强激光参数测量中的科学级CCD相机设计及其应用研究
发布时间：2021-04-20 19:56
热核聚变产生巨大能量,ICF（惯性约束聚变）中的间接驱动研究在能源、军事、国防等方面有着十分重要的作用及巨大应用前景。在激光产生热核聚变的过程中,对于激光光束质量诊断及对激光参数测量是十分重要的。科学级CCD相机作为精密诊断器件,具备低噪声,大动态范围等特点,被广泛应用于激光光束常规诊断中,对激光光束远、近场分布、远场焦斑分布等参数进行诊断及测量。为激光打靶提供各种支撑数据,实现打靶前的光束诊断及打靶后的信息获取。本文在对国内外科学级CCD相机研究的基础上,致力于掌握其研发过程中的关键点以及相机研发、测量及标定体系的建立。并在此基础上开发出一款具备低噪声、大动态范围,且能够适用于强激光参数测量领域的科学级CCD相机成像系统。同时对相机在强激光测量领域内一些新应用及测试方法进行研究。1、在对国内外几款科学级CCD相机认真研究的基础上,针对所研制相机的主要应用环境,完成该款相机的设计方案、硬件选型、相机噪声前期研究分析及仿真、PCB板设计加工制造及相机安装及调试工作,最终研制了一款基于千兆以太网传输的科学级CCD相机。经过测试该相机各项参数指标在国内同类产品中处于领先地位。2、对于相机指标...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 国内外目前研究现状
1.3 本文研究的内容及意义
1.4 文章的主要内容及组织结构
第二章 科学级CCD相机特性及图像采集系统设计研究
2.1 CCD传感器特性研究及选型
2.1.1 CCD电荷的产生
2.1.2 CCD电荷的存储
2.1.3 CCD电荷的转移及检测
2.2 CCD的噪声
2.3 科学级CCD相机的特点
2.4 CCD芯片的选型研究
2.4.1 高功率脉冲激光对CCD的作用现象
2.4.2 CCD芯片的选择
2.5 CCD相机图像采集系统软硬件设计研究
2.5.1 主要设计指标及功能
2.5.2 系统设计方案
2.5.3 系统硬件选型及设计研究
2.5.3.1 CCD传感器
2.5.3.2 CCD驱动器
2.5.3.3 前置放大电路
2.5.3.4 A/D转换
2.5.3.5 数据存储芯片选择及实现
2.5.3.6 网络传输
2.5.3.7 FPGA控制系统
2.5.3.8 系统电源
2.5.4 系统噪声仿真与分析
2.5.4.1 本设计相机的噪声计算
2.5.4.2 前级放大的噪声模型
2.5.4.3 噪声的仿真
2.5.5 系统PCB设计
2.5.5.1 控制存储模块
2.5.5.2 网络传输模块
2.5.5.3 CCD电源模块
2.5.5.4 CCD芯片模块
2.5.6 系统软件设计
2.5.6.1 软件的分类及流程
2.5.6.2 上位机软件
2.5.7 FPGA设计中的关键技术研究-低频采高频信号
2.5.8 CCD相机散热研究
2.6 本章小结
第三章 科学级CCD相机标定方法及标定结果
3.1 科学级CCD相机标定系统设计
3.1.1 光能量控制系统
3.1.2 标定流程
3.2 科学级CCD相机的指标定义
3.3 影响对比度测量的因素分析
3.3.1 灰度场对比度与光场对比度的转换
3.3.2 线性模型的假设下
3.3.3 非线性模型的假设下
3.3.4 光噪声与CCD相机测量噪声不独立的情况下的近似处理
3.4 测试数据的获取及科学级CCD相机指标计算及标定结果
3.4.1 科学级CCD相机光学动态范围及光电响应非线性度标定
3.4.2 科学级CCD相机其他指标的计算
3.5 本章小结
第四章 强激光参数测量中科学级CCD噪声分析处理研究
4.1 CCD相机噪声分类
4.2 科学级CCD相机噪声测试
4.2.1 测试系统及测试数据的获得
4.2.2 时间噪声
4.2.3 空间噪声
4.2.4 总噪声
4.3 脉冲激光下噪声的测试及计算
4.3.1 科学级CCD噪声分布模型
4.3.1.1 时间噪声的分布模型
4.3.1.2 空间噪声的分布模型
4.4 科学级CCD降噪
4.4.1 基于非抽样离散小波变换去除时间噪声
4.4.2 CCD相机非均匀性的校正
4.4.2.1 科学级CCD非均匀性分析及校正模型的建立
4.4.2.2 基于线性非时变校正模型的非均匀性校正算法
4.4.2.3 校正系数的有效使用条件
4.5 本章小结
第五章 科学级CCD相机在激光测量中的能量测量研究
5.1 科学级CCD相机进行光场能量测量研究
5.1.1 能量计测量原理与CCD测量原理对比
5.1.2 CCD相机能量测量方法
5.1.2.1 测量原理
5.1.2.2 测量方案
5.1.3 离线标定实验装置及数据分析
