本文關(guān)鍵詞：科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 天文望遠鏡 科學(xué)級CCD 成像系統(tǒng) 數(shù)字相關(guān)雙采樣 低溫制冷

【摘要】：從400多年前望遠鏡誕生至今,在天體物理和宇宙科學(xué)發(fā)展的推動下,兼?zhèn)浯罂趶胶痛笠晥龅奶煳耐h鏡一直都是天文物理學(xué)家不斷追求的目標�？v觀天文望遠鏡的發(fā)展歷程,天文望遠鏡從光學(xué)波段擴展到所有的電磁波段,從單純觀測天體的圖像發(fā)展到觀測天體的光譜,從地基望遠鏡發(fā)展到空間望遠鏡,甚至未來的月基望遠鏡,天文物理學(xué)家利用這些天文望遠鏡可以了解到天體的化學(xué)成分、物理狀態(tài)、視向速度,從而揭開宇宙初期的圖像。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,基于半導(dǎo)體材料的科學(xué)級CCD探測器得益于高量子效率、超低讀出噪聲、寬動態(tài)范圍在天文成像觀測中得到了廣泛的應(yīng)用。然而,在天文成像觀測中探測器的曝光時間通常很長,甚至達到了幾個小時的長曝光時間,尤其是觀測微弱的天體目標。在這樣長的時間尺度內(nèi),暗電流噪聲不可忽略。同時由于成像系統(tǒng)電子熱運動導(dǎo)致的熱噪聲也會淹沒掉原始信號,因此需要對探測器采取相應(yīng)的低溫制冷措施,從而降低暗電流和熱噪聲的影響。另一方面,當觀測明亮的天體目標或在曝光時間極短時,低溫制冷后的暗電流噪聲和系統(tǒng)熱噪聲可以忽略不計。但是,天體目標經(jīng)過探測器探測到后,通過后端電子學(xué)讀出系統(tǒng)輸出成像,圖像中包含有各種噪聲成分,此時讀出噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位,因此科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)還需要具備超低讀出噪聲能力。影響科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵部分主要有探測器組件,光學(xué)組件,成像控制器組件和低溫制冷組件。本論文將圍繞科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)成像控制器組件中的超低噪聲讀出技術(shù)、低噪聲電源輸出技術(shù)和高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),以及低溫制冷技術(shù)展開重點討論。并針對通用性強、擴展性好、集成度高等要求對系統(tǒng)構(gòu)架進行了研究�？茖W(xué)級CCD成像系統(tǒng)使用的低溫制冷技術(shù)需要解決低溫制冷、低溫保持、設(shè)備維護等問題。同時還需要滿足大多數(shù)科學(xué)級CCD探測器的低溫制冷需要。因此作為原型設(shè)計,本論文設(shè)計的低溫制冷系統(tǒng)采用基于液氮制冷的低溫杜瓦技術(shù),并設(shè)計了液氮杜瓦裝置。采用PID算法和PWM驅(qū)動方式,實現(xiàn)了制冷溫度可控的目標。超低噪聲讀出一直是科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)關(guān)注的關(guān)鍵指標,而電源系統(tǒng)的優(yōu)劣決定著該指標是否達到要求。為了滿足不同探測器工作的需要,本論文采用了可擴展的分層架構(gòu)對電源系統(tǒng)進行低噪聲電壓輸出設(shè)計。此外,本論文采用了高速高精度數(shù)字相關(guān)雙采樣(DCDS)讀出技術(shù)對科學(xué)級CCD探測器探測到的天體輻射信號進行處理。并設(shè)計了DCDS讀出技術(shù)的硬件電路(模擬低通濾波器硬件電路和高速高精度ADC數(shù)據(jù)采集硬件電路),完成了對圖像信號的初步采樣。同時還設(shè)計了基于FPGA的數(shù)字相關(guān)雙采樣邏輯,在FPGA端實現(xiàn)了數(shù)字相關(guān)雙采樣算法。此外,還討論了數(shù)字相關(guān)雙采樣算法的其他實現(xiàn)形式。作為高速高精度數(shù)字相關(guān)雙采樣技術(shù)的支撐技術(shù),以及為了滿足大規(guī)格科學(xué)級CCD和拼接CCD的高帶寬大數(shù)據(jù)量的傳輸需要,高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)成像控制器技術(shù)中的必不可少的技術(shù)組成部分,因此本論文采用了基于USB3.0的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)�；诔驮肼曌x出技術(shù)、低噪聲電源輸出技術(shù)、高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),和基于液氮制冷的低溫杜瓦技術(shù),本論文最后對科學(xué)級CCD成像原型系統(tǒng)進行了一系列的測試,并取得了科學(xué)級CCD成像原型系統(tǒng)成像的階段性成果。本論文的創(chuàng)新點可歸納為以下三個主要部分：1)通用性強、擴展性好、集成度高的系統(tǒng)構(gòu)架研究,完成了能夠兼容大多數(shù)科學(xué)級CCD探測器的科學(xué)級CCD成像原型系統(tǒng)。2)基于液氮制冷的低溫杜瓦技術(shù)研究,完成了具有通用性強,液氮維持時間長,真空度高,漏率低,制冷溫度可控,控溫范圍廣,控溫精度高,控溫速率可調(diào)的低溫杜瓦系統(tǒng)。3)低噪聲技術(shù)研究,完成了低噪聲電源以及高速高精度數(shù)字相關(guān)雙采樣技術(shù)讀出方案,并完成相關(guān)的硬件電路和算法,該方案具有低讀出噪聲,帶寬高,集成度高,受環(huán)境和器件影響小,成本低等特點。
【關(guān)鍵詞】：天文望遠鏡 科學(xué)級CCD 成像系統(tǒng) 數(shù)字相關(guān)雙采樣 低溫制冷
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH751
【目錄】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第1章 緒論12-32
• 1.1 成像系統(tǒng)概述12-16
• 1.2 現(xiàn)代望遠鏡成像系統(tǒng)16-27
• 1.2.1 探測器17-20
• 1.2.2 制冷系統(tǒng)20-25
• 1.2.3 成像控制器25-27
• 1.3 現(xiàn)代成像系統(tǒng)現(xiàn)狀27-31
• 1.3.1 大型綜合巡天望遠鏡(LSST)27-28
• 1.3.2 泛星計劃(Pan-STARRS)28-29
• 1.3.3 大天區(qū)多目標光纖光譜天文望遠鏡(LAMOST)29-31
• 1.4 成像系統(tǒng)研究目標31-32
• 第2章 科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)設(shè)計32-46
• 2.1 科學(xué)級CCD探測器32-33
• 2.2 成像系統(tǒng)設(shè)計方案33-43
• 2.2.1 低溫杜瓦方案33-37
• 2.2.2 成像系統(tǒng)架構(gòu)方案37-43
• 2.3 成像系統(tǒng)性能參數(shù)43-45
• 2.3.1 暗電流43-44
• 2.3.2 系統(tǒng)增益44
• 2.3.3 讀出噪聲44-45
• 2.4 成像系統(tǒng)設(shè)計目標45-46
• 第3章 低溫杜瓦系統(tǒng)設(shè)計46-54
• 3.1 總體結(jié)構(gòu)46-48
• 3.2 溫控設(shè)計48-50
• 3.3 PID算法50-54
• 第4章 成像控制器設(shè)計54-82
• 4.1 低噪聲電源設(shè)計58-59
• 4.2 CCD驅(qū)動/像素采集板設(shè)計59-60
• 4.3 數(shù)字相關(guān)雙采樣讀出設(shè)計60-68
• 4.3.1 模擬低通濾波器設(shè)計60-65
• 4.3.2 ADC電路設(shè)計65-67
• 4.3.3 DCDS算法67-68
• 4.4 FPGA邏輯設(shè)計68-71
• 4.4.1 CCD控制模塊69-70
• 4.4.2 DCDS處理模塊70-71
• 4.5 數(shù)字低通濾波器設(shè)計71-82
• 4.5.1 數(shù)字濾波器原理72-73
• 4.5.2 數(shù)字濾波器類型73-75
• 4.5.3 FIR濾波器設(shè)計75-79
• 4.5.4 FIR濾波器實現(xiàn)79-82
• 第5章 系統(tǒng)測試82-96
• 5.1 制冷測試82-86
• 5.2 電源測試86-89
• 5.3 成像系統(tǒng)測試89-96
• 5.3.1 成像測試89-91
• 5.3.2 增益與讀出噪聲測試91-94
• 5.3.3 暗電流測試94-96
• 第6章 總結(jié)與展望96-100
• 6.1 工作總結(jié)96-98
• 6.2 未來展望98-100
• 參考文獻100-106
• 致謝106-108
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文108

