行输出sCMOS相机具备成像视场大、成像速度快和读出噪声低等优点,为超分辨定位成像带来了新的机遇,可在视频速率成像和大视场成像中取得明显成效。基于sCMOS相机的超分辨定位成像技术面临着高速相机带来的海量数据,需要解决数据传输、存储和计算等多环节的问题。从超分辨成像技术及相机的发展着手,讨论了基于sCMOS相机的超分辨定位成像技术的发展现状以及面临的机遇与挑战。     

基于EMCCD的激光主动成像参数分析

摘要：分析了EMCCD成像噪声,建立了EMCCD成像信噪比模型,并推导出基于EMCCD的激光主动成像信噪比模型,最后,仿真大气水平传输、大气斜程传输和空间传输情况下,基于EMCCD的激光主动成像的探测距离和激光功率与成像信噪比之间的关系。     

640×512帧转移EMCCD相机时序设计

为了实现640×512分辨率的EMCCD(Electron-Multiplying CCD)在1×10^-3 lx照度条件下25fps连续动态成像，设计了对应的相机。搭建了相机硬件平台，分析了EMCCD工作时序、AFE工作时序、BT.656编码和Camera Link编码时序。利用硬件描述语言在FPGA中产生了相应的驱动时序。实现了EMCCD曝光和读出控制，AFE相关双采样和光学暗电平钳位，模拟视频信号逐行变隔行和插值拉伸以及Camera Link协议的并串转换。通过实际测量和分析，相机在模拟夜天光1×10^-3 lx照度，EMCCD增益1000倍，镜头焦距25 mm,F1.4的条件下，能同时输出模拟视频和数字视频，成像帧率25 fps，信噪比21.8 d B。     

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%。     

热处理对背照式CMOS传感器信噪比影响的实验研究

基于真空光电阴极和背照式CMOS图像传感器研制了电子轰击CMOS(EBCMOS)混合型光电探测器。为了对BSI-CMOS图像传感器在EBCMOS混合型光电探测器领域的应用提供可靠性指导,对BSI-CMOS图像传感器进行了100℃～325℃的变温热处理实验,着重分析了热处理后的BSI-CMOS图像传感器的光响应输出信号值、固定模式噪声(fixedpatternnoise,FPN)、随机噪声及信噪比(signal-to-noise ration, SNR)随热处理温度的变化规律。实验结果表明:随着热处理温度的升高,样品器件的光响应输出信号值基本保持不变,当温度升高至325℃时,样品器件的固定模式噪声由32 e?升高至246 e?,随机噪声由51 e?升高至70 e?,信噪比由17.76 dB降低至4.81 dB,其中信噪比的降低主要归因于固定模式噪声的增大,热处理温度达到325℃会导致BSI-CMOS图像传感器信噪比明显降低。     

量子增强星载光子计数激光雷达阈值检测性能

星载光子计数激光雷达在遥感探测、导航测距等领域发挥着重要作用。依据光子数可分辨激光雷达的工作原理,建立了基于光量子统计理论的星载光子数可分辨激光雷达接收端的量子阈值检测模型。方案利用先进的光子数可分辨探测器件滤除未能达到最小检测信噪比的光子,并根据光量子统计规律重构信噪比检测公式,接收端的最小可检测信噪比相对经典光强检测方案进一步降低。同时分析了新型量子阈值检测方案的检测概率与虚警概率,数值仿真的结果表明,基于光子数可分辨探测的量子阈值检测方案的信噪比在少光子到达的条件下优于经典光强检测方案,且利用量子压缩态发射源可进一步增强量子阈值的检测性能。最后,进行了星载光子数可分辨激光雷达测高的仿真实验,结果表明在少量返回光子信号情形下的量子阈值检测方案的性能获得了显著增益。     

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。     

基于EMCCD相机的全天时大气相干长度测量系统

根据差分像运动原理研制出一款以EMCCD相机为探测器的全天时大气相干长度观星测量系统。经过对天空背景光光谱分布与EMCCD光谱响应特性的分析,选择中心波长为700 nm的光谱滤光片,可有效地抑制背景光入射。介绍了系统主要噪声组成,通过计算得到了系统白天极限探测星等约为7.35。在野外开展了以小熊星座所属多颗不同星等恒星为目标的日间观星实验,结果表明测量系统对星等为3恒星具有较好的日间探测能力。通过全天24 h对大气相干长度的连续测量,得到了长春地区整层大气湍流强度变化特征曲线。     

一种昼夜兼容成像EMCCD图像传感器

本文设计制作了一款阵列规模为1024×1024元、像元尺寸为10μm×10μm的昼夜兼容成像EMCCD(electron multiplying charge coupled device),该器件包含国内首次制作的浮置栅放大器,该放大器电荷转换因子(Charge to voltage factor,CVF)为3.57μV/e^-,满阱55 ke^-,能够非破坏性判断信号强度。该功能使得场景中微光照区域的像素可以选择性地路由至倍增通道输出,而强光照区域的像素会路由至非倍增通道输出,有了这种场景内可切换增益特性,两种输出的信号重新组合,实现高动态成像。同时为了实现器件在强光应用场合的抗光晕功能,器件像元区域采用了纵向抗晕设计,抗晕倍数为200倍,基于此类器件制作的相机能够恰当地在暗视场中呈现明亮的图像。     

针对EMCCD电路设计中的噪声特性分析

介绍EMCCD的增益原理,详细分析了EMCCD各种噪声的产生机理及其与外部驱动电路的关系,为设计EMCCD相机外围驱动电路提供有价值的参考。EMCCD散粒噪声与量子效率有关,无法消除;热生暗电流噪声与器件工作温度、曝光时间和工作模式有关,需对EMCCD进行深度制冷并使其工作于IMO模式才能抑制暗电流噪声;CIC噪声与工作模式、垂直转移驱动信号幅度、频率、上升沿、下降沿都有关系,必须选择合适的驱动幅度和频率,并对波形进行整形;噪声因子F与增益的稳定性和工作温度有关系,必须保持工作温度恒定,高压增益驱动信号高低电平十分稳定,没有抖动;等效读出噪声与倍增增益、读出速率和温度有关,在满足应用要求的前提下应尽量降低读出速率、增大增益。     

BIBASS:基于星载SAR照射源的双站InSAR系统

本文简述了基于星载SAR照射源的双站InSAR系统(BIBASS)的优势和研究现状,分析了BIBASS系统工作原理,设计了BIBASS系统,研究了BIBASS的工作方式,深入分析了BIBASS信噪比、二维分辨力等系统性能以及去相关因子对测高的影响。最后,基于TerraSAR-X照射源,仿真分析了在大场景中BIBASS系统去相关因子的分布曲线,得到了BIBASS系统的测高精度。论文研究表明,BIBASS具有系统简单、造价低廉的特点以及良好的分辨率和测高精度,在测绘领域具有独特的技术优势和良好的应用前景。