科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、從400多年前望遠(yuǎn)鏡誕生至今，在天體物理和宇宙科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)下，兼?zhèn)浯罂趶胶痛笠晥?chǎng)的天文望遠(yuǎn)鏡一直都是天文物理學(xué)家不斷追求的目標(biāo)。縱觀天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷程，天文望遠(yuǎn)鏡從光學(xué)波段擴(kuò)展到所有的電磁波段，從單純觀測(cè)天體的圖像發(fā)展到觀測(cè)天體的光譜，從地基望遠(yuǎn)鏡發(fā)展到空間望遠(yuǎn)鏡，甚至未來的月基望遠(yuǎn)鏡，天文物理學(xué)家利用這些天文望遠(yuǎn)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

2、料的科學(xué)級(jí)CCD探測(cè)器得益于高量子效率、超低讀出噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍在天文成像觀測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在天文成像觀測(cè)中探測(cè)器的曝光時(shí)間通常很長(zhǎng)，甚至達(dá)到了幾個(gè)小時(shí)的長(zhǎng)曝光時(shí)間，尤其是觀測(cè)微弱的天體目標(biāo)。在這樣長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)，暗電流噪聲不可忽略。同時(shí)由于成像系統(tǒng)電子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的熱噪聲也會(huì)淹沒掉原始信號(hào)，因此需要對(duì)探測(cè)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(dāng)觀測(cè)明亮的天體目標(biāo)或在曝光時(shí)間極短時(shí)，低溫制冷后的暗電

3、流噪聲和系統(tǒng)熱噪聲可以忽略不計(jì)。但是，天體目標(biāo)經(jīng)過探測(cè)器探測(cè)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(shí)讀出噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位，因此科學(xué)級(jí)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(jí)CCD成像系統(tǒng)成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵部分主要有探測(cè)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(jí)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)

4、展開重點(diǎn)討論。并針對(duì)通用性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、集成度高等要求對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行了研究。
　　科學(xué)級(jí)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(hù)等問題。同時(shí)還需要滿足大多數(shù)科學(xué)級(jí)CCD探測(cè)器的低溫制冷需要。因此作為原型設(shè)計(jì)，本論文設(shè)計(jì)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(jì)了液氮杜瓦裝置。采用PID算法和PWM驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了制冷溫度可控的目標(biāo)。
　　超低噪聲讀出一直是科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)關(guān)注的關(guān)鍵指

5、標(biāo)，而電源系統(tǒng)的優(yōu)劣決定著該指標(biāo)是否達(dá)到要求。為了滿足不同探測(cè)器工作的需要，本論文采用了可擴(kuò)展的分層架構(gòu)對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行低噪聲電壓輸出設(shè)計(jì)。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(duì)科學(xué)級(jí)CCD探測(cè)器探測(cè)到的天體輻射信號(hào)進(jìn)行處理。并設(shè)計(jì)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(duì)圖像信號(hào)的初步采樣。同時(shí)還設(shè)計(jì)了基于FPGA的數(shù)字相關(guān)雙采樣邏輯，在FPGA端實(shí)現(xiàn)了數(shù)

6、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(shí)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(jí)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(jí)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)。
　　基于超低噪聲讀出技術(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(duì)科學(xué)級(jí)CCD成

7、像原型系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的測(cè)試，并取得了科學(xué)級(jí)CCD成像原型系統(tǒng)成像的階段性成果。
　　本論文的創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為以下三個(gè)主要部分:
　　1)通用性強(qiáng)、擴(kuò)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(jí)CCD探測(cè)器的科學(xué)級(jí)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(qiáng)，液氮維持時(shí)間長(zhǎng)，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)。
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