科学级CCD成像系统关键技术研究

发布时间：2017-10-28 09:00

  本文关键词：科学级CCD成像系统关键技术研究

  更多相关文章： 天文望远镜 科学级CCD 成像系统 数字相关双采样 低温制冷

【摘要】：从400多年前望远镜诞生至今,在天体物理和宇宙科学发展的推动下,兼备大口径和大视场的天文望远镜一直都是天文物理学家不断追求的目标。纵观天文望远镜的发展历程,天文望远镜从光学波段扩展到所有的电磁波段,从单纯观测天体的图像发展到观测天体的光谱,从地基望远镜发展到空间望远镜,甚至未来的月基望远镜,天文物理学家利用这些天文望远镜可以了解到天体的化学成分、物理状态、视向速度,从而揭开宇宙初期的图像。随着电子技术的飞速发展,基于半导体材料的科学级CCD探测器得益于高量子效率、超低读出噪声、宽动态范围在天文成像观测中得到了广泛的应用。然而,在天文成像观测中探测器的曝光时间通常很长,甚至达到了几个小时的长曝光时间,尤其是观测微弱的天体目标。在这样长的时间尺度内,暗电流噪声不可忽略。同时由于成像系统电子热运动导致的热噪声也会淹没掉原始信号,因此需要对探测器采取相应的低温制冷措施,从而降低暗电流和热噪声的影响。另一方面,当观测明亮的天体目标或在曝光时间极短时,低温制冷后的暗电流噪声和系统热噪声可以忽略不计。但是,天体目标经过探测器探测到后,通过后端电子学读出系统输出成像,图像中包含有各种噪声成分,此时读出噪声占据主导地位,因此科学级CCD成像系统还需要具备超低读出噪声能力。影响科学级CCD成像系统成像质量优劣的关键部分主要有探测器组件,光学组件,成像控制器组件和低温制冷组件。本论文将围绕科学级CCD成像系统成像控制器组件中的超低噪声读出技术、低噪声电源输出技术和高速数据传输技术,以及低温制冷技术展开重点讨论。并针对通用性强、扩展性好、集成度高等要求对系统构架进行了研究。科学级CCD成像系统使用的低温制冷技术需要解决低温制冷、低温保持、设备维护等问题。同时还需要满足大多数科学级CCD探测器的低温制冷需要。因此作为原型设计,本论文设计的低温制冷系统采用基于液氮制冷的低温杜瓦技术,并设计了液氮杜瓦装置。采用PID算法和PWM驱动方式,实现了制冷温度可控的目标。超低噪声读出一直是科学级CCD成像系统关注的关键指标,而电源系统的优劣决定着该指标是否达到要求。为了满足不同探测器工作的需要,本论文采用了可扩展的分层架构对电源系统进行低噪声电压输出设计。此外,本论文采用了高速高精度数字相关双采样(DCDS)读出技术对科学级CCD探测器探测到的天体辐射信号进行处理。并设计了DCDS读出技术的硬件电路(模拟低通滤波器硬件电路和高速高精度ADC数据采集硬件电路),完成了对图像信号的初步采样。同时还设计了基于FPGA的数字相关双采样逻辑,在FPGA端实现了数字相关双采样算法。此外,还讨论了数字相关双采样算法的其他实现形式。作为高速高精度数字相关双采样技术的支撑技术,以及为了满足大规格科学级CCD和拼接CCD的高带宽大数据量的传输需要,高速数据传输技术是科学级CCD成像系统成像控制器技术中的必不可少的技术组成部分,因此本论文采用了基于USB3.0的高速数据传输技术。基于超低噪声读出技术、低噪声电源输出技术、高速数据传输技术,和基于液氮制冷的低温杜瓦技术,本论文最后对科学级CCD成像原型系统进行了一系列的测试,并取得了科学级CCD成像原型系统成像的阶段性成果。本论文的创新点可归纳为以下三个主要部分：1)通用性强、扩展性好、集成度高的系统构架研究,完成了能够兼容大多数科学级CCD探测器的科学级CCD成像原型系统。2)基于液氮制冷的低温杜瓦技术研究,完成了具有通用性强,液氮维持时间长,真空度高,漏率低,制冷温度可控,控温范围广,控温精度高,控温速率可调的低温杜瓦系统。3)低噪声技术研究,完成了低噪声电源以及高速高精度数字相关双采样技术读出方案,并完成相关的硬件电路和算法,该方案具有低读出噪声,带宽高,集成度高,受环境和器件影响小,成本低等特点。
【关键词】：天文望远镜 科学级CCD 成像系统 数字相关双采样 低温制冷
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH751
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第1章 绪论12-32
• 1.1 成像系统概述12-16
• 1.2 现代望远镜成像系统16-27
• 1.2.1 探测器17-20
• 1.2.2 制冷系统20-25
• 1.2.3 成像控制器25-27
• 1.3 现代成像系统现状27-31
• 1.3.1 大型综合巡天望远镜(LSST)27-28
• 1.3.2 泛星计划(Pan-STARRS)28-29
• 1.3.3 大天区多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)29-31
• 1.4 成像系统研究目标31-32
• 第2章 科学级CCD成像系统设计32-46
• 2.1 科学级CCD探测器32-33
• 2.2 成像系统设计方案33-43
• 2.2.1 低温杜瓦方案33-37
• 2.2.2 成像系统架构方案37-43
• 2.3 成像系统性能参数43-45
• 2.3.1 暗电流43-44
• 2.3.2 系统增益44
• 2.3.3 读出噪声44-45
• 2.4 成像系统设计目标45-46
• 第3章 低温杜瓦系统设计46-54
• 3.1 总体结构46-48
• 3.2 温控设计48-50
• 3.3 PID算法50-54
• 第4章 成像控制器设计54-82
• 4.1 低噪声电源设计58-59
• 4.2 CCD驱动/像素采集板设计59-60
• 4.3 数字相关双采样读出设计60-68
• 4.3.1 模拟低通滤波器设计60-65
• 4.3.2 ADC电路设计65-67
• 4.3.3 DCDS算法67-68
• 4.4 FPGA逻辑设计68-71
• 4.4.1 CCD控制模块69-70
• 4.4.2 DCDS处理模块70-71
• 4.5 数字低通滤波器设计71-82
• 4.5.1 数字滤波器原理72-73
• 4.5.2 数字滤波器类型73-75
• 4.5.3 FIR滤波器设计75-79
• 4.5.4 FIR滤波器实现79-82
• 第5章 系统测试82-96
• 5.1 制冷测试82-86
• 5.2 电源测试86-89
• 5.3 成像系统测试89-96
• 5.3.1 成像测试89-91
• 5.3.2 增益与读出噪声测试91-94
• 5.3.3 暗电流测试94-96
• 第6章 总结与展望96-100
• 6.1 工作总结96-98
• 6.2 未来展望98-100
• 参考文献100-106
• 致谢106-108
• 在读期间发表的学术论文108

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本文编号：1107514