CN111093071A - 一种emccd电子倍增增益的标定方法 - Google Patents

Abstract

一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，在驱动信号最佳工作相位下，以EMCCD输出随驱动电压变化的单调递增起始点为一倍增益驱动电压预设值，通过线性插值获取插值增益序列，并通过插值增益序列确定对应电压估计值序列及EMCCD输出序列，计算最终获取电子倍增实际增益序列，利用电子倍增实际增益序列进行标定精度判读同时对不满足标定精度的产品进行重复标定，标定方法流程清晰、标定精度高。

Description

一种EMCCD电子倍增增益的标定方法

技术领域

本发明涉及一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，特别是无需建立电子倍增器件驱动电压与工作增益的数学模型，直接标定EMCCD电子倍增增益的方法，属于EMCCD电子倍增标定技术领域。

背景技术

EMCCD电子倍增增益的实现是通过控制其高电压驱动信号的幅值，实现对信号电荷的不同程度的放大。一般高电压驱动信号为正弦波或方波。对电子倍增增益的标定实际上是对增益与驱动信号幅值和相位的对应关系的标定。

理论上，电子倍增增益与驱动信号幅值的对应关系可以通过建立两者关系的函数模型得到，然而不足之处是：无论函数的建模，还是参数的标定，都让这个过程更加复杂化。而且函数预测的系统误差，参数标定引入的测量误差和估计误差都将导致标定的结果误差较大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种标定EMCCD电子倍增增益的直接方法，无需建立电子倍增器件驱动电压与工作增益的数学模型，即可完成高精度的标定，方法简单、直接，大大提高了电子倍增标定工作的效率。

本发明的技术解决方案是：

一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，具体步骤为：

(1)以EMCCD正弦驱动信号输出最大值对应相位为驱动信号最佳工作相位，于驱动信号最佳工作相位条件下，根据一倍增益驱动电压预设值Vint进行一定电压范围的驱动电压调节，直至找到电压调节范围内EMCCD输出最低点对应的驱动电压值V₀，根据电压值V₀获取一倍增益驱动电压值V₁；

(2)根据待标定增益序列[A₁，A₂，……，A_n]做线性插值获取插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]，并根据插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]确定各插值增益对应的驱动电压估计值序列[V₁，V₂，……，V_2n]及该驱动电压估计值序列对应的EMCCD输出序列[D₁，D₂，……，D_2n]；

(3)利用步骤(2)所得EMCCD输出序列[D₁，D₂，……，D_2n]计算驱动电压估计值序列对应的实际增益初始序列[C₁，C₂，……，C_2n]，计算公式如下：

C_2n/C_2n-1＝D_2n/D_2n-1

(4)利用实际增益初始序列[C₁，C₂，……，C_2n]及驱动电压估计值序列[V₁，V₂，……，V_2n]计算插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]对应的驱动电压拟合值序列[V₁’，V₂’，……，V_2n’]，并记录驱动电压拟合值序列对应的EMCCD输出序列[D₁’，D₂’，……，D_2n’]；

(5)根据步骤(4)所得驱动电压拟合值序列对应的EMCCD输出序列计算驱动电压拟合值序列对应的电子倍增实际增益序列[C₁’，C₂’，……，C_2n’]，具体公式为：

C_2n’/C_2n-1’＝D_2n’/D_2n-1’

(6)通过电子倍增实际增益序列获取待判读增益序列[C₁’，C₃’，……，C_2n-1’]，并计算待判读增益序列与待标定增益序列差值序列，及该差值序列与待标定增益序列比值序列，并判断该比值序列中最大比值是否满足标定精度判定条件，若最大比值超出标定精度，则进入步骤(7)，直至最大比值不大于标定精度，输出完成标定序列[V₁’，V₃’，……，V_2n-1’]；若最大比值不大于标定精度，则完成标定并输出完成标定序列；

(7)以电子倍增实际增益序列作为新的实际增益初始序列，以驱动电压拟合值序列作为新的驱动电压估计值序列，并重复步骤(4)～步骤(6)。

对待标定增益序列进行标定过程中均需采取温控措施。

所述步骤(1)中，驱动信号最佳工作相位确定方法如下：

由0-360度相位区间内，每间隔20度采集EMCCD输出，获取最大输出点所在的相位区间R_min-R_max，并于该相位区间内每间隔1度采集EMCCD输出以获取最大输出点对应相位值作为驱动信号最佳工作相位。

所述步骤(1)EMCCD输出为去掉EMCCD正弦驱动信号中缺陷像元及闪元后其它像元的平均值或待标定EMCCD有效成像区域内像元的平均值。

所述驱动信号最佳工作相位获取方法如下：

于预设相位区间及预设电子倍增增益放大倍数区间内，调节光源辐照度直至EMCCD输出于任何相位条件下均不饱和且最大输出大于50％满量程，将此时相位作为驱动信号最佳工作相位获取范围。

