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。     

基于FPGA的Camera Link转HD-SDI接口转换系统

由于Camera Link相机具有接口复杂、传输距离近等局限性,设计并实现了一种基于FPGA的Camera Link转HD-SDI接口转换系统。该系统采用Altera公司的EP2S60F1020高性能FPGA完成图像数据的采集并按SMPTE274M标准编码;为解决Camera Link相机输出数据同HD-SDI输出图像行、场时间不同的问题,采用3片SDRAM作为帧缓存模块,延迟1帧输出;编码完成的数据输出到并串转换芯片LMH0030,从而得到HD-SDI格式的视频输出。由于Camera Link相机输出数据同HD-SDI输出图像的帧频并不绝对相同,每隔708帧必须丢去一帧数据,从而导致输出时固定丢帧,但FPGA对图像的处理并不会丢帧。实验结果表明,本系统能够将Camera Link相机输出的图像数据转换成HD-SDI输出,并用采集卡采集到图像数据。     

基于电流体动力学喷印法的胶体量子点MEMS气体传感器性能

针对传统的成膜工艺无法实现在百微米级并且结构悬空的微电子机械系统(MEMS)基板上实现气敏薄膜制备的问题,利用电流体动力学(EHD)喷印技术结合氧化钨(WO₃)胶体量子点进行气敏薄膜的无掩模沉积。考虑MEMS基板对沉积精度和工艺条件要求较高,因此首先基于EHD理论建立EHD喷印的数值模型,模拟锥射流形成过程以及电压、油墨属性等因素对锥射流稳定性的影响,并采用实验进行对比分析,验证仿真的有效性并制备出符合喷印的墨水,后采用EHD喷印制备MEMS气体传感器。实验结果表明,利用EHD喷印方法制备的WO₃气体传感器的薄膜致密均匀,在150℃下功耗仅20 mW,对体积分数5×10^-6 NO₂的响应值约为10,能实现体积分数5×10^-7～1×10^-5的NO₂检测,检测下限低至1.6×10^-7,具有优异的气敏性能。     

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。     

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。     

改进的双向结构光编解码算法

双向相移结构光三维成像具有更高鲁棒性，但在两个方向上使用相同数量的多频相移编码，增加了扫描时间。利用极线几何，提出一种改进的双向结构光编解码算法，在保证精度的前提下能有效减少一个方向的编码图像的数量。首先，在纵向进行多频相移结构光扫描，得到纵向相位。利用极线几何，将纵向相位映射为横向临时相位。然后，在横向使用最高频结构光扫描，得到横向的高频缠绕相位。利用横向临时相位，对横向的缠绕相位进行解缠绕，得到最终的横向相位。最后，建立相机和投影机间的直线模型，在计算三维点云时，计算相机视线和投影机视线的交点，避免了传统的矩阵求逆方法，提高了点云计算速度。实验结果表明：1)最终横向相位的均方根误差为4.89×10^-3 rad;2)双向扫描和单向扫描后的三维点云计算速度分别提升了6.08倍和4.10倍；3)与传统的方法相比，所提针对单向扫描三维重建方法的误差在10^-11 mm以内。     

利用抗光晕通道倾泻电荷的帧转移EMCCD电子快门方法

针对帧转移结构电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）对高速运动目标成像模糊、高亮度目标成像饱和且细节缺失的问题,提出了利用抗光晕通道倾泻多余电荷和外部时序控制的电子快门方法,通过帧转移时序将感光区电荷转移到与存储区相邻的抗光晕沟道进行倾泻,实现标准视频连续输出中1/25~1/1 000 s连续可调的电子快门,并推导了抗光晕漏极最大倾泻电流与光照强度之间的数学关系式;使用FPGA硬件图像处理消除了曝光时间缩短引起的漏光-拖尾（smear）效应;采用带有抗光晕结构的帧转移EMCCD开发了原理相机进行实验验证。结果表明,通过该方法控制电子快门可以有效降低旋转运动目标的成像模糊,并实现夜间的高动态范围夜视成像,显著提升图像细节。     

基于FPGA的Camera Link输出编码设计

为了Camera Link摄像机的小型化和集成化,设计并实现了基于FPGA的Camera Link接口的编码输出功能。输出编码分为3个步骤:首先,完成图像像素数据到Camera Link PORT的映射;其次,根据DS90CR287的数据编码要求对PORT数据和同步时钟信号进行编码;最后,通过FIFO和并串转换功能模块完成图像数据和时钟编码信号的LVDS信号输出。使用ModelSim软件,对像素时钟为40 MHz的BASE模式进行了仿真,同时在实物实验中,完成了像素时钟为40 MHz的FULL模式的实验,通过以上两方面实验验证了设计的Camera Link输出编码方案的正确性和可行性。提出的编码方案稳定可靠,可以应用于不同模式下的Camera Link编码输出,具有很高的灵活性和应用价值。     

