星载面阵CCD性能测试系统设计及温度影响分析
发布时间：2021-08-13 17:26
针对多角度偏振成像仪探测器光电性能的评估需求,研制一套图像传感器光电性能参数通用测试系统,并提出一种基于珀耳帖效应的热电制冷器和低温循环机相组合的探测器控温方法。实验结果表明积分球的光源稳定性为0.036%,照度均匀度≥99.3%,探测器制冷系统降温速率约为2.2℃/min,温控精度优于±0.15℃,实现在-10～25℃的工作温度范围内对量子效率、光响应不一致性、暗电流、满阱电荷和光响应非线性等关键性能参数的测量,多角度偏振成像仪探测器不同波长下的光响应不一致性优于3%,光响应非线性优于1%,工作温度升高至9℃暗电流增加1.25倍,近红外波段的量子效率变化3.58个百分点。探测器性能的评估为多角度偏振成像仪整机的性能测试和定标需求提供保障。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
面阵CCD的光电性能测试系统示意图
面阵CCD若要获得高质量的图像信号输出,需要保证低噪声的偏压、精确的驱动时序以及高精度模拟前端的性能[16],为此设计一套CCD图像采集系统以实现面阵探测器的驱动与视频信号采集的控制,采集系统如图2所示。该系统的总控制器为NI工控机,通过USB接口向FPGA(Field-Programmable Gate Array)发送积分时间,模拟前端增益、偏置和成像周期等工作参数;时序驱动单元将FPGA产生的帧转移时钟、垂直转移时钟、行转移时钟以及复位等逻辑时序信号转换成满足CCD工作幅值和上升沿时间要求的驱动时钟;偏置电压单元产生适合CCD的各路偏置电压;面阵CCD输出的图像模拟信号经过预放器后送入模拟前端视频信号处理器中,并进行信号调理与模数转换,然后送入FPGA中并按照科学数据包格式进行组织打包,通过LVDS接口将打包后的图像数据传送至工控机内的图像采集卡上并进行图像实时的存储与显示。工控机通过模拟采集卡来监测系统内部的遥测电压。面阵CCD探测器的管脚较软,测量过程中多次拆装容易造成管脚发生变形,故采用无应力插座来进行面阵CCD与图像采集系统的连接。
在面阵CCD与导热铜板之间安装导热垫,探测器工作过程中产生的热量通过导热垫传递到导热铜板上即热沉,当TEC通入直流电时冷端实现对热沉的制冷,热端依靠低温循环机换热器带走热量以散热,从而保证探测器的工作温度稳定。在面阵CCD陶瓷背面粘贴热敏电阻,用于精确测量探测器工作时的温度变化。高精度温控电路用于实现对TEC的控制,其由高稳定性温度采集模块和低噪声热控驱动模块组成,采用FPGA专用芯片根据温控算法来实现探测器温度采集的控制,使用TEC来驱动信号输出与RS422异步串口通信。温控算法采用基于最优时间控制的开关控制算法[18],根据采集的温度信息来调节TEC的驱动功率以产生脉宽调制信号,驱动外部功率三极管来控制TEC制冷电流,电流采样电阻对驱动电流进行采样监控形成闭环控制以实现制冷,实现了±0.15 ℃高精度温控。3 测试系统的标定
【参考文献】：
期刊论文
[1]多角度偏振成像仪偏振通道响应非一致性测量方法[J]. 翁建文,袁银麟,郑小兵,康晴,涂碧海,夏茂鹏,洪津. 光学学报. 2020(08)
[2]多角度偏振成像仪偏振探测性能与检测[J]. 涂碧海,洪津,姚萍萍,孟炳寰,袁银麟,张苗苗,翁建文. 光学学报. 2020(07)
[3]星载偏振相机帧转移模糊效应校正方法研究[J]. 翁建文,袁银麟,郑小兵,康晴,涂碧海,李健军,洪津. 光学学报. 2019(12)
[4]多角度偏振成像仪温度校正方法[J]. 涂碧海,洪津,姚萍萍,王羿,袁银麟,翁建文. 中国激光. 2019(10)
[5]星载多路短波红外探测器温控系统设计[J]. 范慧敏,张爱文,胡亚东,翁建文,洪津. 大气与环境光学学报. 2018(03)
[6]基于离轴三反的同时全偏振成像仪的偏振定标方法[J]. 陶菲,宋茂新,洪津,孙晓兵,凌明椿,张元贞,匡大鹏. 光学学报. 2018(09)
[7]星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析[J]. 张苗苗,孟炳寰,骆冬根,杨本永,提汝芳,洪津. 光学学报. 2018(08)
[8]基于Bang-Bang和PID复合控制的红外探测器温控系统设计[J]. 朱双双,邹鹏,路美娜,张爱文,刘振海,裘桢炜,洪津. 红外技术. 2017(11)
[9]CCD相对光谱响应同步采样方法研究[J]. 崔珊珊,孟炳寰,裘桢炜,洪津,邹鹏. 红外与激光工程. 2015(11)
[10]CCD芯片量子效率的测量装置及其测量方法[J]. 邵晓鹏,王杨,高鹏,许宏涛. 红外与激光工程. 2013(S1)
博士论文
