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高光谱应用的带可调复位时间CDS的低噪声红外焦平面读出电路

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红外与毫米波学报 2024年第2期43卷 268-278页

作者：吴双梁清华陈洪雷丁瑞军中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

低辐射量的高光谱应用对红外焦平面读出电路(ROIC)提出了低噪声的设计要求。相关双采样(CDS)是常用的减少噪声的结构。本文通过调节钳位和采样保持之间的时间间隔来改进CDS,可灵活消除低频噪声。采用180 nm CMOS工艺设计和制造了640×51... 详细信息

低辐射量的高光谱应用对红外焦平面读出电路(ROIC)提出了低噪声的设计要求。相关双采样(CDS)是常用的减少噪声的结构。本文通过调节钳位和采样保持之间的时间间隔来改进CDS,可灵活消除低频噪声。采用180 nm CMOS工艺设计和制造了640×512规模、15μm像元中心距的读出电路。输入级集成了低噪声CTIA与本文提出的可调复位时间CDS(AICDS),所设计的时序产生器使CDS复位时间可以延长0~270个时钟周期。通过延长复位时间减少这个时间间隔,噪声电子数可以由39 e^(-)减少到18.3 e^(-)。SPECTRE仿真结果和实验测试结果证实了提出的AICDS结构可以提升高光谱应用读出电路的噪声性能,因此可以广泛应用。

关键词：高光谱成像读出电路可调时间间隔 CTIA CDS 低噪声

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空间天文望远镜自适应精密稳像闭环控制

光学精密工程 2024年第8期32卷 1153-1163页

作者：张泉魏传新高源蓬朱雨霁李清灵房陈岩周显宜尹达一中国科学院红外探测与成像技术重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083

针对空间天文望远镜低频段视轴扰动补偿问题,提出了一种基于主动光学技术的自适应精密稳像闭环控制方法。该方法以精细导星仪(Fine Guide Sensor,FGS)为高精度视轴扰动检测器,以四点支撑压电驱动大口径快摆镜机构(Fast Steering Mirror,... 详细信息

针对空间天文望远镜低频段视轴扰动补偿问题,提出了一种基于主动光学技术的自适应精密稳像闭环控制方法。该方法以精细导星仪(Fine Guide Sensor,FGS)为高精度视轴扰动检测器,以四点支撑压电驱动大口径快摆镜机构(Fast Steering Mirror,FSM)为视轴扰动补偿器。首先,采用位置式PID控制器串联积分环节进行精密稳像闭环控制,得到补偿FGS检测出的二维视轴扰动所需FSM的二维摆动角度,进而根据驱动结构转换为每个支撑点的压电陶瓷执行器(Piezoelectric actuators,PZT)的伸缩量。然后,利用基于广义Bouc-Wen逆模型的压电动态迟滞前馈补偿方法进行高精度的压电陶瓷执行器定位控制。最后,根据有监督的Hebb学习规则,利用具有自学习和自适应能力单神经元对PID控制器参数进行调整,从而得到最优控制器参数。实验结果表明,所提控制方法能够有效地补偿空间天文望远镜的视轴偏差,可以将精细导星仪X方向和Y方向的星点质心位置偏差功率谱密度在0~6 Hz频段内积分值分别抑制了98.54%和98.62%。

关键词：空间天文望远镜精密稳像精细导星仪大口径快摆镜机构迟滞补偿单神经元自适应PID控制

红外高光谱大气探测仪(FY-3E/HIRAS-Ⅱ)在轨数据非线性校正方法

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红外与毫米波学报 2024年第1期43卷 98-105页

作者：黄硕顾明剑胡勇杨天杭邵春沅张春明中国科学院红外探测与成像技术重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

风云三号E星(FY-3E)搭载的高光谱大气探测仪(HIRAS-Ⅱ)能够实现大气的垂直探测,具有高光谱、高灵敏度、高精度的特点。仪器在轨之后由于仪器衰减和环境变化的原因产生非线性响应,影响在轨定标精度。针对非线性响应的问题,提出了一种基... 详细信息

风云三号E星(FY-3E)搭载的高光谱大气探测仪(HIRAS-Ⅱ)能够实现大气的垂直探测,具有高光谱、高灵敏度、高精度的特点。仪器在轨之后由于仪器衰减和环境变化的原因产生非线性响应,影响在轨定标精度。针对非线性响应的问题,提出了一种基于带内光谱的非线性校正方法。首先基于带外低频光谱的非线性特征求解非线性校正系数,将此系数作为初值输入到辐射定标模型中,以星上测量的黑体带内光谱与理想光谱的偏差为目标函数,通过迭代优化非线性校正系数。通过辐射定标实验得出,校正后的黑体亮温偏差明显低于未校正和基于带外光谱的校正方法。将HIRAS-Ⅱ的观测数据与IASI进行交叉比对并计算平均亮温偏差和偏差绝对值,经过带内校正法非线性校正后的亮温平均偏差为-0.13 K,优于带外校正方法。