5.1.3.1 固定衰减片衰减倍率的标定及精度分析
5.1.3.2 科学CCD相机响应能量的标定及精度分析
5.2 本章小结
第六章 远场焦斑测量中大动态范围测量的实现方法研究
6.1 纹影法测量的原理
6.2 焦斑重构方法
6.2.1 灰度匹配
6.2.2 光斑对心
6.3 测量中参数的标定
6.3.1 CCD相机响应不一致性的标定
6.3.2 光斑放大系数及光强相对放大系数标定
6.4 图像的合并及结果分析
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 论文工作总结
7.2 未来工作展望
参考文献
附录A
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双CCD探测的外场高精度激光光斑测试技术[J]. 李艳晓,张磊,张红刚,胡磊力. 红外与激光工程. 2015(01)
[2]FPGA设计中跨时钟域信号同步方法[J]. 邹晨. 航空计算技术. 2014(04)
[3]基于FPGA+MAC+PHY的千兆以太网数传系统设计[J]. 侯义合,张冬冬,丁雷. 科学技术与工程. 2014(19)
[4]强激光远场光斑强度分布测量技术[J]. 冯国斌,杨鹏翎,王群书,刘福华,叶锡生,安毓英. 强激光与粒子束. 2013(07)
[5]激光能量叠加过程中对准精度对焦斑的影响[J]. 彭龙瑶,赵雅慧,张蓉竹. 强激光与粒子束. 2013(05)
[6]一种空间相机辐射定标用大面积辐射光源的研制[J]. 李葆勇,任建伟,万志,李宪圣,刘则洵,孙景旭. 光电子.激光. 2013(03)
[7]基于光纤阵列的激光光斑测量方法[J]. 吴勇,杨鹏翎,陈绍武,刘卫平,武俊杰,陶蒙蒙,刘福华,冯国斌,叶锡生. 强激光与粒子束. 2013(02)
[8]正交光楔激光远场焦斑测量方法[J]. 贺元兴,李新阳. 强激光与粒子束. 2012(11)
[9]低噪声前级视频链路的建模与仿真[J]. 陈智,邱跃洪,文延,高博,江宝钽. 微计算机信息. 2012(09)
[10]CCD相机输出非均匀性线性校正系数的定标[J]. 刘则洵,全先荣,任建伟,李宪圣,万志,李葆勇,孙景旭. 红外与激光工程. 2012(08)
博士论文
[1]数字图像拼接核心算法研究[D]. 邵向鑫.吉林大学 2010
硕士论文
[1]基于FPGA的以太网MAC数据处理[D]. 张雪坤.成都理工大学 2012
[2]基于背照式CCD的微弱目标成像系统设计[D]. 张鑫.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
[3]基于摄像机的CCD电路噪声模型的仿真与测试的研究[D]. 郭土华.华南理工大学 2011
[4]CCD数据采集系统及其CDS降噪技术的研究[D]. 于洋.燕山大学 2004
本文编号：3150301
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 国内外目前研究现状
1.3 本文研究的内容及意义
1.4 文章的主要内容及组织结构
第二章 科学级CCD相机特性及图像采集系统设计研究
2.1 CCD传感器特性研究及选型
2.1.1 CCD电荷的产生
2.1.2 CCD电荷的存储
2.1.3 CCD电荷的转移及检测
2.2 CCD的噪声
2.3 科学级CCD相机的特点
2.4 CCD芯片的选型研究
2.4.1 高功率脉冲激光对CCD的作用现象
2.4.2 CCD芯片的选择
2.5 CCD相机图像采集系统软硬件设计研究
2.5.1 主要设计指标及功能
2.5.2 系统设计方案
2.5.3 系统硬件选型及设计研究
2.5.3.1 CCD传感器
2.5.3.2 CCD驱动器
2.5.3.3 前置放大电路
2.5.3.4 A/D转换
2.5.3.5 数据存储芯片选择及实现
2.5.3.6 网络传输
2.5.3.7 FPGA控制系统
2.5.3.8 系统电源
2.5.4 系统噪声仿真与分析
2.5.4.1 本设计相机的噪声计算
2.5.4.2 前级放大的噪声模型
2.5.4.3 噪声的仿真
2.5.5 系统PCB设计
2.5.5.1 控制存储模块
2.5.5.2 网络传输模块
2.5.5.3 CCD电源模块
2.5.5.4 CCD芯片模块
2.5.6 系统软件设计
2.5.6.1 软件的分类及流程
2.5.6.2 上位机软件
2.5.7 FPGA设计中的关键技术研究-低频采高频信号
2.5.8 CCD相机散热研究
2.6 本章小结
第三章 科学级CCD相机标定方法及标定结果
3.1 科学级CCD相机标定系统设计
