高速PLIF探测系统控制与测试技术研究

发布时间：2017-09-16 08:41

  本文关键词：高速PLIF探测系统控制与测试技术研究

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【摘要】：高速PLIF探测系统可对微弱荧光信号进行快速、有效探测,是高速PLIF成像诊断仪的重要组成部分。探测系统多由像增强器与高速相机组成;然而,受制于仪器接口数据传输速率的限制,目前的探测系统多将采集图片存储在高速相机内存中,然后通过第三方软件手动导出,较为繁琐。由于数据量巨大,相机内存的限制使高速PLIF系统不能长时间连续工作。本文从高帧频、高灵敏度、连续性的角度出发,主要对高速PLIF探测系统的控制与测试技术进行了研究。设计了高速PLIF探测系统的结构,对探测系统关键器件像增强器的工作原理与噪声特性进行了介绍,推导了其电流增益表达式,同时,分析了CMOS高速相机的噪声特性;利用线性系统信噪比级联理论结合系统硬件组成推导了系统的噪声因子表达式,理论计算表明,系统噪声因子随着像增强器增益电压的增加而减小。考虑PLIF系统实际运用背景,设计了两种不同的系统工作模式:重频模式、脉冲串模式。根据不同工作模式进行了探测系统硬件搭建,完成了基于Lab VIEW的高性能控制软件开发,可保证系统长时间连续工作,主要突破了高精度时序控制技术,时序脉冲控制精度达到ps量级;高速动态图片数据采集、存储与读出技术,读写速度超过500M/s。对探测系统进行噪声测试研究发现,高速CMOS相机在100Hz及以上帧频工作时,产生的暗电流噪声与1/f噪声可忽略不计;像增强器的增益电压超过800V时,其产生的暗电流噪声呈指数增长。系统重频工作模式(500-1000Hz)下,利用高精度、高线性度光电探测器对用于测试的激光光源进行了功率抖动修正,给出了探测系统信噪比的测试方法,实验结果表明,MCP未达到自饱和状态时,系统的信噪比随着MCP两端电压的增加呈指数增长。同时,利用532nm半波片、偏振片与高精度旋转平台,对系统光功率响应特性进行了测试,测试结果表明,在MCP未达到自饱和状态时,系统光功率响应线性度较好,当MCP两端电压为769.1V时,系统光功率响应的动态范围在9n W左右,可探测最小光功率3n W~4n W。
【关键词】：高帧频 高灵敏度 连续性 信噪比 软件设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.23
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题的研究目的和意义9-10
• 1.2 PLIF技术国内外研究进展10-14
• 1.3 探测系统关键器件国内外研究现状14-16
• 1.3.1 像增强器国内外研究现状14-15
• 1.3.2 高速高分辨率相机国内外研究现状15-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-17
• 第2章 探测系统工作原理与噪声因子分析17-29
• 2.1 探测系统结构17-18
• 2.2 探测系统关键器件简介18-24
• 2.2.1 像增强器电流增益与噪声简介18-23
• 2.2.2 CMOS相机噪声特性23-24
• 2.3 探测系统噪声因子分析24-28
• 2.3.1 像增强器噪声因子26-27
• 2.3.2 光纤锥的噪声因子27
• 2.3.3 面阵探测器噪声因子27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 探测系统硬件搭建与控制软件设计29-45
• 3.1 重频模式（REPETITION MODE）29-39
• 3.1.1 系统工作原理与硬件搭建29-34
• 3.1.2 控制软件设计34-39
• 3.2 脉冲串工作模式（BURST MODE）39-43
• 3.2.1 系统工作原理与硬件选择39-41
• 3.2.2 控制软件设计41-43
• 3.3 本章小结43-45
• 第4章 探测系统信噪比与功率响应测试45-62
• 4.1 系统噪声特性实验测试45-51
• 4.1.1 CMOS相机暗电流噪声45-46
• 4.1.2 CMOS相机 1/f噪声46-48
• 4.1.3 CMOS相机数字增益48-50
• 4.1.4 像增强器暗电流噪声50-51
• 4.2 MCP两端电压对系统信噪比的影响51-58
• 4.2.1 测试实验平台51-53
• 4.2.2 实验结果与分析53-58
• 4.3 系统光功率响应测试58-61
• 4.3.1 测试实验平台58-59
• 4.3.2 实验结果与分析59-61
• 4.4 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文66-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 龚学艺;黄思婕;曲荣升;陈凡胜;;CMOS图像传感器时间域噪声分析及其应用研究[J];光学与光电技术;2013年01期

2 向世明;;微光像增强器信噪比理论极限问题研究[J];应用光学;2008年05期

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本文编号：862029