【摘 要】
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电子倍增CCD(EMCCD)是真正意义上的全固态微光成像器件,属于新兴器件。其高灵敏度、全天候成像等技术特点在军事、天文等领域有非常重要的应用。国内对EMCCD器件和成像系统的研究已经攻克了许多关键技术,但是与国外顶尖厂商还有一定的差距。本文针对EMCCD复杂的驱动要求,设计了一款通用型EMCCD成像系统。在不增加体积的同时,支持多款型号的EMCCD芯片,为进一步研究成像系统的小型化奠定基础。本文
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电子倍增CCD(EMCCD)是真正意义上的全固态微光成像器件,属于新兴器件。其高灵敏度、全天候成像等技术特点在军事、天文等领域有非常重要的应用。国内对EMCCD器件和成像系统的研究已经攻克了许多关键技术,但是与国外顶尖厂商还有一定的差距。本文针对EMCCD复杂的驱动要求,设计了一款通用型EMCCD成像系统。在不增加体积的同时,支持多款型号的EMCCD芯片,为进一步研究成像系统的小型化奠定基础。本文从EMCCD工作原理出发,分析了噪声的产生和成像系统的应对方法。根据其对驱动信号的要求,设计了以FPGA为控制核心的硬件驱动电路。选取专用IC进行时钟驱动,通过仿真证明功能实现,并且可减小噪声;利用DAC和滤波放大电路产生正弦波作为EMCCD的倍增驱动信号,可以实现频率、相位、幅值连续可调,而且功耗低,波形更稳定。针对EMCCD输出信号微弱的特点,设计了前置放大电路,并使用相关双采样电路去除复位噪声。模数转换后经过FPGA处理后通过Camera link输出,更方便灵活。FPGA外挂了DDR2,为在线图像处理改善图像质量提供资源。软件上使用Verilog HDL语言编写代码,根据EMCCD的复杂的时序要求产生符合的波形并进行仿真和验证;根据ADC的时序要求产生对应的波形对图像模拟信号进行采样,然后量化输出;根据EMCCD倍增特有特性,利用FPGA做自动增益处理。所有模块都是独立可移植的,具有一定的通用性,可缩短其他EMCCD相机的开发周期。本文最后对成像系统进行联合调试,在实现系统功能的基础上对系统性能做整体分析,包括暗场噪声、信噪比、动态范围、调制传递函数等参数测试和对分辨率靶的实际成像,并与市场上两款主流相机进行了对比实验。结果表明:与安道尔Luca相机和滨松C9100相机相比,该系统的暗场噪声和信噪比参数上优于两款相机,动态范围和调制传递函数参数与这两款相机接近。同时分析了不同积分时间、不同倍增增益下的成像效果,证明在功能和性能上,本文成像系统都达到了较高水平。
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