基于面阵CMOS图像传感器的2×2拼接系统视频电路设计

论述了以2K×2K面阵CMOS图像传感器LUPA4000为基础的2×2光学拼接系统视频电路的方案设计及具体软硬件设计.每块传感器具有独立焦平面电路和信号处理电路,系统采用编码与控制电路实现4块传感器同时曝光成像和积分时间同步设置,编码与控制电路将4块传感器的图像数据编码后通过一路Camera Link接口输出.实验成像结果表明,电路运行可靠,操作灵活,可扩展性强,能够得到很好的拼接图像.     

Camera Link Full至HD-SDI接口的高清传输显示系统

为实现远距离、高可靠性传输,并减小复杂度,对Camera Link Full接口数据的HD-SDI传输显示进行了深入研究。采用FPGA作为核心处理器,考虑相机输出具有多种帧频,采取帧频检测及充分降频策略,并通过3个SRAM进行缓存以实现帧频转换,以满足HD-SDI帧频25Hz的要求。考虑到SRAM数据宽度,采取FIFO行缓存策略将Camera Link Full80输出的10tap、80bits图像数据转换成单通道的8bits图像数据。最后,完成系统设计并进行实验验证。实验结果表明:系统实现了图像数据从50Hz、100Hz、500 Hz等多种帧频的Camera Link Full80到25帧HD-SDI接口1080i的格式转换及实时显示,且图像层次丰富,无失真。     

仿真研究下一代钙钛矿基辐照探测器

近年来,金属卤化物钙钛矿材料因其强大的X射线吸收能力、高灵敏度和低制备成本而受到广泛关注^[1]。本文基于二维漂移-扩散方程,模拟了铯银铋溴(Cs₂AgBiBr₆)钙钛矿基探测器的辐照响应特性。根据仿真结果显示,钙钛矿(Cs₂AgBiBr₆)基、硅(Si)基和非晶硒(α-Se)基的探测器之光电流依次可达8.1×10^-3、1.1×10^-3和5.7×10^-5A。此外,钙钛矿基和非晶硒基探测器的光暗电流比(PDR)分别为9759和140000,远高于硅器件的水平。综合考虑成本及器件性能,Cs₂AgBiBr₆钙钛矿是有竞争力的新型辐照探测器有源层材料。     

蝶形纳米天线调控的超高品质光子-等离激元混合微腔

具有超高品质因子的光学微腔是构造各种集成光子器件的重要组件，以光子晶体微腔为基础的混合微腔为实现强烈的光和物质相互作用提供了一个新颖的平台，在腔量子电动力学、集成单光子源、量子计算等方面都具有十分广阔的应用前景。本文基于双异质结构光子晶体微腔，结合蝶形金纳米天线等离激元结构，设计实现了一种可见光波段的新型光子-等离激元混合微腔，并通过改变蝶形金纳米天线的间隙、角度、长度、厚度、相对位置等结构参数，利用三维时域有限差分法研究了等离激元纳米结构对混合腔的品质因子、有效模式体积、品质因数的调控规律，模拟结果显示，混合腔的有效模式体积和品质因数分别始终稳定在10^-6(λ/n)³和10⁸(λ/n)^-3数量级，最佳品质因数值可达5.730689×10⁸(λ/n)^-3，优于其他类型的微腔。     

基于TMS320C6711的Camera Link相机控制的实现

在分析了面阵CCD相机1M30的Camera Link协议接口特点的基础上,设计了一种具有较强通用性的DSP系统对Camera Link相机的控制方案.采用定时器和软件编程等手段,解决了DSP芯片TMS320C6711的多通道缓存串口(MCBSP)与1M30间异步串行通信的传输速率及数据格式问题,成功设置相机参数;研究了在串行数据中产生帧同步接收信号(FSR)的可行性及失败原因.借助定时器产生的周期性脉冲信号及中断,使MCBSP可靠地接收相机反馈信息;根据相机曝光时序特点,用程序实现对相机的正常曝光控制.     

Base型Camera Link脱机存储系统设计

为解决现有Base型Camera Link相机需要专用采集卡和系统机才能存储的问题,设计了基于FPGA的脱机存储系统.该系统使用两片SDRAM交替缓存图像后,经乒乓操作存储到两块IDE固态硬盘中.该系统实现了分辨率为640×480,帧频为100 f/s的10位图像数据存储.实验表明系统实现了图像数据的完整存储.     

