本文關(guān)鍵詞：空間高幀頻背照式CCD驅(qū)動與信息處理技術(shù)研究

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【摘要】：高光譜成像技術(shù)以其出色的地物識別能力,已成為航天遙感領(lǐng)域最重要的觀測技術(shù)之一。隨著星載高光譜成像系統(tǒng)空間分辨率和光譜分辨率需求的提高,對信息獲取系統(tǒng)的靈敏度提出了更高的要求,其中高性能探測器及其應(yīng)用技術(shù)已成為系統(tǒng)性能進(jìn)一步突破所依賴的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),而背照式CCD以其量子效率的顯著優(yōu)勢,目前仍是星載高光譜成像儀中首選的可見近紅外探測器。本課題針對星載高光譜成像系統(tǒng)中高幀頻背照式CCD的應(yīng)用,從CCD驅(qū)動技術(shù)和信息獲取與處理技術(shù)等方面展開了深入的研究。在CCD驅(qū)動技術(shù)方面,研究了幀轉(zhuǎn)移CCD拖尾現(xiàn)象對光譜輻射測量精度和信噪比的影響,并采取電路優(yōu)化和CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了低至100ns的行轉(zhuǎn)移時間,使CCD在高幀頻應(yīng)用中最大的缺陷得到彌補(bǔ)。另外,研究了CCD的暗電流對系統(tǒng)性能的影響,提出了根據(jù)暗像元信號自適應(yīng)調(diào)整驅(qū)動時序及偏壓的暗電流抑制方法,使CCD在不同溫度下的暗電流得以穩(wěn)定在較低水平。針對空間電離輻射效應(yīng)造成的表面暗電流增大和電荷容量下降的問題,提出了可在軌調(diào)整驅(qū)動偏壓的驅(qū)動方式,以彌補(bǔ)輻照損傷的影響。在CCD信息獲取技術(shù)方面,研究了驅(qū)動信號整形、模擬前端芯片的選型、時鐘抖動和接地方式等因素對系統(tǒng)噪聲的影響,據(jù)此進(jìn)行了低噪聲信息獲取電路的設(shè)計(jì),并提出了譜段可變增益的方法提升了紫光和近紅外波段的信噪比。研究了多通道CCD的通道間串?dāng)_問題,并通過CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使串?dāng)_系數(shù)得到了顯著改善。針對電離輻照效應(yīng)對讀出放大器增益和工作點(diǎn)漂移的影響,采用可在軌調(diào)整讀出放大器偏壓的方式,同時采用模擬前端芯片進(jìn)行增益補(bǔ)償,可在一定程度上彌補(bǔ)輻照損傷的影響。在CCD信息處理技術(shù)方面,分析了背照式CCD的etalon效應(yīng)產(chǎn)生的原理及其影響因素,提出了通過空間維平均及光譜維平滑的方法獲得參考光譜曲線,并以此生成etalon效應(yīng)校正系數(shù),在對鹵鎢燈光譜曲線的校正實(shí)驗(yàn)中獲得了較好的效果。針對拖尾問題,提出了基于面陣數(shù)據(jù)與暗行數(shù)據(jù)相結(jié)合以估計(jì)幀轉(zhuǎn)移時刻光強(qiáng)數(shù)值及分布的拖尾校正算法,從而提高了算法對景物變化的適應(yīng)能力,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了校正方法的有效性。另外,研究了基于暗像元信號及基于溫度監(jiān)測值的暗電流估計(jì)方法,獲得了較理想的估計(jì)效果,從而使地面測試及在軌運(yùn)行時的暗電流校正流程得到簡化,同時提高了對溫度變化的適應(yīng)能力。本課題根據(jù)高光譜成像系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了定制CCD的指標(biāo)需求設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),在高靈敏度模式下電路等效輸入噪聲可低至23e-,在正常工作模式和500Hz幀頻下噪聲也僅為70.8e-,動態(tài)范圍大于78d B。在典型的測試條件下,410~900nm光譜范圍內(nèi)的信噪比均高于300,光譜成像實(shí)驗(yàn)獲得的圖像清晰,光譜信息準(zhǔn)確。論文的最后就一些有待解決的問題和進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能的方法提出了幾點(diǎn)建議。
【關(guān)鍵詞】：高光譜成像 背照式CCD 拖尾 暗電流 etalon效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V443.5
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 引言11-32
• 1.1 高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展歷程11-13
• 1.1.1 高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用11
• 1.1.2 高光譜成像技術(shù)的發(fā)展歷程11-13
• 1.2 航天高光譜成像技術(shù)的發(fā)展趨勢及存在的挑戰(zhàn)13-16
• 1.2.1 航天高光譜成像技術(shù)的發(fā)展趨勢13-14
• 1.2.2 航天高光譜成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)14-16
• 1.3 可用于空間相機(jī)的可見近紅外探測器16-24
• 1.3.1 CMOS圖像傳感器的新發(fā)展16-19
• 1.3.2 CCD的新發(fā)展19-21
• 1.3.3 混成型CMOS探測器HyVisSi21-22
• 1.3.4 襯底移除型HgCd Te探測器22-23
• 1.3.5 適用于航天高光譜成像的CCD與CMOS器件對比23-24
• 1.4 高幀頻背照式CCD在空間應(yīng)用中存在的問題24-30
• 1.4.1 高幀頻CCD的拖尾問題24-26
• 1.4.2 背照式CCD的Etalon效應(yīng)26
• 1.4.3 空間輻照效應(yīng)對CCD的影響26-30
• 1.5 課題研究意義與本文主要內(nèi)容30-32