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 ;2002年應(yīng)用超導(dǎo)會議暨國際低溫制冷材料會議在西安召開[J];新材料產(chǎn)業(yè);2002年07期

2 紀軍;劉濤;吳劍峰;;重大項目“新型低溫制冷技術(shù)中的基礎(chǔ)問題”取得重要進展[J];中國科學(xué)基金;2013年05期

3 陳國邦;低溫制冷技術(shù)在高科技中的應(yīng)用[J];低溫與超導(dǎo);1994年03期

4 任靜,羅經(jīng)緯,孫中章;低溫制冷技術(shù)在光電器件中的應(yīng)用及發(fā)展[J];低溫與超導(dǎo);2000年04期

5 王哲;龔毅;吳學(xué)紅;侯鋒;李亞強;;二氧化碳低溫制冷特性與跨臨界應(yīng)用研究[J];低溫與超導(dǎo);2012年06期

6 張月;周峰;阮寧娟;吳立民;;空間紅外天文望遠鏡低溫制冷技術(shù)綜述[J];航天返回與遙感;2013年05期

7 ;[J];;年期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 ;第五屆國際低溫制冷會議在浙江大學(xué)成功舉行[A];浙江制冷（2013年第01期總第102期）[C];2013年

2 謝X;陳天及;余克志;王豐興;;一種新型環(huán)保低溫制冷系統(tǒng)[A];第七屆全國食品冷藏鏈大會論文集[C];2010年

3 陳林;張信榮;;低溫二氧化碳階梯串聯(lián)循環(huán)制冷系統(tǒng)實驗研究[A];走中國創(chuàng)造之路——2011中國制冷學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集[C];2011年

4 李文然;;空間低溫制冷控制系統(tǒng)的實時多中斷任務(wù)處理[A];第二十五屆全國空間探測學(xué)術(shù)研討會摘要集[C];2012年

5 康勇;;新型天然氣低溫制冷脫水裝置[A];制冷空調(diào)新技術(shù)進展——第三屆制冷空調(diào)新技術(shù)研討會論文集[C];2005年

6 蔡永生;;氨液再循環(huán)系統(tǒng)中氨泵最小倒灌高度的計算與分析[A];第四屆中國冷凍冷藏新技術(shù)新設(shè)備研討會論文集[C];2009年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 林勝釗;科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王振琛;飽和氣體發(fā)生器低溫制冷系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

，

本文編號：1107514