空间高帧频背照式CCD驱动与信息处理技术研究

发布时间：2017-08-03 00:19

  本文关键词：空间高帧频背照式CCD驱动与信息处理技术研究

  更多相关文章： 高光谱成像 背照式CCD 拖尾 暗电流 etalon效应

【摘要】：高光谱成像技术以其出色的地物识别能力,已成为航天遥感领域最重要的观测技术之一。随着星载高光谱成像系统空间分辨率和光谱分辨率需求的提高,对信息获取系统的灵敏度提出了更高的要求,其中高性能探测器及其应用技术已成为系统性能进一步突破所依赖的一项关键技术,而背照式CCD以其量子效率的显著优势,目前仍是星载高光谱成像仪中首选的可见近红外探测器。本课题针对星载高光谱成像系统中高帧频背照式CCD的应用,从CCD驱动技术和信息获取与处理技术等方面展开了深入的研究。在CCD驱动技术方面,研究了帧转移CCD拖尾现象对光谱辐射测量精度和信噪比的影响,并采取电路优化和CCD内部结构优化相结合的方式,实现了低至100ns的行转移时间,使CCD在高帧频应用中最大的缺陷得到弥补。另外,研究了CCD的暗电流对系统性能的影响,提出了根据暗像元信号自适应调整驱动时序及偏压的暗电流抑制方法,使CCD在不同温度下的暗电流得以稳定在较低水平。针对空间电离辐射效应造成的表面暗电流增大和电荷容量下降的问题,提出了可在轨调整驱动偏压的驱动方式,以弥补辐照损伤的影响。在CCD信息获取技术方面,研究了驱动信号整形、模拟前端芯片的选型、时钟抖动和接地方式等因素对系统噪声的影响,据此进行了低噪声信息获取电路的设计,并提出了谱段可变增益的方法提升了紫光和近红外波段的信噪比。研究了多通道CCD的通道间串扰问题,并通过CCD内部结构的优化使串扰系数得到了显著改善。针对电离辐照效应对读出放大器增益和工作点漂移的影响,采用可在轨调整读出放大器偏压的方式,同时采用模拟前端芯片进行增益补偿,可在一定程度上弥补辐照损伤的影响。在CCD信息处理技术方面,分析了背照式CCD的etalon效应产生的原理及其影响因素,提出了通过空间维平均及光谱维平滑的方法获得参考光谱曲线,并以此生成etalon效应校正系数,在对卤钨灯光谱曲线的校正实验中获得了较好的效果。针对拖尾问题,提出了基于面阵数据与暗行数据相结合以估计帧转移时刻光强数值及分布的拖尾校正算法,从而提高了算法对景物变化的适应能力,并通过实验验证了校正方法的有效性。另外,研究了基于暗像元信号及基于温度监测值的暗电流估计方法,获得了较理想的估计效果,从而使地面测试及在轨运行时的暗电流校正流程得到简化,同时提高了对温度变化的适应能力。本课题根据高光谱成像系统的特点进行了定制CCD的指标需求设计及系统实现,在高灵敏度模式下电路等效输入噪声可低至23e-,在正常工作模式和500Hz帧频下噪声也仅为70.8e-,动态范围大于78d B。在典型的测试条件下,410~900nm光谱范围内的信噪比均高于300,光谱成像实验获得的图像清晰,光谱信息准确。论文的最后就一些有待解决的问题和进一步提升系统性能的方法提出了几点建议。
【关键词】：高光谱成像 背照式CCD 拖尾 暗电流 etalon效应
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V443.5
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 引言11-32
• 1.1 高光谱成像技术的应用及发展历程11-13
• 1.1.1 高光谱成像技术的应用11
• 1.1.2 高光谱成像技术的发展历程11-13
• 1.2 航天高光谱成像技术的发展趋势及存在的挑战13-16
• 1.2.1 航天高光谱成像技术的发展趋势13-14
• 1.2.2 航天高光谱成像技术面临的挑战14-16
• 1.3 可用于空间相机的可见近红外探测器16-24
• 1.3.1 CMOS图像传感器的新发展16-19
• 1.3.2 CCD的新发展19-21
• 1.3.3 混成型CMOS探测器HyVisSi21-22
• 1.3.4 衬底移除型HgCd Te探测器22-23
• 1.3.5 适用于航天高光谱成像的CCD与CMOS器件对比23-24
• 1.4 高帧频背照式CCD在空间应用中存在的问题24-30
• 1.4.1 高帧频CCD的拖尾问题24-26
• 1.4.2 背照式CCD的Etalon效应26
• 1.4.3 空间辐照效应对CCD的影响26-30