关键词： HIRAS-Ⅱ 非线性校正在轨定标带内光谱

消除CDS折叠效应的增益自适应红外焦平面读出电路

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红外与激光工程 2024年第5期53卷 83-94页

作者：吴双张健怡陈洪雷丁瑞军中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

高动态范围是红外焦平面探测技术的先进发展方向之一。高集成度像元读出电路的动态范围受到小电荷存储容量和噪声的限制。所设计的增益自适应像元读出电路,小信号下为电容反馈跨阻放大器(CTIA),大信号下自动转换为变阻抗电阻反馈跨阻放... 详细信息

高动态范围是红外焦平面探测技术的先进发展方向之一。高集成度像元读出电路的动态范围受到小电荷存储容量和噪声的限制。所设计的增益自适应像元读出电路,小信号下为电容反馈跨阻放大器(CTIA),大信号下自动转换为变阻抗电阻反馈跨阻放大器(RTIA),实现小信号大增益、大信号小增益的自动切换,将集成3.86 fF积分电容的CTIA电荷容量拓展到1.63 Me^(–)。在15μm像元中心距的像元内集成相关双采样(CDS)结构,大幅减小噪声。对CDS大信号注入产生的折叠效应进行理论分析,并设计抗折叠结构。采用180 nm 3.3V CMOS工艺,完成640×512规模的读出电路的设计、仿真、流片、测试。测试结果显示,该电路可消除CDS折叠效应,噪声电子数17 e^(–),动态范围拓展到99.66 dB。

关键词：红外焦平面读出电路增益自适应抗折叠CDS CTIA 高动态范围低噪声

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天文应用红外焦平面读出电路研究

红外与激光工程 2024年第1期53卷 55-67页

作者：梁清华魏彦峰陈洪雷郭晶丁瑞军中国科学院上海技术物理研究所红外探测全国重点实验室上海200083

成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点,为了实现探测器的高信噪比,需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略,在保证电路正常工作的前提... 详细信息

成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点,为了实现探测器的高信噪比,需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略,在保证电路正常工作的前提下尽可能地降低电路功耗以减小电路辉光对器件暗电流的影响。同时,研究非破坏性读出的数字功能,实现了超长的积分时间和信号的多帧累积,并作为一种斜坡采样的策略有效地降低读出噪声。短波HgCdTe焦平面的测试结果符合理论设计预期,开启电路非破坏性读出功能,设置6 000 s的积分时间,当电路功耗调低至14.04 mW时暗电流为0.9 e-·pixel^(-1)·s^(-1)。读出噪声在两档增益下分别为50 e-(10 fF)和27 e-(5 fF),非线性度低于0.1%。

关键词：红外天文观测红外焦平面读出电路低功耗非破坏性读出读出噪声

碲镉汞PIN结构雪崩器件的I区材料晶体质量研究

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红外与毫米波学报 2024年第2期43卷 174-178页

作者：沈川张竞杨辽郭慧君谢浩周梅华陈路何力中国科学院上海技术物理研究所红外材料与器件重点实验室上海200083

本文对中波红外PIN结构的碲镉汞(HgCdTe)雪崩器件关键雪崩区域的材料晶体质量进行研究。通过在实验材料上对PIN结构雪崩器件的全过程工艺模拟,采用微分霍尔、微分少子寿命等测试手段进行材料表征,评估获得了关键雪崩区域的真实材料晶体... 详细信息

本文对中波红外PIN结构的碲镉汞(HgCdTe)雪崩器件关键雪崩区域的材料晶体质量进行研究。通过在实验材料上对PIN结构雪崩器件的全过程工艺模拟,采用微分霍尔、微分少子寿命等测试手段进行材料表征,评估获得了关键雪崩区域的真实材料晶体质量。研究发现,现有优化工艺下雪崩区域的晶体质量良好,拟合材料的SRH寿命最好能达到20.7μs,可达到原生材料SRH寿命的相当水平,满足高质量中波碲镉汞雪崩器件的研制要求。同时,我们以获得的雪崩区域SRH寿命为基础,对HgCdTe APD结构器件进行相应2维数值模拟,获得理论最优的暗电流密度8.7×10^(-10) A/cm^(2)。

关键词：碲镉汞雪崩器件少子寿命暗电流

逐像元自适应增益成像系统的星上辐射定标方法

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红外与激光工程 2024年第2期53卷 134-147页

作者：李则危峻黄小仙汤瑜瑜中国科学院红外探测与成像技术重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

