基于线阵电荷耦合元件静态光场式时栅位移传感器研究

延续前期关于磁场式和电场式时栅位移传感器的研究基础,根据时栅传感器的设计思想,提出并分析光场式时栅传感器的测量原理及实现方案。探索性地提出在静态光场下,用时序驱动的光电探测器构成匀速扫描测量方式,实现将被测对象的空间位移测量转换为时间差的测量。为了验证方案的可行性,用多个线阵电荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)构成圆阵列,实现CCD时栅原理样机设计。将相邻CCD输出信号的时间差变化量与匀速扫描的速度值相乘,经过适当的转换便可得到转轴的角位移大小,并可以判断位移的方向。所研制的原理样机,通过与精度为±1″的圆光栅(ROD880)对比测量,在整周范围内,测量误差控制在±6°以内。为光场式时栅的进一步研究,提供了可靠的理论和实践依据。

基于电荷耦合元件线阵的接触线磨损测量技术与应用

接触线磨损量的测量是改善弓网关系、确保列车正常运行的关键。针对相关技术的现状及发展,对基于DSP(数字信号处理器)和CCD(电荷耦合元件)线阵的非接触测量技术进行了研究。主要设计了利用一片DSP芯片完成对CCD的驱动和数据采集,阐述了芯片时序的产生和配合问题。然后通过图像处理技术对采集到的接触线磨损图像进行处理,从而计算出接触线的磨损量。根据工程测量的实际需要,设计了一套基于线阵CCD和DSP的接触线磨损量监测装置。提出采用线阵CCD和DSP及平行光构成的测量系统,测量精度高、响应时间短,适用于恶劣的工况环境。

基于电荷耦合元件的新型显色生物芯片识读仪的研究

针对目前市场上显色生物芯片检测设备存在的信号采集时间长、通量低、信噪比差、智能程度较低等问题,开发了一种高通量(1次检测8片)快速检测设备。该设备由硬件系统和软件系统两部分构成,采用基于i.MX6嵌入式操作系统,以电荷耦合元件(CCD)成像方式读取生物芯片上微阵列检测图像,通过芯片条码由软件自动完成微阵列图像处理以及数据分析和结果输出。本系统对标准灰度片以及标准格式芯片测量显示,光学测量误差小于0.1%,检测信号线性R2为98.7%,重复性CV值为1.096 1%。对200例临床检测芯片的对比研究结果显示,检测性能优于同类型已上市识读仪。

一种二相线阵电荷耦合器件的数据采集器设计

二相线阵电荷耦合元件是将奇、偶像元信号并行输出,在数据率提高的同时却导致信号处理变得更为复杂。基于此,以TCD1703C型二相线阵电荷耦合元件为例,提出了一种通过现场可编辑门阵列产生控制时序,并利用多通道数据处理芯片进行后续信号处理的方案。试验结果表明:该方案结构简单,性能稳定,功耗低,能够达到信号处理要求,为后续应用于微型血流变分析系统奠定了基础。

基于Visual C#的图像实时采集及处理

为满足机器视觉技术中图像采集和分析处理的实时性要求,设计一套图像在线采集和处理系统。通过设置摄像机和光源相关参数,解决软硬件的匹配兼容性问题;利用Visual C#直接调用像机动态链接库,实现图像采集卡资源的充分利用,提高系统运行效率;分析采集系统工作原理,给出图像处理步骤,优化各图像处理程序算法,增强显示图像清晰度。实验结果表明,该系统采集帧率最高可达18帧/秒,边缘轮廓提取能实现亚像素精度,在保证图像精度的基础上解决了实时性问题,为后续图像处理提供技术保障。

大动态针孔相机在ICF激光焦斑诊断中的应用

在神光Ⅲ原型装置上,作为主要诊断设备的X光针孔相机发挥了重要的作用。论文提出了一种基于4×4的多针孔阵列板,该针孔阵列板具有测量动态范围大、视场大、瞄准精度要求降低、更换滤片次数减少等特点。同时在神光Ⅲ原型实验中使得针孔相机的实验数据获取率得到提高。

基于模糊PID控制的激光投线仪光线调节系统

激光投线仪能提供水平线和铅垂线基准,适用于泵站建设中建筑物与机电设备安装的基准标定.为解决传统激光投线仪光线校准精度较低、调节速度慢、人为因素影响较大等问题,在对现有激光投线仪光线调校原理深入研究的基础上,提出了一种新型激光投线仪光线调节系统.首先,设计了一套光线调节平台,该平台采用伺服电动机驱动光线调节螺栓,调节光线的水平度和垂直度,并通过线阵电荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)检测激光线的水平度与垂直度来实现设备的校准;其次,基于模糊"比例-积分-微分"(proportion integration differentiation,PID)控制方法设计了用于实现光线自动调节的闭环控制系统.试验测试结果表明,所设计的光线调节平台调节过程平缓,速度快,水平度与垂直度都能控制在±1 mm范围内,满足出厂要求.

