CN103499434B - 一种ccd性能参数自动标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CCD性能参数自动标定的装置及方法。包括依次连接的控制模块、脉冲激光器、积分球、机械快门、被测CCD探测器及主控计算机；控制模块包括产生时钟信号的时钟脉冲产生电路、且依次连接的脉冲宽度自动调节电路、输出脉冲驱动能力放大电路、电源模块，控制模块还包括分别与脉冲宽度自动调节电路和机械快门连接的快门控制电路及分别与脉冲宽度自动调节电路和被测CCD探测器连接的CCD触发信号输出电路；电源模块包括激光器驱动电源和电源温度采集系统，电源模块还与脉冲激光器和脉冲宽度自动调节电路相连。本发明提出了一种高稳定性、高精度、高置信度、操作简单的CCD性能参数自动标定的装置及方法。

Description

一种CCD性能参数自动标定装置及方法

技术领域

本发明属光电测试领域，涉及一种可精确控制脉冲激光器功率线性输出和CCD同步采集，从而对面阵CCD动态范围、非线性度、信噪比等参数自动标定的装置及方法，尤其涉及一种CCD性能参数自动标定的装置及方法。

背景技术

在国家大科学工程大功率激光装置中，通常采用CCD采集近场图像，然后通过计算得到激光近场指标。为了减小CCD本身性能参数对近场测试的影响，需要对选用的CCD进行严格的筛选和标定。

CCD的动态范围、非线性度和信噪比是衡量CCD性能的重要参数。在对CCD的性能参数测试当中，需要能够线性改变均匀脉冲激光光源的功率，使CCD响应不同等级的灰度，从而得到CCD的动态范围、非线性度和信噪比。目前，线性改变均匀脉冲激光光源功率的方式有两种：一种是通过改变脉冲激光器的脉冲激励电流幅值实现功率线性输出，另一种是通过外置的不同倍率衰减片实现对激光器功率的线性调节。

通过改变脉冲激光器的脉冲激励电流幅值实现激光功率的的线性输出，这种方法需要对电流幅值进行采样并A/D转换，经过算法处理后用D/A的方式再去控制脉冲激励电流的幅值，由于A/D和D/A的过程均存在延时，通常都在μs级别，而激光器脉冲宽度小于1μs，因此这种方式在控制的过程中会存在不确定个数的激光脉冲参与输出，稳定性差，而且这种方法无法实现与激光输出功率改变的同时去同步CCD，无法满足对CCD性能参数自动化标定的要求。

“一种CCD探测器标定方法及装置”(专利公开号为：102032983A)提出了激光参数测量CCD探测器性能能参数标定的方法，该方法是利用不同倍率的衰减片实现对激光器输出功率的调节。这种方法对激光器能量线性调节的能力有限，仅决定于衰减器上的衰减片的衰减倍率，最终只能通过有限采样数据的差值拟合出CCD能量响应曲线。由于功率探测器与CCD之间没有同步信号存在，很难将CCD的响应灰度与激光器输出功率实时的结合起来，故对激光器输出功率的稳定性要求很高。激光器输出功率的线性调节、CCD的连续曝光、功率探测器对激光功率的持续探测，各部件之间相互独立，没有统一的控制，无法实现真正意义上的自动测试，而且CCD在帧转移过程中会出现拖尾现象。整个测试过程需要测试人员参与，无法避免人员操作带来的影响，重复性和测试精度很难得到保证。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，实现对CCD性能参数的自动标定，并提高测试精度，本发明提出了一种CCD性能参数自动标定的装置及方法。本发明采用改变激光器激励电源外部触发信号脉宽来精确控制脉冲激光器输出脉冲个数的方法来实现激光器输出功率的线性输出，并使标定装置各模块之间遵循严格的时序关系，从而实现对面阵CCD动态范围、非线性度、信噪比等参数的自动化标定。

本发明的技术解决方案为：

1.一种CCD性能参数自动标定装置，其特殊之处在于：包括依次连接的控制模块、脉冲激光器、积分球、机械快门、被测CCD探测器及主控计算机；

上述控制模块包括产生时钟信号的时钟脉冲产生电路、且依次连接的脉冲宽度自动调节电路、输出脉冲驱动能力放大电路、电源模块；

上述控制模块还包括分别与脉冲宽度自动调节电路和机械快门连接的快门控制电路及分别与脉冲宽度自动调节电路和被测CCD探测器连接的CCD触发信号输出电路；

上述电源模块包括激光器驱动电源和电源温度采集系统，电源模块还与脉冲激光器和脉冲宽度自动调节电路相连。

2.一种CCD性能参数自动标定方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】脉冲激光器输出脉冲激励周期为T，通过时钟脉冲产生电路产生频率为1Hz的时钟信号；将初始脉冲宽度设置为脉冲激光器输出脉冲激励周期，其频率稳定度＜1×10^-9，频率准确度＜1×10^-7；

