【摘要】：臭氧是大氣中一種重要的微量氣體。平流層中的臭氧對太陽紫外和可見光有吸收削弱作用,防止地球生物受到暴曬。對流層中的臭氧是一種重要的溫室氣體。過去幾十年間,平流層臭氧空洞和對流層臭氧污染問題引起了人們的極大關(guān)注。與此同時,星載大氣探測技術(shù)以其全天候,全球覆蓋觀測的特點得到了深入發(fā)展與應(yīng)用,至今國內(nèi)外已有十余顆大氣臭氧探測裝置發(fā)射入軌,并獲得了臭氧總量、垂直分布在內(nèi)的臭氧變化信息,為研究全球氣候變化、大氣污染防治提供了寶貴資料。我國2008年研制發(fā)射的FY-3紫外臭氧總量探測儀,通過測量大氣對太陽紫外輻射的后向散射,獲得了臭氧總量的全球分布,標志著我國星載大氣臭氧探測進入新階段。在此基礎(chǔ)上,我國還將發(fā)展新一代高光譜臭氧總量探測儀,其以幀轉(zhuǎn)移型面陣探測器CCD55-30為探測器件,研制了成像系統(tǒng)并對其性能參數(shù)進行測試驗證。為此,本文開展的研究工作和創(chuàng)新點包括以下幾個方面:(1)參與調(diào)試CCD55-30成像硬件電路,包括時序驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路、預處理和模擬前端電路、偏置電壓電路、FPGA控制電路,為CCD的正常工作提供硬件條件。測試FPGA的CCD驅(qū)動時序發(fā)生、信號數(shù)字相關(guān)雙采樣、灰度值緩存和傳輸?shù)裙δ�。建立CCD成像地面檢測系統(tǒng),測試CCD成像功能,驗證了CCD55-30成像電子學系統(tǒng)工作狀態(tài)的正確性。(2)建立CCD55-30成像系統(tǒng)的成像模型和噪聲模型,并對成像過程參數(shù)進行了梳理、總結(jié)了CCD成像性能參數(shù)的含義。對CCD測試系統(tǒng)進行了研究,包括光電成像器件性能參數(shù)1288測試系統(tǒng)和在實驗室里搭建的簡易CCD測試系統(tǒng),具體分析了其工作原理、結(jié)構(gòu)組成、驗證光源穩(wěn)定性和均勻性,對比了其優(yōu)缺點。(3)利用調(diào)節(jié)曝光時間和光功率密度的方法,分別測試了CCD成像系統(tǒng)的線性,結(jié)果表明該成像系統(tǒng)線性良好,調(diào)節(jié)曝光時間是測試線性的最佳方法。將最小曝光點對應(yīng)的信號灰度值作為可探測信號的下限,利用不同曝光時間的測試數(shù)據(jù)計算了CCD的動態(tài)范圍,更好地反映CCD對弱信號的探測能力。分析了降低讀出噪聲對提高動態(tài)范圍的影響、提出降低CCD襯底電壓對提高動態(tài)范圍的作用并予以實驗驗證。利用標準光功率計獲得輸入光功率密度,測試和計算CCD在不同波長下的量子效率。對該成像系統(tǒng)的溫度特性進行了測試,結(jié)果表明降溫可以有效降低CCD的暗電流、改善暗場圖像均勻性。(4)分析了CCD55-30灰度值圖像不均勻性的來源,以及利用暗信號非均勻性DSNU(e~-/pixel)和光響應(yīng)信號非均勻性PRNU(%)表示像素非均勻性的不足。創(chuàng)新性地提出暗電流非均勻性DCNU(e~-/pixel/s)和光電流非均勻性PCNU(%)的概念,并設(shè)計了設(shè)置多檔曝光時間,每檔曝光時間下采集多幀暗場(或亮場)圖像,再通過擬合求得暗電流(或“暗電流+光電流”)后以之為基礎(chǔ)計算DCNU和PCNU的方法。對利用新老方法求得的像素非均勻性進行了對比與分析,結(jié)果表明新方法測試數(shù)據(jù)更具有普遍適用性和說服力。(5)對CCD成像系統(tǒng)的信噪比進行了理論研究和實驗測試。根據(jù)成像過程的不同環(huán)節(jié),繪出了信噪比的理論曲線,之后對其進行了實驗驗證。創(chuàng)新性地采用無暗信號的Dummy Output通道輸出信號測試了成像系統(tǒng)的讀出噪聲,克服了傳統(tǒng)測試方法難以剔除暗電流噪聲的缺點。分析了影響信噪比的因素,并實驗驗證像素合并、多幀圖像疊加、提高AD9814增益都可以有效提高成像系統(tǒng)的信噪比,創(chuàng)新性地設(shè)計2行像素合并以及光譜通道增益可編程的驅(qū)動時序。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP73;V447.1
【圖文】：

第 1 章 緒論月光進行掩星探測（Ackerman et al., 1989；NationalAeronautics and SpaceAdministration, 2015）。實驗室定標、星上定標、在軌替代定標等儀器定標技術(shù)和定標精度也在不斷進步，觀測數(shù)據(jù)的定量化水平不斷提高（李聰，2010；徐秋云，2010；毛靖華，2017）。反演算法從最初的離散通道“通道對法”發(fā)展到“高光譜分辨率差分吸收光譜法”（DOAS，Differential Optical AbsorptionSpectroscopy），可以在不求解大氣輻射傳輸方程的情況下得到多種大氣微量成分的總量（Edner et al., 1993；Buchwitz et al., 2000；Veefkind et al., 2006）。探測目標也從最初的臭氧單一氣體發(fā)展到以臭氧為中心的多種大氣痕量成分以及云和氣溶膠聯(lián)合觀測。

高光譜臭氧總量探測儀 CCD 成像系統(tǒng)的設(shè)計和測試CCD 的發(fā)展及其在遙感中的應(yīng)用970 年美國貝爾實驗室的 WillardS.Boyle 和 GeorgeE.Smith 在金屬氧MOS）電容器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了 CCD 的概念（Janesick，2001；S。由于其量子效率高、感光波段寬、填充因子大、讀出速度快、線、功耗小等優(yōu)點，一問世就得到了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用（安毓英 等，

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本文編號：2722064