高光谱臭氧总量探测仪CCD成像系统的设计和测试

发布时间：2020-06-20 07:11

【摘要】：臭氧是大气中一种重要的微量气体。平流层中的臭氧对太阳紫外和可见光有吸收削弱作用,防止地球生物受到暴晒。对流层中的臭氧是一种重要的温室气体。过去几十年间,平流层臭氧空洞和对流层臭氧污染问题引起了人们的极大关注。与此同时,星载大气探测技术以其全天候,全球覆盖观测的特点得到了深入发展与应用,至今国内外已有十余颗大气臭氧探测装置发射入轨,并获得了臭氧总量、垂直分布在内的臭氧变化信息,为研究全球气候变化、大气污染防治提供了宝贵资料。我国2008年研制发射的FY-3紫外臭氧总量探测仪,通过测量大气对太阳紫外辐射的后向散射,获得了臭氧总量的全球分布,标志着我国星载大气臭氧探测进入新阶段。在此基础上,我国还将发展新一代高光谱臭氧总量探测仪,其以帧转移型面阵探测器CCD55-30为探测器件,研制了成像系统并对其性能参数进行测试验证。为此,本文开展的研究工作和创新点包括以下几个方面:(1)参与调试CCD55-30成像硬件电路,包括时序驱动转换电路、预处理和模拟前端电路、偏置电压电路、FPGA控制电路,为CCD的正常工作提供硬件条件。测试FPGA的CCD驱动时序发生、信号数字相关双采样、灰度值缓存和传输等功能。建立CCD成像地面检测系统,测试CCD成像功能,验证了CCD55-30成像电子学系统工作状态的正确性。(2)建立CCD55-30成像系统的成像模型和噪声模型,并对成像过程参数进行了梳理、总结了CCD成像性能参数的含义。对CCD测试系统进行了研究,包括光电成像器件性能参数1288测试系统和在实验室里搭建的简易CCD测试系统,具体分析了其工作原理、结构组成、验证光源稳定性和均匀性,对比了其优缺点。(3)利用调节曝光时间和光功率密度的方法,分别测试了CCD成像系统的线性,结果表明该成像系统线性良好,调节曝光时间是测试线性的最佳方法。将最小曝光点对应的信号灰度值作为可探测信号的下限,利用不同曝光时间的测试数据计算了CCD的动态范围,更好地反映CCD对弱信号的探测能力。分析了降低读出噪声对提高动态范围的影响、提出降低CCD衬底电压对提高动态范围的作用并予以实验验证。利用标准光功率计获得输入光功率密度,测试和计算CCD在不同波长下的量子效率。对该成像系统的温度特性进行了测试,结果表明降温可以有效降低CCD的暗电流、改善暗场图像均匀性。(4)分析了CCD55-30灰度值图像不均匀性的来源,以及利用暗信号非均匀性DSNU(e~-/pixel)和光响应信号非均匀性PRNU(%)表示像素非均匀性的不足。创新性地提出暗电流非均匀性DCNU(e~-/pixel/s)和光电流非均匀性PCNU(%)的概念,并设计了设置多档曝光时间,每档曝光时间下采集多帧暗场(或亮场)图像,再通过拟合求得暗电流(或“暗电流+光电流”)后以之为基础计算DCNU和PCNU的方法。对利用新老方法求得的像素非均匀性进行了对比与分析,结果表明新方法测试数据更具有普遍适用性和说服力。(5)对CCD成像系统的信噪比进行了理论研究和实验测试。根据成像过程的不同环节,绘出了信噪比的理论曲线,之后对其进行了实验验证。创新性地采用无暗信号的Dummy Output通道输出信号测试了成像系统的读出噪声,克服了传统测试方法难以剔除暗电流噪声的缺点。分析了影响信噪比的因素,并实验验证像素合并、多帧图像叠加、提高AD9814增益都可以有效提高成像系统的信噪比,创新性地设计2行像素合并以及光谱通道增益可编程的驱动时序。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP73;V447.1
【图文】：

探测方式,星载,定标

第 1 章绪论月光进行掩星探测（Ackerman et al., 1989；NationalAeronautics and SpaceAdministration, 2015）。实验室定标、星上定标、在轨替代定标等仪器定标技术和定标精度也在不断进步，观测数据的定量化水平不断提高（李聪，2010；徐秋云，2010；毛靖华，2017）。反演算法从最初的离散通道“通道对法”发展到“高光谱分辨率差分吸收光谱法”（DOAS，Differential Optical AbsorptionSpectroscopy），可以在不求解大气辐射传输方程的情况下得到多种大气微量成分的总量（Edner et al., 1993；Buchwitz et al., 2000；Veefkind et al., 2006）。探测目标也从最初的臭氧单一气体发展到以臭氧为中心的多种大气痕量成分以及云和气溶胶联合观测。

基本结构,像素,读出速度

高光谱臭氧总量探测仪 CCD 成像系统的设计和测试CCD 的发展及其在遥感中的应用970 年美国贝尔实验室的 WillardS.Boyle 和 GeorgeE.Smith 在金属氧MOS）电容器的结构基础上，提出了 CCD 的概念（Janesick，2001；S。由于其量子效率高、感光波段宽、填充因子大、读出速度快、线、功耗小等优点，一问世就得到了快速发展与广泛应用（安毓英等，

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