• 2 高幀頻幀轉(zhuǎn)移CCD拖尾抑制及校正技術(shù)研究32-65
• 2.1 Smear的成因及其影響32-40
• 2.1.1 Smear的成因32
• 2.1.2 Smear對成像光譜儀光譜測量精度的影響32-36
• 2.1.3 Smear對成像光譜儀信噪比的影響36-37
• 2.1.4 電荷轉(zhuǎn)移效率及其對光譜測量精度的影響37-40
• 2.2 幀轉(zhuǎn)移CCD拖尾抑制技術(shù)40-54
• 2.2.1 采用有利于減小拖尾的CCD結(jié)構(gòu)40-42
• 2.2.2 CCD驅(qū)動信號波形對其滿阱容量的影響42-44
• 2.2.3 CCD驅(qū)動電路建模44-47
• 2.2.4 CCD驅(qū)動器對驅(qū)動時鐘波形的影響47-48
• 2.2.5 PCB傳輸線參數(shù)對驅(qū)動時鐘波形的影響48-51
• 2.2.6 CCD內(nèi)部參數(shù)對驅(qū)動時鐘波形的影響51
• 2.2.7 CCD驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計(jì)51-52
• 2.2.8 低拖尾驅(qū)動技術(shù)測試結(jié)果52-54
• 2.3 拖尾校正方法研究54-61
• 2.4 輻射損傷對轉(zhuǎn)移效率的影響及相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施61-64
• 2.5 本章小結(jié)64-65
• 3 背照式CCD的Etalon效應(yīng)研究65-86
• 3.1 背照式CCD里Etalon效應(yīng)的成因及其影響因素65-70
• 3.2 背照式CCD的Etalon效應(yīng)的改善方法70-73
• 3.3 背照式CCD在單色光下Etalon效應(yīng)的測試73-81
• 3.4 背照式CCD在成像光譜儀中Etalon效應(yīng)的測試81-85
• 3.5 本章小結(jié)85-86
• 4 CCD暗電流的抑制和校正方法86-104
• 4.1 CCD的暗電流特性及其抑制方法86-89
• 4.1.1 暗電流對CCD性能的影響86-87
• 4.1.2 暗電流的構(gòu)成及其溫度特性87-88
• 4.1.3 抑制暗電流的驅(qū)動方式88-89
• 4.2 暗電流自動抑制方法89-91
• 4.3 暗電流自動抑制實(shí)驗(yàn)結(jié)果91-95
• 4.3.1 暗電流溫度特性測試結(jié)果91-92
• 4.3.2 不同工作狀態(tài)對CCD其他性能的影響92-93
• 4.3.3 暗電流自動抑制效果測試93-95
• 4.4 CCD暗電流估計(jì)及校正方法95-101
• 4.4.1 通過暗像元的值估計(jì)暗電流96-99
• 4.4.2 通過溫度值估計(jì)暗電流99-101
• 4.5 輻射損傷對暗電流的影響及相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施101-103
• 4.6 本章小結(jié)103-104
• 5 高幀頻CCD多通道信息獲取與處理技術(shù)104-134
• 5.1 概述104
• 5.2 系統(tǒng)噪聲組成104-106
• 5.3 CCD低噪聲信息獲取技術(shù)106-124
• 5.3.1 CCD驅(qū)動信號的整形106-110
• 5.3.2 集成化模擬前端芯片的選型110-114
• 5.3.3 模擬前端芯片應(yīng)用中的時鐘同步問題114-117
• 5.3.4 多通道混合信號電路接地設(shè)計(jì)117-121
• 5.3.5 基于譜段可調(diào)增益的信噪比增強(qiáng)方法121-124
• 5.4 多通道CCD串?dāng)_問題研究124-130
• 5.4.1 多通道CCD串?dāng)_問題概述124-126
• 5.4.2 多通道CCD針對串?dāng)_問題的改善措施126-130
• 5.5 輻射損傷對讀出放大器的影響及相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施130-133
• 5.6 本章小結(jié)133-134
• 6 高幀頻背照CCD在星載高光譜成像儀中的應(yīng)用及測試結(jié)果134-152
• 6.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)134-139
• 6.1.1 系統(tǒng)指標(biāo)要求及總體方案設(shè)計(jì)134
• 6.1.2 CCD主要參數(shù)及功能的設(shè)置134-136
• 6.1.3 像稱補(bǔ)償成像模式136-137
• 6.1.4 可編程光譜成像技術(shù)137-139
• 6.2 電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)139-141
• 6.3 系統(tǒng)性能測試141-144
• 6.3.1 噪聲及信噪比測試141-142
• 6.3.2 動態(tài)范圍測試142-143
• 6.3.3 MTF測試143-144
• 6.3.4 光譜分辨率測試144
• 6.4 全色成像與光譜成像實(shí)驗(yàn)144-151
• 6.4.1 全色成像144-146
• 6.4.2 光譜成像實(shí)驗(yàn)146-151
• 6.5 本章小結(jié)151-152
• 7 總結(jié)與展望152-155
• 參考文獻(xiàn)155-159
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果159

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6 李瑞海 ,于占軍;時碼簡介[J];影視技術(shù);2005年07期

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3 董發(fā)祥;李瑛;劉朝暉;折文集;;一種基于高靈敏度CCD的微光相機(jī)設(shè)計(jì)[A];2010振動與噪聲測試峰會論文集[C];2010年

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