• 1.5 课题研究意义与本文主要内容30-32
• 2 高帧频帧转移CCD拖尾抑制及校正技术研究32-65
• 2.1 Smear的成因及其影响32-40
• 2.1.1 Smear的成因32
• 2.1.2 Smear对成像光谱仪光谱测量精度的影响32-36
• 2.1.3 Smear对成像光谱仪信噪比的影响36-37
• 2.1.4 电荷转移效率及其对光谱测量精度的影响37-40
• 2.2 帧转移CCD拖尾抑制技术40-54
• 2.2.1 采用有利于减小拖尾的CCD结构40-42
• 2.2.2 CCD驱动信号波形对其满阱容量的影响42-44
• 2.2.3 CCD驱动电路建模44-47
• 2.2.4 CCD驱动器对驱动时钟波形的影响47-48
• 2.2.5 PCB传输线参数对驱动时钟波形的影响48-51
• 2.2.6 CCD内部参数对驱动时钟波形的影响51
• 2.2.7 CCD驱动电路优化设计51-52
• 2.2.8 低拖尾驱动技术测试结果52-54
• 2.3 拖尾校正方法研究54-61
• 2.4 辐射损伤对转移效率的影响及相应的设计措施61-64
• 2.5 本章小结64-65
• 3 背照式CCD的Etalon效应研究65-86
• 3.1 背照式CCD里Etalon效应的成因及其影响因素65-70
• 3.2 背照式CCD的Etalon效应的改善方法70-73
• 3.3 背照式CCD在单色光下Etalon效应的测试73-81
• 3.4 背照式CCD在成像光谱仪中Etalon效应的测试81-85
• 3.5 本章小结85-86
• 4 CCD暗电流的抑制和校正方法86-104
• 4.1 CCD的暗电流特性及其抑制方法86-89
• 4.1.1 暗电流对CCD性能的影响86-87
• 4.1.2 暗电流的构成及其温度特性87-88
• 4.1.3 抑制暗电流的驱动方式88-89
• 4.2 暗电流自动抑制方法89-91
• 4.3 暗电流自动抑制实验结果91-95
• 4.3.1 暗电流温度特性测试结果91-92
• 4.3.2 不同工作状态对CCD其他性能的影响92-93
• 4.3.3 暗电流自动抑制效果测试93-95
• 4.4 CCD暗电流估计及校正方法95-101
• 4.4.1 通过暗像元的值估计暗电流96-99
• 4.4.2 通过温度值估计暗电流99-101
• 4.5 辐射损伤对暗电流的影响及相应的设计措施101-103
• 4.6 本章小结103-104
• 5 高帧频CCD多通道信息获取与处理技术104-134
• 5.1 概述104
• 5.2 系统噪声组成104-106
• 5.3 CCD低噪声信息获取技术106-124
• 5.3.1 CCD驱动信号的整形106-110
• 5.3.2 集成化模拟前端芯片的选型110-114
• 5.3.3 模拟前端芯片应用中的时钟同步问题114-117
• 5.3.4 多通道混合信号电路接地设计117-121
• 5.3.5 基于谱段可调增益的信噪比增强方法121-124
• 5.4 多通道CCD串扰问题研究124-130
• 5.4.1 多通道CCD串扰问题概述124-126
• 5.4.2 多通道CCD针对串扰问题的改善措施126-130
• 5.5 辐射损伤对读出放大器的影响及相应的设计措施130-133
• 5.6 本章小结133-134
• 6 高帧频背照CCD在星载高光谱成像仪中的应用及测试结果134-152
• 6.1 系统方案设计134-139
• 6.1.1 系统指标要求及总体方案设计134
• 6.1.2 CCD主要参数及功能的设置134-136
• 6.1.3 像称补偿成像模式136-137
• 6.1.4 可编程光谱成像技术137-139
• 6.2 电子学系统设计139-141
• 6.3 系统性能测试141-144
• 6.3.1 噪声及信噪比测试141-142
• 6.3.2 动态范围测试142-143
• 6.3.3 MTF测试143-144
• 6.3.4 光谱分辨率测试144
• 6.4 全色成像与光谱成像实验144-151
• 6.4.1 全色成像144-146
• 6.4.2 光谱成像实验146-151
• 6.5 本章小结151-152
• 7 总结与展望152-155
• 参考文献155-159
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果159

