基于EMCCD成像器的信息采集处理系统硬件设计

发布时间：2017-10-28 15:33

  本文关键词：基于EMCCD成像器的信息采集处理系统硬件设计

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【摘要】：电子倍增电荷耦合器件(Electronic Multiplying Charge Coupled Device,EMCCD)以其在微光条件下对光感极高的灵敏度特性,已经成为了微光夜视技术的主要技术之一,广泛的应用于航空航天、空间探测、国防军事、生物医学、医疗影像等领域。该技术自上世纪90年代国外首次提出以来,发展十分迅速。然而国内对于微光条件下EMCCD成像系统的研制还处于起步阶段,且大多数均侧重于EMCCD成像理论成果分析。本文主要针对EMCCD信息采集处理系统硬件电路进行研究,完成了如下主要工作:为改善现有微光成像设备图像成像效果,本文设计了一套集电子倍增CCD成像及图像信息处理传输于一体的复杂成像系统,其中包括:EMCCD成像驱动及模拟前端电路设计、成像器主控器电路设计及系统对外接口电路设计。该系统搭载了目前为止最为先进的EMCCD传感器芯片,在极低光照条件下(10-3LUX)具有高灵敏度、低噪声等图像成像优势。同时配合Xilinx推出的最新片上系统(System on Chip,SOC)ZYNQ-7000系列处理芯片,使得系统在保证了微光成像质量的同时,提高了系统对图像采集和处理的能力。本文对EMCCD传感器的器件结构和工作成像原理进行讨论,总结分析了影响EMCCD传感器成像效果的关键因素,为EMCCD成像器系统的整体研制提供了理论基础。在系统需求的基础上,结合使用环境对传感器驱动电路进行合理优化,充分发挥EMCCD图像传感器的性能。系统主控方面采用ZYNQ-7035处理器,芯片内置“FPGA+ARM”双核心架构,保证EMCCD成像器主控系统在控制能力和数字信号处理能力上的最佳分配,并配置有相当丰富的外部存储器和灵活可靠的高速对外通信接口,可以在不同应用需求下发挥最大效能。此外,整体成像器系统采用多块PCB板卡堆叠的物理连接方式,可通过改变板卡组合结构,实现EMCCD成像器在多种应用场合下的应用,具有较高的系统适应性,为研发人员的二次开发提供了充分条件,为该EMCCD成像及处理系统的广泛应用打下了坚实的基础。
【关键词】：微光成像 EMCCD 驱动电路 ZYNQ-7000
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 课题相关技术发展现状10-11
• 1.3 研究目标及研究内容11-12
• 1.4 论文结构12-15
• 第2章 EMCCD成像器系统方案设计15-39
• 2.1 EMCCD工作原理分析15-17
• 2.2 影响EMCCD成像效果因素分析17-19
• 2.2.1 暗电流噪声17-18
• 2.2.2 EMCCD读出噪声18-19
• 2.2.3 时钟感生电荷噪声19
• 2.2.4 光子散粒噪声19
• 2.3 EMCCD成像器信息采集处理系统要求19-20
• 2.4 EMCCD成像器信息采集处理需求分析20-21
• 2.5 EMCCD成像器系统方案设计21-36
• 2.5.1 EMCCD驱动电路板卡方案22-33
• 2.5.2 成像器核心处理器板卡方案33-36
• 2.5.3 对外接口板方案36
• 2.6 本章小结36-39
• 第3章 EMCCD驱动电路设计39-55
• 3.1 EMCCD驱动电路图像采集模拟前端设计39-41
• 3.2 EMCCD驱动电路驱动时序分析41-45
• 3.3 驱动电路电平转换电路设计45-46
• 3.4 EMCCD驱动电路硬件电路设计46-53
• 3.4.1 “DC/DC+LDO”两级降压电路48-49
• 3.4.2 一级LDO降压电路49
• 3.4.3 电压反转电路49-50
• 3.4.4 较高压偏置电路50-51
• 3.4.5 倍增极高压产生电路51-53
• 3.5 本章小结53-55
• 第4章 成像器核心处理电路设计55-69
• 4.1 成像器核心处理电路电源55-60
• 4.1.1 核心处理器电源电路设计流程55-57
• 4.1.2 成像器核心处理器板电源功耗预估计57
• 4.1.3 成像器核心处理器电路电源纹波要求57-58
• 4.1.4 成像器核心处理器电源电路设计58-60
• 4.2 板上存储模块及高速时钟电路设计60-62
• 4.2.1 板上存储模块电路设计60-61
• 4.2.2 高速时钟电路设计61-62
• 4.3 数字接口硬件电路设计62-66
• 4.3.1 USB3.0 高速串行接口63-64
• 4.3.2 LVDS电平串行接口64-65
• 4.3.3 4M-1553B串行总线接口65-66
• 4.3.4 其他通用总线接口66
• 4.4 本章小结66-69
• 第5章 系统制冷温控系统设计69-73
• 5.1 制冷系统选型69-71
• 5.2 制冷温控电路设计71-72
• 5.3 本章小结72-73
• 第6章 系统测试73-81
• 6.1 测试概览73-74
• 6.2 EMCCD驱动电路功能测试74-77
• 6.3 EMCCD传感器芯片驱动时序信号仿真测试77
• 6.4 制冷系统测试77-78
• 6.5 整机系统调试78-79
• 6.6 本章小结79-81
• 结论81-83
• 参考文献83-85
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文85-87
• 致谢87

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