逐像元自适应增益成像系统通过在每个像元的电子链路中集成四档不同容积的积分电容,可以在确保高信噪比的前提下实现大动态范围的遥感成像需求。此成像系统在发射前测试时,由于甚低增益(ULG)的动态范围过大而实验室积分球能量有限,只能... 详细信息

逐像元自适应增益成像系统通过在每个像元的电子链路中集成四档不同容积的积分电容,可以在确保高信噪比的前提下实现大动态范围的遥感成像需求。此成像系统在发射前测试时,由于甚低增益(ULG)的动态范围过大而实验室积分球能量有限,只能通过与低增益(LG)的比例系数递推来间接对ULG后半量程的输出特性标定;星载太阳定标器反射能量过大会导致高增益(HG)和中增益(MG)输出饱和也无法直接测定辐射定标系数,只可通过比例系数推定。提出一种星上增益比例系数测定的方案,分别利用四档增益的输出作为特征对实验图像分类,将不同成像目标的输出码值作为多个定标能级,利用最小二乘法线性拟合相邻增益输出后得到相邻增益的比例系数。此方案验证了实验室增益比例系数测定结果,同时在外场成像实验中用该方法计算得到的比例系数用于相邻两档增益中较低增益图像反演较高增益图像,结果与实际较高增益图像对比归一化均方误差大部分小于0.01、两图像结构相关系数基本在90%左右、数据相关系数达到90%。证明该方法测定的相邻两增益比例相关系数有较高准确性,在星上辐射定标时用于高增益辐射定标系数的递推求取有极大的可行性,解决了星上不能直接对HG、MG辐射定标的问题。

关键词：星上辐射定标增益比例系数测定逐像元自适应增益成像系统大动态范围

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基于可见光红外扫描辐射计杂散光建模仿真

遥感学报 2024年第3期28卷 747-755页

作者：殷恺钮新华张锷中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室上海200083

杂散光对星载红外光学系统的影响体现在两个方面,一是成像质量会恶化,二是仪器定标精度会降低。因此,开展星载红外光学系统杂散光分析与抑制工作十分必要。本文以FY-3气象卫星的可见光红外扫描辐射计(VIRR)为研究对象,使用TracePro对仪... 详细信息

杂散光对星载红外光学系统的影响体现在两个方面,一是成像质量会恶化,二是仪器定标精度会降低。因此,开展星载红外光学系统杂散光分析与抑制工作十分必要。本文以FY-3气象卫星的可见光红外扫描辐射计(VIRR)为研究对象,使用TracePro对仪器成像光学系统进行建模仿真,得到了不同光谱通道在不同维度的点源透过率(PST)曲线。结合在轨仪器备份产品的杂散光实验室复测,对模型仿真与实测结果做了定性比对分析。通过分析PST曲线,找到了仪器可能受杂散光影响的光照角度;通过对卫星轨道参数进行仿真和分析,在考虑载荷间相互影响的情况下模拟了卫星穿越晨昏线时的光照射情况,获得了杂散光量级的初步结果。该工作还可以为同类载荷的消杂散光设计和太阳污染抑制提供参考,同时为遥感历史数据再定标提供基础支撑。

关键词：遥感可见光红外扫描辐射计(VIRR) 杂散光抑制点源透过率(PST) 太阳污染再定标

基于多图超分辨率重建的精细导星仪星点质心定位精度提升方法

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仪器仪表学报 2024年第3期45卷 306-314页

作者：王雯蕊张泉高源蓬房陈岩尹达一中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

精细导星仪的星点质心定位精度决定了空间天文望远镜的视轴姿态解算精度,为了提升精细导星仪的星点质心定位精度,提出了一种基于深度小波循环神经网络的星图超分辨率重建方法。首先,借助微扫描技术获取亚像素错位低分辨率星图序列,采用... 详细信息

精细导星仪的星点质心定位精度决定了空间天文望远镜的视轴姿态解算精度,为了提升精细导星仪的星点质心定位精度,提出了一种基于深度小波循环神经网络的星图超分辨率重建方法。首先,借助微扫描技术获取亚像素错位低分辨率星图序列,采用小波编码器提取低分辨率星图的小波域特征,通过小波系数约束低分辨率星图的噪声,并将亚像素错位星图序列配准过程融入到网络学习中。其次,利用卷积门循环神经单元对所提取的多星图序列特征进行融合。最后,使用逆小波解码器对多特征融合模块输出的小波域特征进行解码,从而实现基于低分辨率星图序列的去噪与超分辨率重建。实验结果表明,分别采用平方加权质心法求取原始星图和超分辨率重建后星图中的各星点的质心位置,相比于前者,后者的各星点平均质心定位精度和稳定度在X方向分别提升了64.76%和19.15%,在Y方向分别提升了75.35%和26.14%。

关键词：精细导星仪星点质心定位超分辨率重建小波信号处理卷积门循环神经网络