激光频率标准

以分子吸收线作基准对激光频率(波长)进行稳定，稳定度很快就突破大关， 1973年达到了10^-12量极的水平。其后，这工作在美、苏、日、德、英、法等国展开，均确切地获得了10^-12~10^-13的稳定度，并尝试向10^-14目标进军。     

低温漂薄膜体声波谐振器研究

该文介绍了一种基于空腔结构的温度补偿型薄膜体声波谐振器(TC-FBAR)。通过在压电层上方生长SiO₂温度补偿层,实现谐振器的低温漂。未采用温度补偿的薄膜体声波谐振器,其频率温度系数约为-25×10^-6/℃。通过适当的膜层结构设计,可使其频率温度系数在±3×10^-6/℃。结果表明,由于温度补偿层的增加,导致器件总体压电效应降低,使谐振器的有效机电耦合系数降低。低温漂谐振器的实现,为窄带低温漂滤波器的研制提供了有效的设计和工艺技术支撑。     

基于腔损耗扫描寻优的光腔衰荡高反射率测量

针对目前腔失调参数与腔损耗之间的映射关系并不明确，调腔过程中腔相对失调量亦不明晰等问题，提出一种基于腔失调参数扫描的腔损耗寻优调腔方法。该方法通过腔镜倾斜调节量的扫描寻优，以光腔衰荡时间为判据寻找初始腔和测试腔相对失调优化的腔状态。实验结果表明：通过该方法，对同一高反射率待测样片6次实验测量结果的测量重复性精度相比传统方法由1.26×10^-4提高到约9.83×10^-6，测量重复性峰谷值由3.25×10^-4提高到2.7×10^-5，测量结果更稳定，表明该方法能获得腔参数相对失调更小的调腔状态，为在初始腔反射率较低的光腔衰荡测量系统中抑制衰荡腔相对失调提供了一种解决方案。     

基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的飞秒激光光丝NaCl气溶胶荧光光谱探测

设计并制备了口径为20 mm的法布里-珀罗干涉仪，该干涉仪在632.8 nm处的光谱分辨率为0.5 nm，自由光谱范围为9.0 nm。将口径为1.1 m的低成本菲涅耳透镜用作集光元件，使用自行搭建的法布里-珀罗干涉仪和工业电荷耦合器件(CCD)相机成功探测到30 m外平均功率为0.7 mW的汞灯光谱，实现了μlx量级的弱光光谱探测。采用增强型互补金属氧化物半导体(ICMOS)相机，可在10 m外检测到飞秒激光光丝诱导的质量分数为13×10^-6的NaCl气溶胶的时间分辨荧光光谱。建立的基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的光谱测量装置在空气污染物和有害物质远程检测中具有广阔的应用前景。     

AF中继辅助TWR-FSO通信系统的性能分析

针对大气湍流和指向误差对自由空间光通信性能的影响会随着通信距离的增大而愈发严重,基于放大转发中继(AF),提出了一种双向中继-自由空间光通信(TWR-FSO)系统方案。该系统采用差分二进制相移键控调制,建立了一个包含大气湍流和指向误差的复合衰落信道模型,其信道衰落满足Gamma-Gamma分布。利用Meijer’s G函数推导得到TWR-FSO系统中断概率和平均误码率的闭合表达式。在不同湍流强度和阈值门限条件下,对比分析了中断概率和平均误码率性能。仿真结果表明,在受到相同指向误差的条件下,当SNR=25 dB时,AF中继相较于DF中继系统的中断概率从10^-1量级下降到10^-4量级左右。当折射率结构常数为4.0×10^-15m^-2/3,SNR=40 dB时,系统的误码率可以达到10^-8量级以下。说明AF中继下TWR-FSO系统能有效降低大气湍流和指向误差对通信系统的影响。     

空间相机图像压缩模拟源的设计与实现

为了解决在CCD与地面实时压缩系统对接时造成的时间和物力的浪费,提高地面实时压缩系统测试效率,文章设计了一种图像压缩模拟源系统,可以模拟CCD相机输出,来代替CCD相机与地面实时压缩系统进行对接。该系统采用FPGA实现模拟源的时序与逻辑控制,利用内部逻辑生成自校图像,或通过USB2.0总线接口与PC机进行数据通信,将模拟源图像通过缓存SDRAM下载到FLASH中。采用同步串行LVDS接口,高速Gbps接口和Camera Link接口,实现数据与压缩存储单元的高速传输。实验表明,该图像压缩模拟源从USB接口下载速度达40Mbyte/s,在与以上3种接口传输数据时,无误码和数据丢失,该系统稳定可靠。