CCD与CMOS像素传感器γ射线电离辐射响应特性对比研究

为了研究CCD与CMOS像素传感器对γ射线电离辐射的响应差异,对比研究了4类像素传感器的结构特点和辐射响应特性。通过辐射实验,对各传感器在不同辐射水平条件下的光子响应事件分布、平均灰度值以及典型光子响应事件进行研究。研究结果表明:光子响应程度均与辐射剂量率相关;CCD像素传感器的沟道传输方式使每列像元间的辐射响应更容易相互干扰;平均灰度值随剂量率的增大存在明显的梯度,各积分周期内输出信号灰度值围绕均值上下波动,CCD像素传感器输出信号灰度浮动范围较小;CMOS像素传感器各像元对光子的响应更加明显,CCD像素传感器各像元的响应信号易与相邻像元发生串扰;各类像素传感器典型辐射响应事件区域中发生光子响应的像元数量随剂量率的增大而增多,响应事件并非单个光子的行为,而是反映了多个光子在区域内同时沉积能量的过程。本研究为开发像素传感器的γ射线辐射探测技术和应用提供了重要的理论分析和实验数据支撑。

低温下EMCCD电子倍增模型

了研究低温下电子倍增CCD(EMCCD)的电荷倍增特性,根据电子碰撞电离原理,建立了电离率模型;并依据雪崩倍增积分关系,针对所分析的EMCCD器件,建立了其低场强的倍增模型.通过倍增模型的理论计算结果与TI公司提供的实际器件TC285SPD和TC253SPD的倍增曲线比较,说明所提出模型的数据能够很好地拟合实际的倍增曲线.该模型可以方便地计算在固定栅极电压下的电子信号通过多级级联电子倍增寄存器后的总增益,进而可用于EMCCD相机的增益调整和校正.

CCD器件用机械泵驱动两相流体回路仿真与试验

电荷耦合元件(CCD)作为航天光学遥感器的核心部件之一,其工作性能受温度影响很大,传统的热控产品难以满足大功率CCD的精密控温需求。通过仿真与试验系统研究了机械泵驱动两相流体回路(MPTL)用于CCD控温时的启动特性、运行状态、内部工质的流动及传热特性。结果表明:MPTL可以通过干度的调节来吸收冷凝器外热流和CCD工作模式的影响; MPTL的控温精度可以达到±1℃,蒸发器并联支路、蒸发器负载和冷凝器温度在一定范围内变化等均不会对系统运行稳定性产生影响,其仍可将CCD器件控制在所需温度;通过仿真与试验对比,发现仿真模型的误差在±1℃以内,验证了模型的有效性和准确度。MPTL可以很好地满足航天光学遥感器CCD的控温要求,能够保证CCD始终具有较好的温度稳定性和均匀性,且系统具有良好的运行特性和鲁棒性,其在CCD精密控温方面具有很好的应用前景。

应用聚类神经网络的异纤检测多类光源优化设计

为使电荷耦合元件(CCD)精确采集处理异纤图像并对多类异纤进行检测,提出了一种基于模糊聚类神经网络的异纤检测多类光源优化设计方法。通过分析CCD成像与入射光能量的关系,推导出多类异纤检测的光源量,建立了CCD靶面曝光量函数,确定光源的最佳检测位置,通过图像参数方程,分析CCD背景板图像的光线分布及平均灰度,通过模糊聚类分析,综合考虑输入值的全部信息建立了多类光源的模糊聚类神经网络,对光源进行优化设计。设计结果表明,最佳检测位置是异纤处于中心位置,在光源数量为10,两侧距离为3 mm,神经网络的收敛误差均达到预期值,异纤检出率达到94.79%,符合企业异纤检测实际生产的要求。

双线阵CCD相机的畸变校正和标定方法

在双线阵CCD的三维重建中,对线阵CCD相机的标定和镜头畸变校正是基础环节。提出了一种用于三维重建中的双线阵CCD标定及镜头畸变校正方法。根据左右相机间的单应性关系,以及线阵CCD的成像原理,将双目相机间的空间关系分解成姿态角与错切角的关系。通过靶图数据的拟合,对姿态角和镜头畸变进行校正,根据求出的错切角完成相机间的标定,实现对具有镜头畸变的双线阵CCD的标定。实验结果表明,标定和校正精度满足后续三维重建中图像匹配的需求。

光纤传感系统中光斑中心亚像素定位算法

为了提高基于电荷耦合元件的光纤传感系统中光斑光强峰值的定位精度,在传统灰度重心法的基础上提出基于非线性权值和线性插值的峰值定位算法,在不同噪声情况下比较原重心法与改进的重心法的定位精度。实验结果表明,改进的算法能达到0.05个像元大小的定位精度,具有更高的定位精度和稳定性。