2】在自动测试开始前2s，CCD触发信号输出电路触发被测CCD探测器曝光，此时的图像数据为暗电流；

3】脉冲宽度自动调节电路每一周期测试完成后将下一周期脉冲宽度自动按n×Tμs自动递增,n＝1,2,3，……,2000；

4】输出脉冲驱动能力放大电路将1Hz脉冲信号经功率放大后输出给电源模块，保证其驱动能力；通过步骤3】～步骤4】的过程控制脉冲激光器的线性输出；

5】电源模块内的温度采集系统将温度信息传回给脉冲宽度自动调节电路；

5.1]当激励电源温度高于激光器输出相对稳定性+1％对应的温度限定值时，输出能量超过预计稳定值，脉宽自动调节电路会缩短脉宽，使输出能量降低到稳定值；

5.2]当激励电源温度低于激光器输出相对稳定性-1％对应的温度限定值时，输出能量低于预计稳定值，脉宽自动调节电路加长脉宽，使输出能量升高至稳定值；

6】脉冲激光器输出激光通过积分球达到匀光的目的；

7】在脉冲激光器触发脉冲信号前10ms，CCD触发信号输出电路触发被测CCD探测器提前曝光，自动测试功能启动；

8】在步骤7】的同时，快门控制电路驱动机械快门打开，机械快门响应时间为10ms；在快门打开控制信号触发10ms后，脉冲激光器输出脉冲宽度自动调节电路触发脉冲激光器在脉宽为T的时间内输出，被测CCD探测器对脉冲激光响应；

脉冲激光器停止输出后，快门控制电路关闭机械快门，被测CCD探测器停止曝光，机械快门的关闭保证面阵CCD在帧转移时不出现拖尾；每下1秒，脉冲激光器触发脉冲信号前10ms，CCD触发信号输出电路触发被测CCD探测器提前曝光，重复步骤8】，且每次系统触发完成后，脉冲激光器输出脉冲宽度自动调节电路会自动重复步骤3】、步骤4】；

9】主控计算机通过被测CCD探测器采集到的图像数据，由暗电平灰度V_n和饱和灰度V_s通过公式SNR＝20lg(V_S/V_n)计算得到信噪比测试结果；

10】由暗电平图像数据至饱和图像灰度数据作为Y轴坐标点，以激光器输出能量作为X轴坐标点，绘制响应曲线；通过响应曲线计算CCD响应非线性度；

11】由饱和图像灰度90％对应的触发脉冲激光器脉冲宽度所包含的激励周期数N₁与暗电平灰度图像所对应的激光器脉冲宽度所包含的激励周期数N₂之比,即N₁/N₂，得出CCD动态范围。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用时钟产生电路产生与脉冲激光器脉冲周期一致的高稳定度、高准确度的单一频率信号，通过调节该信号的脉冲宽度内所包含的激光器电源激励周期的个数，实现脉冲激光器能量的线性输出控制。并使控制脉宽与电源激励输出能够完美的匹配，避免了控制延时带入的不稳定因素。

2、本发明加入了激光器电源的温度反馈，控制精度高，使脉冲激光器输出非线性度小于2‰；

3、本发明整个过程为自动递增脉宽，自动触发激光器，自动打开和关闭机械快门，自动触发CCD，主控计算机正常采集，各模块间有严格的时序关系，自动化程度高，测试过程无需人员的参与，避免了人员操作带来的误差；

4、本发明在CCD前端加装机械快门，避免了CCD帧转移过程中出现拖尾现象；

5、本发明使激光器输出功率和CCD实时采集同步，数据采集由计算机完成，从而将同一时刻的输出功率与CCD响应灰度结合起来，并保证了足够的采样点，提高了标定结果的置信度；

6、本发明操作简单，完全自动标定，控制精度高，重复性好，适用于CCD批量测试。

附图说明

图1为本发明CCD性能参数自动标定装置结构示意图；

图2为本发明脉冲宽度与激光器输出时序；

图3为本发明脉冲激光器、CCD触发信号以及快门间的时序；

其中，1-控制模块、2-积分球、3-积分球、4-机械快门、5-被测CCD探测器、6-主控计算机、7-时钟脉冲产生电路、8-脉冲宽度自动调节电路、9-输出脉冲驱动能力放大电路、10-电源模块、11-快门控制电路、12-CCD触发信号输出电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明由控制模块1、脉冲激光器2、积分球3、机械快门4、被测CCD探测器5和主控计算机6组成。其中，控制模块1由时钟脉冲产生电路7、脉冲宽度自动调节电路8、输出脉冲驱动能力放大电路9、电源模块10、快门控制电路11和CCD触发信号输出电路12组成。具体工作过程如下：

(1)脉冲激光器输出脉冲激励周期为T，通过时钟脉冲产生电路产生频率为1Hz的时钟信号。将初始脉冲宽度设置为脉冲激光器输出脉冲激励周期，其频率稳定度＜1×10^-9，频率准确度＜1×10^-7。