[1]多角度偏振成像仪光电探测系统设计与研究[D]. 骆冬根.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]CCD光电参数测试方法研究及系统设计[D]. 李晓杰.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[2]CCD芯片量子效率和非均匀性参数测量[D]. 孙昊洋.西安电子科技大学 2014
本文编号：3340842
【文章来源】：中国激光. 2020,47(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
面阵CCD的光电性能测试系统示意图
面阵CCD若要获得高质量的图像信号输出,需要保证低噪声的偏压、精确的驱动时序以及高精度模拟前端的性能[16],为此设计一套CCD图像采集系统以实现面阵探测器的驱动与视频信号采集的控制,采集系统如图2所示。该系统的总控制器为NI工控机,通过USB接口向FPGA(Field-Programmable Gate Array)发送积分时间,模拟前端增益、偏置和成像周期等工作参数;时序驱动单元将FPGA产生的帧转移时钟、垂直转移时钟、行转移时钟以及复位等逻辑时序信号转换成满足CCD工作幅值和上升沿时间要求的驱动时钟;偏置电压单元产生适合CCD的各路偏置电压;面阵CCD输出的图像模拟信号经过预放器后送入模拟前端视频信号处理器中,并进行信号调理与模数转换,然后送入FPGA中并按照科学数据包格式进行组织打包,通过LVDS接口将打包后的图像数据传送至工控机内的图像采集卡上并进行图像实时的存储与显示。工控机通过模拟采集卡来监测系统内部的遥测电压。面阵CCD探测器的管脚较软,测量过程中多次拆装容易造成管脚发生变形,故采用无应力插座来进行面阵CCD与图像采集系统的连接。
在面阵CCD与导热铜板之间安装导热垫,探测器工作过程中产生的热量通过导热垫传递到导热铜板上即热沉,当TEC通入直流电时冷端实现对热沉的制冷,热端依靠低温循环机换热器带走热量以散热,从而保证探测器的工作温度稳定。在面阵CCD陶瓷背面粘贴热敏电阻,用于精确测量探测器工作时的温度变化。高精度温控电路用于实现对TEC的控制,其由高稳定性温度采集模块和低噪声热控驱动模块组成,采用FPGA专用芯片根据温控算法来实现探测器温度采集的控制,使用TEC来驱动信号输出与RS422异步串口通信。温控算法采用基于最优时间控制的开关控制算法[18],根据采集的温度信息来调节TEC的驱动功率以产生脉宽调制信号,驱动外部功率三极管来控制TEC制冷电流,电流采样电阻对驱动电流进行采样监控形成闭环控制以实现制冷,实现了±0.15 ℃高精度温控。3 测试系统的标定
【参考文献】：
期刊论文
[1]多角度偏振成像仪偏振通道响应非一致性测量方法[J]. 翁建文,袁银麟,郑小兵,康晴,涂碧海,夏茂鹏,洪津. 光学学报. 2020(08)
[2]多角度偏振成像仪偏振探测性能与检测[J]. 涂碧海,洪津,姚萍萍,孟炳寰,袁银麟,张苗苗,翁建文. 光学学报. 2020(07)
[3]星载偏振相机帧转移模糊效应校正方法研究[J]. 翁建文,袁银麟,郑小兵,康晴,涂碧海,李健军,洪津. 光学学报. 2019(12)
[4]多角度偏振成像仪温度校正方法[J]. 涂碧海,洪津,姚萍萍,王羿,袁银麟,翁建文. 中国激光. 2019(10)
[5]星载多路短波红外探测器温控系统设计[J]. 范慧敏,张爱文,胡亚东,翁建文,洪津. 大气与环境光学学报. 2018(03)
[6]基于离轴三反的同时全偏振成像仪的偏振定标方法[J]. 陶菲,宋茂新,洪津,孙晓兵,凌明椿,张元贞,匡大鹏. 光学学报. 2018(09)
[7]星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析[J]. 张苗苗,孟炳寰,骆冬根,杨本永,提汝芳,洪津. 光学学报. 2018(08)
[8]基于Bang-Bang和PID复合控制的红外探测器温控系统设计[J]. 朱双双,邹鹏,路美娜,张爱文,刘振海,裘桢炜,洪津. 红外技术. 2017(11)
[9]CCD相对光谱响应同步采样方法研究[J]. 崔珊珊,孟炳寰,裘桢炜,洪津,邹鹏. 红外与激光工程. 2015(11)
[10]CCD芯片量子效率的测量装置及其测量方法[J]. 邵晓鹏,王杨,高鹏,许宏涛. 红外与激光工程. 2013(S1)
博士论文
[1]多角度偏振成像仪光电探测系统设计与研究[D]. 骆冬根.中国科学技术大学 2017
硕士论文
[1]CCD光电参数测试方法研究及系统设计[D]. 李晓杰.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[2]CCD芯片量子效率和非均匀性参数测量[D]. 孙昊洋.西安电子科技大学 2014
本文编号：3340842
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