3.1.1 光能量控制系统
3.1.2 标定流程
3.2 科学级CCD相机的指标定义
3.3 影响对比度测量的因素分析
3.3.1 灰度场对比度与光场对比度的转换
3.3.2 线性模型的假设下
3.3.3 非线性模型的假设下
3.3.4 光噪声与CCD相机测量噪声不独立的情况下的近似处理
3.4 测试数据的获取及科学级CCD相机指标计算及标定结果
3.4.1 科学级CCD相机光学动态范围及光电响应非线性度标定
3.4.2 科学级CCD相机其他指标的计算
3.5 本章小结
第四章 强激光参数测量中科学级CCD噪声分析处理研究
4.1 CCD相机噪声分类
4.2 科学级CCD相机噪声测试
4.2.1 测试系统及测试数据的获得
4.2.2 时间噪声
4.2.3 空间噪声
4.2.4 总噪声
4.3 脉冲激光下噪声的测试及计算
4.3.1 科学级CCD噪声分布模型
4.3.1.1 时间噪声的分布模型
4.3.1.2 空间噪声的分布模型
4.4 科学级CCD降噪
4.4.1 基于非抽样离散小波变换去除时间噪声
4.4.2 CCD相机非均匀性的校正
4.4.2.1 科学级CCD非均匀性分析及校正模型的建立
4.4.2.2 基于线性非时变校正模型的非均匀性校正算法
4.4.2.3 校正系数的有效使用条件
4.5 本章小结
第五章 科学级CCD相机在激光测量中的能量测量研究
5.1 科学级CCD相机进行光场能量测量研究
5.1.1 能量计测量原理与CCD测量原理对比
5.1.2 CCD相机能量测量方法
5.1.2.1 测量原理
5.1.2.2 测量方案
5.1.3 离线标定实验装置及数据分析
5.1.3.1 固定衰减片衰减倍率的标定及精度分析
5.1.3.2 科学CCD相机响应能量的标定及精度分析
5.2 本章小结
第六章 远场焦斑测量中大动态范围测量的实现方法研究
6.1 纹影法测量的原理
6.2 焦斑重构方法
6.2.1 灰度匹配
6.2.2 光斑对心
6.3 测量中参数的标定
6.3.1 CCD相机响应不一致性的标定
6.3.2 光斑放大系数及光强相对放大系数标定
6.4 图像的合并及结果分析
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 论文工作总结
7.2 未来工作展望
参考文献
附录A
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双CCD探测的外场高精度激光光斑测试技术[J]. 李艳晓,张磊,张红刚,胡磊力. 红外与激光工程. 2015(01)
[2]FPGA设计中跨时钟域信号同步方法[J]. 邹晨. 航空计算技术. 2014(04)
[3]基于FPGA+MAC+PHY的千兆以太网数传系统设计[J]. 侯义合,张冬冬,丁雷. 科学技术与工程. 2014(19)
[4]强激光远场光斑强度分布测量技术[J]. 冯国斌,杨鹏翎,王群书,刘福华,叶锡生,安毓英. 强激光与粒子束. 2013(07)
[5]激光能量叠加过程中对准精度对焦斑的影响[J]. 彭龙瑶,赵雅慧,张蓉竹. 强激光与粒子束. 2013(05)
[6]一种空间相机辐射定标用大面积辐射光源的研制[J]. 李葆勇,任建伟,万志,李宪圣,刘则洵,孙景旭. 光电子.激光. 2013(03)
[7]基于光纤阵列的激光光斑测量方法[J]. 吴勇,杨鹏翎,陈绍武,刘卫平,武俊杰,陶蒙蒙,刘福华,冯国斌,叶锡生. 强激光与粒子束. 2013(02)
[8]正交光楔激光远场焦斑测量方法[J]. 贺元兴,李新阳. 强激光与粒子束. 2012(11)
[9]低噪声前级视频链路的建模与仿真[J]. 陈智,邱跃洪,文延,高博,江宝钽. 微计算机信息. 2012(09)
[10]CCD相机输出非均匀性线性校正系数的定标[J]. 刘则洵,全先荣,任建伟,李宪圣,万志,李葆勇,孙景旭. 红外与激光工程. 2012(08)
博士论文
[1]数字图像拼接核心算法研究[D]. 邵向鑫.吉林大学 2010
硕士论文
[1]基于FPGA的以太网MAC数据处理[D]. 张雪坤.成都理工大学 2012
[2]基于背照式CCD的微弱目标成像系统设计[D]. 张鑫.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
[3]基于摄像机的CCD电路噪声模型的仿真与测试的研究[D]. 郭土华.华南理工大学 2011
[4]CCD数据采集系统及其CDS降噪技术的研究[D]. 于洋.燕山大学 2004
本文编号：3150301
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