(2)在自动测试开始前2s，CCD触发信号输出电路触发CCD曝光，此时的图像数据为暗电流。

(3)脉宽自动调节电路在每下一周期将脉冲宽度自动按n×Tμs自动递增，n＝1,2,3，……,2000。

(4)输出脉冲驱动能力放大电路将1Hz脉冲信号经功率放大后输出给激光器电源，保证其驱动能力。通过(3)～(4)的过程控制脉冲激光器的线性输出，其时序关系如图2所示。

(5)激光器激励电源内的温度传感器将温度信息传回给脉宽自动调节电路，当激励电源温度高于激光器输出相对稳定性+1％对应的温度限定值时，输出能量超过预计稳定值，脉宽自动调节电路会缩短脉宽，使输出能量降低到稳定值；当激励电源温度低于激光器输出相对稳定性-1％对应的温度限定值时，输出能量低于预计稳定值，脉宽自动调节电路加长脉宽，使输出能量升高至稳定值。

(6)激光器输出激光通过积分球达到匀光的目的。

(7)在激光器触发脉冲信号前10ms，CCD触发信号触发CCD开始曝光，同时快门控制电路驱动机械快门打开，等待激光器输出；在激光器停止输出后，快门控制电路关闭机械快门，保证面阵CCD在帧转移时不出现拖尾现象。自动测试功能启动，激光器输出、快门以及CCD触发信号的时序关系如图3所示。

(8)主控计算机通过被测CCD探测器采集到的图像数据，由暗电平灰度V_n和饱和灰度V_s通过公式SNR＝20lg(V_S/V_n)计算得到信噪比测试结果；

(9)由暗电平图像数据至饱和图像灰度数据作为Y轴坐标点，以激光器输出能量作为X轴坐标点，绘制响应曲线；通过响应曲线计算CCD响应非线性度。

(10)由饱和图像灰度90％对应的触发脉冲激光器脉冲宽度所包含的激励周期数N₁与暗电平灰度图像所对应的激光器脉冲宽度所包含的激励周期数N₂之比(即N₁/N₂)，得出CCD动态范围。

Claims (1)

1.一种CCD性能参数自动标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】脉冲激光器输出脉冲激励周期为T，通过时钟脉冲产生电路产生频率为1Hz的时钟信号；将初始脉冲宽度设置为脉冲激光器输出脉冲激励周期，其频率稳定度＜1×10^-9，频率准确度＜1×10^-7；

2】在自动测试开始前2s，CCD触发信号输出电路触发被测CCD探测器曝光，此时的图像数据为暗电流；

3】脉冲宽度自动调节电路每一周期测试完成后将下一周期脉冲宽度自动按n×Tμs自动递增,n＝1,2,3，……,2000；

4】输出脉冲驱动能力放大电路将1Hz脉冲信号经功率放大后输出给电源模块，保证其驱动能力；通过步骤3】～步骤4】的过程控制脉冲激光器的线性输出；

5】电源模块内的温度采集系统将温度信息传回给脉冲宽度自动调节电路；

5.1]当激励电源温度高于激光器输出相对稳定性+1％对应的温度限定值时，输出能量超过预计稳定值，脉宽自动调节电路会缩短脉宽，使输出能量降低到稳定值；

5.2]当激励电源温度低于激光器输出相对稳定性-1％对应的温度限定值时，输出能量低于预计稳定值，脉宽自动调节电路加长脉宽，使输出能量升高至稳定值；

6】脉冲激光器输出激光通过积分球达到匀光的目的；

7】在脉冲激光器触发脉冲信号前10ms，CCD触发信号输出电路触发被测CCD探测器提前曝光，自动测试功能启动；

8】在步骤7】的同时，快门控制电路驱动机械快门打开，机械快门响应时间为10ms；在快门打开控制信号触发10ms后，脉冲激光器输出脉冲宽度自动调节电路触发脉冲激光器在脉宽为T的时间内输出，被测CCD探测器对脉冲激光响应；

脉冲激光器停止输出后，快门控制电路关闭机械快门，被测CCD探测器停止曝光，机械快门的关闭保证面阵CCD在帧转移时不出现拖尾；每下1秒，脉冲激光器触发脉冲信号前10ms，CCD触发信号输出电路触发被测CCD探测器提前曝光，重复步骤8】，且每次系统触发完成后，脉冲激光器输出脉冲宽度自动调节电路会自动重复步骤3】、步骤4】；

9】主控计算机通过被测CCD探测器采集到的图像数据，由暗电平灰度V_n和饱和灰度V_s通过公式SNR＝20lg(V_S/V_n)计算得到信噪比测试结果；

10】由暗电平图像数据至饱和图像灰度数据作为Y轴坐标点，以激光器输出能量作为X轴坐标点，绘制响应曲线；通过响应曲线计算CCD响应非线性度；

11】由饱和图像灰度90％对应的触发脉冲激光器脉冲宽度所包含的激励周期数N₁与暗电平灰度图像所对应的激光器脉冲宽度所包含的激励周期数N₂之比,即N₁/N₂，得出CCD动态范围。