基于光散射法柴油发动机尾气颗粒测试分析

通过计算无因次参量(x)、散射光接收角(θ)、粒径(D)等参量和散射光强(Is)之间的数值关系,以及散射光接收立体角β和散射光通量(F)之间的数值关系,得到光散射法测量柴油发动机尾气颗粒粒径谱和单位体积中颗粒含量的理论依据。1)随着D的增大,Is显著增加并且分布随θ波动越大,某一散射角内Is与D之间不再具有成正比的一一对应关系,需测量多角度内Is而计算得到颗粒粒径谱;2)90°散射光接受范围附近光通量F与颗粒的相对体积D3参数具有很好的线性关系,通过测量F可得到颗粒单位体积的含量,并且选取散射光接收立体角β为30°,能够取得很好的测量效果。依据上述结论设计的测量装置用于柴油发动机台架的尾气粒径分布测量实验,并将该测量装置用于柴油发动机的尾气粒径分布的实际对比测试实验,结果表明该测量装置稳定性、实用性好,测量精度高,并具有实时、在线、不损坏样品等优点。

基于FPGA的实时钢轨图像采集与预处理

提出利用电荷耦合元件(CCD)和现场可编程门阵列(FPGA)实现钢轨图像实时采集与预处理,以解决人工检测钢轨效率低、实时性低等问题。在Quartus II中编写钢轨图像采集模块、读写模块、视频图形阵列(VGA)模块等,采用快速中值滤波和索贝尔(Sobel)边缘检测算法,实时显示预处理后的钢轨图像。试验结果表明FPGA能够实时采集钢轨图像,并快速检测出钢轨边缘轮廓,有效去除噪声干扰,实现钢轨图像的预处理。

一种场景无关的图像清晰度评价方法

图像清晰度是遥感相机调焦技术中度量离焦状况的关键参量,调焦系统根据对比不同焦面的图像清晰度来获取最佳焦面的位置。高分辨率线阵CCD遥感相机成像时地面场景不断变化,而常用的图像清晰度评价方法由于依赖景物不变性而失效,因此,文章提出了一种空域和频域相结合的清晰度评价方法。该方法在空域中提取图像内的有效边缘并计算得到图像有效边缘宽度;在频域中,仅抽取图像频域特定高频成分并得到高频成分的频谱强度均值,计算得到基于边缘宽度和高频强度的图像清晰度。经试验验证,该方法适用于场景不断变化的线阵CCD遥感相机图像清晰度的评价,相较传统方法更加准确有效。

X射线CCD标定及模拟

在北京同步辐射光源4B7B实验站上,采用透射光栅配X射线电荷耦合元件(CCD)的方法对单色光进行了检验,在优化高次谐波抑制方法后,开展了X射线CCD的灵敏度标定实验研究;在标定数据处理过程中,提出了等效曝光时间的概念,修正了快门开合造成的曝光时间误差。标定实验获得了100～1 500eV能区CCD的灵敏度,补充了300～600eV能区CCD灵敏度标定数据,验证了简化模型的正确性。

基于CCD自动巡线智能小车设计

为实现小车的自动巡线,采用CCD摄像头识别不同颜色的跑道,在测试时选择了黑线。CCD具有128×1个像素,每次可采集128个线阵的数据,将其二值化后转换为128个8位二进制数,通过A/D接口输出,与STM32微处理器连接。用软件进行采集处理,采用中值算法,找到黑线两边的边缘,确定黑线的中心点。计算出小车的中心点与黑线的中心点之间的偏移量,控制小车的左转、右转还是直行。用编码器对车轮测速,用速度PID算法控制小车的行驶,以实现自动巡线。测试结果表明:该CCD巡线智能车能够实现自动巡线功能,不仅可自动循迹黑线,还可循迹其它颜色的线条,使得小车的巡线速度得以提高,为自动循迹小车提供了一种新方法、新思路。

基于FPGA的CCD局部图像读取系统的设计与实现

为加快图像采集速度和加强对图像有效信息的充分利用,提出了一种基于FPGA的CCD局部图像读取系统的设计方法。采用VSP01M01作为驱动芯片,完成双采样、模数转换、增益放大等功能,在模拟前端设计特殊时序直接驱动CCD以产生局部信号,以FPGA作为图像采集系统的控制核心,完成了对局部图像的快速采集。该系统已在对针布、接插件等特定工件的检测中实现,实验结果表明,该系统性能稳定、数据传输的实时性强、图像品质高,局部图像传输速度高达114fps,充分满足了工业现场对相机采集速度的要求。

1k×1k CCD相机的ROI图像提取技术

采用Kodak CCD芯片1001研制了一个完整的具有ROI(region of interesting)图像感兴趣区域提取功能的CCD相机系统。运用CPLD编写了Pixel驱动,AD转换,数据锁存等时序,对结果进行仿真和分析。相机采用USB2.0通讯方式。编写USB采集软件实际采集了CCD相机ROI图像,验证了程序的正确性和可靠性。