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郎非;孙锐;朱军;史泽林;;基于高帧频电视的运动爆炸目标测量指标分析[J];弹箭与制导学报;2004年S4期

2 ;科视针对高帧频放映推出SOLARIA 2.2升级版软件[J];现代电影技术;2011年12期

3 杨富荣;陈力;苏铁;鲍伟义;齐新华;;高帧频数字相机在高速流动显示中的应用[J];实验流体力学;2012年05期

4 梁敏华;曹永刚;陈涛;;基于千兆网的高帧频视频采集系统[J];电光与控制;2008年07期

5 旷江明;张双;;基于低帧频CCD的快速反射镜系统控制(英文)[J];四川师范大学学报(自然科学版);2012年06期

6 李瑞海 ,于占军;时码简介[J];影视技术;2005年07期

7 王明富;杨世洪;吴钦章;夏默;;一种高帧频EMCCD驱动电路设计[J];光电工程;2011年04期

8 陈乔;姚远;梁志毅;;基于FPGA的高帧频CCD成像系统设计[J];科学技术与工程;2013年12期

9 王春水;电影制作混合生产环境(下)[J];影视技术;2005年06期

10 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前3条

1 杨少华;夏惊涛;郭明安;李斌康;;1000帧每秒高帧频图像数据远程实时采集设计[A];第七届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2009年

2 郭明安;王群书;杨少华;夏惊涛;孙凤荣;李斌康;;高帧频CCD成像系统前端电路设计[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅱ[C];2011年

3 董发祥;李瑛;刘朝晖;折文集;;一种基于高灵敏度CCD的微光相机设计[A];2010振动与噪声测试峰会论文集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 广东 刘华莉;话说“MP3.5”[N];电子报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 陈剑武;空间高帧频背照式CCD驱动与信息处理技术研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2015年

2 靳永亮;高帧频闭环特殊场景仿真关键技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王耀辉;高帧频图像采集与传输系统的研究[D];电子科技大学;2014年

2 安平凹;高帧频CMOS电子学及精细导星处理技术研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2015年

3 李真真;帧频提升关键技术的研究及实现[D];重庆大学;2015年

4 曹鹏程;基于FPGA的数字视频帧频提升技术[D];重庆大学;2014年

5 田立国;具有开窗口功能的高帧频CMOS相机的研制[D];长春理工大学;2011年

6 周浩;基于FPGA的高帧频DMD驱动技术研究[D];中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）;2014年

7 刘健;基于Windows平台的高帧频场景产生系统的设计与实现[D];西安电子科技大学;2012年

8 杜鹃;基于FPGA的高帧频CMOS相机数据传输系统设计[D];西安工业大学;2011年

9 孙黎明;高帧频CMOS相机图像处理系统设计[D];西安工业大学;2011年

10 张文芳;高帧频CMOS相机数据采集关键技术研究[D];西安工业大学;2012年

，

本文编号：611868