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低噪声微光图像采集系统的研究

作　者: 王大勇
导　师: 宋开臣
学　校: 浙江大学
专　业: 电子信息技术及仪器
关键词: 微光图像采集 EMCCD 电子倍增驱动设计低噪声曝光同步
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

针对微光成像的高精度要求,研制了一套低噪声的微光图像采集系统。论文研究了低光照强度环境下图像的高精度采集技术,主要包括整体系统的设计和降噪手段的研究。围绕高灵敏度的科学级微光图像传感器,根据其最佳工作模式,设计了低噪声的驱动电路和高速采集电路,并研究了多模式驱动时序和曝光同步方法。针对系统的各项噪声,结合实际情况,通过以下手段进行降低：数字多相关采样,温度控制,电磁屏蔽,图像去噪声滤波。本文分为六章：第一章阐述了微光成像技术和电子倍增耦合器件(Electron Multiplication Charge Coupled Device, EMCCD)的国内外研究现状及应用,提出了本课题的研究内容和研究意义。第二章分析比较了常用的高性能微光图像传感器,结合其正常工作对直流偏置和驱动时序的要求,设计了高质量的时序驱动电路和高速、低抖动的采集电路。第三章在掌握EMCCD基本驱动时序的基础上,提出了多模式驱动和曝光同步方案,实现了无电子快门的曝光同步、曝光时间调节、电子倍增增益调节、开窗模式调节,并详细阐述了该方案的实现方法。第四章详细分析了EMCCD的所有噪声及其特性,提出多种有效的降噪方案。第五章设计实验对所设计的低噪声微光图像采集系统进行测试和验证。在验证实际驱动时序波形和模拟输出信号的正确性后,观察多模式驱动下的数字图像,最后设计实验分析降噪手段的实际效果和本系统实际的探测灵敏度。第六章对全文进行了扼要的总结,并提出了进一步的研究内容。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
插图目录  11-13
表格目录  13-14
第一章绪论  14-28
  1.1 低噪声微光图像采集系统的研究背景  14-15
  1.2 低噪声微光图像采集系统的国内外研究现状  15-25
    1.2.1 微光成像技术的国内外研究现状  15-20
    1.2.2 电子倍增CCD的工作原理及其研究现状  20-23
    1.2.3 基于EMCCD的图像采集系统的国内外研究现状  23-25
  1.3 低噪声微光图像采集系统的研究内容  25-26
  1.4 低噪声微光图像采集系统的研究意义  26-28
第二章低噪声微光图像采集系统整体设计  28-56
  2.1 微光图像传感器的选择及分析  28-34
    2.1.1 微光图像传感器的选择  28-30
    2.1.2 微光图像传感器CCD97内部结构和主要特性分析  30-34
  2.2 低噪声微光图像采集系统整体结构  34-36
  2.3 微光图像传感器的驱动电路设计  36-45
    2.3.1 驱动电路总体组成  36-37
    2.3.2 直流偏置的需求分析及设计  37-39
    2.3.3 驱动时序的需求分析及设计  39-41
    2.3.4 电子倍增时序实现方法  41-43
    2.3.5 温度控制分析及其实现方法  43-44
    2.3.6 前端输出电路分析及设计  44-45
  2.4 微光图像高速采集电路设计  45-54
    2.4.1 微光图像高速采集电路总体组成  45
    2.4.2 高速模数转换电路设计  45-47
    2.4.3 低噪声放大电路设计  47-49
    2.4.4 低抖动高速时钟设计  49-52
    2.4.5 数字处理平台设计  52
    2.4.6 高速并行VPFE总线的设计  52-54
  2.5 本章小结  54-56
第三章 EMCCD多模式驱动及曝光同步方法研究  56-66
  3.1 EMCCD驱动时序基本要求及分析  56-60
    3.1.1 驱动时序整体分析  56-57
    3.1.2 帧转移时序要求及分析  57-58
    3.1.3 行转移时序要求及分析  58
    3.1.4 像素转移时序要求及分析  58-59
    3.1.5 行快速清除时序要求及分析  59-60
  3.2 EMCCD多模式驱动时序设计  60-62
    3.2.1 EMCCD多模式驱动分析  60-61
    3.2.2 曝光时间可调的实现方法  61
    3.2.3 电子倍增增益可调的实现方法  61
    3.2.4 开窗模式可配置的实现方法  61-62
  3.3 EMCCD的曝光同步方法研究  62-64
    3.3.1 传统的曝光同步实现方法  62-63
    3.3.2 改进型曝光同步方法研究  63-64
  3.4 EMCCD多模式驱动及外同步方法的实现  64-65
    3.4.1 EMCCD多模式驱动及外同步的工作流程  64-65
    3.4.2 EMCCD多模式驱动及外同步的配置方法  65
  3.5 本章小结  65-66
第四章微光图像采集系统的降噪方法研究  66-82
  4.1 EMCCD噪声特性分析  66-71
    4.1.1 EMCCD的光子散粒噪声特性分析  66-67
    4.1.2 EMCCD的暗电流特性分析  67-68
    4.1.3 EMCCD的时钟感生电荷噪声特性分析  68-69
    4.1.4 EMCCD的读出噪声特性分析  69
    4.1.5 EMCCD的噪声因子特性分析  69-70
    4.1.6 EMCCD噪声综合分析  70-71
  4.2 微光图像采集系统降噪方法的总体分析  71-72
  4.3 数字多相关采样  72-76
    4.3.1 传统的双相关采样  72-73
    4.3.2 基于多点平均的数字多相关采样  73-74
    4.3.3 基于固定模板拟合的数字多相关采样  74-76
  4.4 硬件降噪方案研究  76-81
    4.4.1 合理的电磁屏蔽设计  76-77
    4.4.2 合理的电路设计  77
    4.4.3 选取最佳工作模式  77-79
    4.4.4 通过温度控制工作于低温状态  79-81
  4.5 微光图像的去噪声滤波  81
  4.6 本章小结  81-82
第五章低噪声微光图像采集系统的实现与分析  82-90
  5.1 EMCCD多模式驱动的实现与分析  82-86
    5.1.1 EMCCD驱动时序波形分析  82-84
    5.1.2 微光图像的多模式采集实验  84-86
  5.2 微光图像采集系统的降噪措施验证  86-87
    5.2.1 数字多相关采样的降噪效果  86-87
    5.2.2 中值滤波的降噪效果  87
  5.3 低噪声微光图像采集系统的探测灵敏度分析  87-89
    5.3.1 探测灵敏度的理论计算  87-88
    5.3.2 探测灵敏度的实验验证  88-89
  5.4 本章小结  89-90
第六章总结与展望  90-92
  6.1 低噪声微光图像采集系统的研制总结  90-91
  6.2 低噪声微光图像采集系统的研究展望  91-92
参考文献  92-100
攻读硕士学位期间所取得的科研成果  100

低噪声微光图像采集系统的研究

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