所述步骤(1)中，驱动电压调节的一定电压范围具体为：

以V_int*1％为步进调整范围由V_int-V_int*10％至V_int+V_int*10％。

所述一倍增益驱动电压值V₁的获取方法为：

V₁＝V₀(1+P)，P为0.05-0.1。

所述步骤(2)中，当当前插值增益序列B_n、对应的EMCCD输出值超过90％满量程时，通过调节光源辐照度直至B_n-1对应的EMCCD输出值为10％±1满量程。

根据所述插值增益序列获取对应驱动电压估计值序列的方法具体为：

调整驱动电压为V₁，记录此时EMCCD输出D₁，调节驱动电压直至EMCCD输出为B₂D₁(10％±1)，记录此时驱动电压为V₂，以此类推直至获取驱动电压估计值序列。

所述插值增益序列为对实际增益初始序列进行保形分段三次Hermite插值获得。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提供的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，无需建立EMCCD驱动电压与电子倍增增益的函数模型，也免去了参数估计的数据处理过程，用保形插值和逐次逼近的方法直接获取需要标定的数据，同时需要标定的增益中间增加一倍的采样点，确保产品的输出曲线形状及精度，从而提高目标点逼近的速度及准确性；

(2)本发明采用的标定过程中，采用逐次逼近的方法确保标定误差可控，同时包含自我验证的过程，不需安排二次验证实验，标定方法流程清晰，标定精度较高，标定步骤可控，不会受其他环境因素影响。

附图说明

图1是本发明EMCCD电子倍增增益标定的流程图。

具体实施方式

一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，如图1所示，本发明具体流程为：

(1)以EMCCD正弦驱动信号输出最大值对应相位为驱动信号最佳工作相位，于驱动信号最佳工作相位条件下，根据一倍增益驱动电压预设值V_int进行一定电压范围的驱动电压调节，直至找到电压调节范围内EMCCD输出最低点对应的驱动电压值V₀，根据电压值V₀获取一倍增益驱动电压值V₁，其中：

对待标定增益序列进行标定过程中均需采取温控措施，保证器件工作温度恒定；

驱动信号最佳工作相位确定方法如下：

由0-360度相位区间内，每间隔20度采集EMCCD输出，获取最大输出点所在的相位区间R_min-R_max，并于该相位区间内每间隔1度采集EMCCD输出以获取最大输出点对应相位值作为驱动信号最佳工作相位；

同时，EMCCD输出为去掉EMCCD正弦驱动信号中缺陷像元及闪元后其它像元的平均值或待标定EMCCD有效成像区域内像元的平均值，驱动信号最佳工作相位获取方法如下：

于预设相位区间及预设电子倍增增益放大倍数区间内，调节光源辐照度直至EMCCD输出于任何相位条件下均不饱和且最大输出大于50％满量程，将此时相位作为驱动信号最佳工作相位获取范围；

驱动电压调节的一定电压范围具体为：

以V_int*1％为步进调整范围由V_int-V_int*10％至V_int+V_int*10％；

一倍增益驱动电压值V₁的获取方法为：

V₁＝V₀(1+P)，P为0.05-0.1；

(2)根据待标定增益序列[A₁，A₂，……，A_n]做线性插值获取插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]，并根据插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]确定各插值增益对应的驱动电压估计值序列[V₁，V₂，……，V_2n]及该驱动电压估计值序列对应的EMCCD输出序列[D₁，D₂，……，D_2n]，其中：

当当前插值增益序列B_n、对应的EMCCD输出值超过90％满量程时，通过调节光源辐照度直至B_n-1对应的EMCCD输出值为10％±1满量程；

根据所述插值增益序列获取对应驱动电压估计值序列的方法具体为：

调整驱动电压为V₁，记录此时EMCCD输出D₁，调节驱动电压直至EMCCD输出为B₂D₁(10％±1)，记录此时驱动电压为V₂，以此类推直至获取驱动电压估计值序列；

获取插值增益序列的过程中，A₁＝B₁＝1，[B₁，B₂，……，B_2n]插值的原则是：B_2n-1＝A_n，B_2n＝A_n*1.5；

(3)利用步骤(2)所得EMCCD输出序列[D₁，D₂，……，D_2n]计算驱动电压估计值序列对应的实际增益初始序列[C₁，C₂，……，C_2n]，计算公式如下：

C_2n/C_2n-1＝D_2n/D_2n-1

(4)利用实际增益初始序列[C₁，C₂，……，C_2n]及驱动电压估计值序列[V₁，V₂，……，V_2n]计算插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]对应的驱动电压拟合值序列[V₁’，V₂’，……，V_2n’]，并记录驱动电压拟合值序列对应的EMCCD输出序列[D₁’，D₂’，……，D_2n’]，其中：

插值增益序列为对实际增益初始序列进行保形分段三次Hermite插值获得；

(5)根据步骤(4)所得驱动电压拟合值序列对应的EMCCD输出序列计算驱动电压拟合值序列对应的电子倍增实际增益序列[C₁’，C₂’，……，C_2n’]，具体公式为：

C_2n’/C_2n-1’＝D_2n’/D_2n-1’

(6)通过电子倍增实际增益序列获取待判读增益序列[C₁’，C₃’，……，C_2n-1’]，并计算待判读增益序列与待标定增益序列差值序列，及该差值序列与待标定增益序列比值序列，并判断该比值序列中最大比值是否满足标定精度判定条件，若最大比值超出标定精度，则进入步骤(7)，直至最大比值不大于标定精度，输出完成标定序列[V₁’，V₃’，……，V_2n-1’]；若最大比值不大于标定精度，则完成标定并输出完成标定序列；

(7)以电子倍增实际增益序列作为新的实际增益初始序列，以驱动电压拟合值序列作为新的驱动电压估计值序列，并重复步骤(4)～步骤(6)。

遍历电子倍增驱动信号全周期相位后，确定驱动信号最佳工作相位；以EMCCD输出随驱动电压变化的单调递增起始点为基准，确定一倍增益对应的电压；对待标定的增益A₁-A_n做线性插值得到增益序列B₁-B_2n；粗测实现增益B₁-B_2n对应的驱动电压V₁-V_2n的获取，计算各电压下电子倍增的实际增益C₁-C_2n；已知C₁-C_2n与V₁-V_2n，函数插值获得B₁-B_2n对应的驱动电压V₁’-V_2n’；实测电压V₁’-V_2n’对应的实际增益C₁’-C_2n’；若增益C₁’-C_2n-1’与增益A₁-A_n的最大差值满足标定精度则结束标定，否则将C₁-C_2n赋值给C₁’-C_2n-1’，V₁-V_2n赋值给V₁’-V_2n’，重复获得V₁’-V_2n’，C₁’-C_2n’的过程。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

(1)启动EMCCD温控设施，将器件温度控制在-20±0.2摄氏度；

(2)以积分球为EMCCD电子倍增增益标定的标准光源，在EMCCD电子倍增驱动信号的初始相位下，调节驱动电压幅值至电子倍增增益实现5-6倍放大，调节光强至EMCCD输出为满量程的50％-60％。

(3)先以20度为间隔遍历EMCCD驱动信号全周期相位0-360度，获得对应最大输出的相位区间R_min-R_max，再以1度为间隔遍历相位区间R_min-R_max，选择EMCCD输出最大值对应相位为驱动信号最佳工作相位；

(4)EMCCD在步骤(1)获得的最佳工作相位下，调节驱动电压至实现一倍电子倍增增益的电压初值20V，调节光强至EMCCD的输出为满量程的50％-60％；

(5)调节电子倍增驱动电压幅值从18V至22V，每次步进0.2V，计算EMCCD的输出，并记录；绘制EMCCD输出随驱动电压的变化曲线，确定曲线单调递增的起始点V₀，并设定V₁＝V₀+1为一倍增益驱动电压值；

(6)将待标定的增益序列[1，2，4，8，16，32，64]做线性插值，得到插值增益序列[1，1.5，2，3，4，6，8，12，16，24，32，48，64，96]；

(7)设置EMCCD电子倍增驱动电压为V₁，调节光强至EMCCD输出达满量程的10％±1，计算EMCCD输出的平均值并记录为D1；调节驱动电压直至EMCCD的输出相比D₁放大1.35-1.65倍，记录电压为V₂，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₂，利用公式C₂/C₁＝D₂/D₁，计算得C₂；继续调节驱动电压至EMCCD的输出相比D₁放大1.9-2.1倍，记录电压为V₃，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₃，利用公式C₃/C₁＝D₃/D₁，计算得C₃；重复该过程，直至记录V₇，得到C₇；

(8)在EMCCD电子倍增驱动电压为V₇下，调节光强至EMCCD输出达满量程的10％±1，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₇；调节驱动电压直至EMCCD的输出相比D₇放大1.35-1.65倍，记录电压为V₈，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₈，利用公式C₈/C₇＝D₈/D₇，计算得C₈；继续调节驱动电压至EMCCD的输出相比D₇放大1.9-2.1倍，记录电压为V₉，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₉，利用公式C₉/C₇＝D₉/D₇，计算得C₉；重复该过程，直至记录V₁₄，得到C₁₄；

(9)已知实现增益[C₁，C₂，……，C₁₄]及对应的驱动电压[V₁，V₂，……，V₁₄]，利用保形分段三次Hermite插值的方法计算增益[B₁，B₂，……，B₁₄]对应的驱动电压[V₁’，V₂’，……，V₁₄’]；

(10)设置EMCCD电子倍增驱动电压为V₁’，调节光强至EMCCD输出达满量程的10％±1，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₁’；调节驱动电压为V₂’，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₂’，利用公式C₂’＝D₂’/D₁’，计算得C₂；调节驱动电压为V₃’，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₃’，利用公式C₃’＝D₃’/D₁’，计算得C₃；重复该过程，直至记录D₇’，利用公式C₇’＝D₇’/D₁’，计算得到C₇’；

(11)在EMCCD电子倍增驱动电压为V₇’下，调节光强至EMCCD输出达满量程的10％±1，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₇’；调节驱动电压为V₈’，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₈’，利用公式C₈’/C₇’＝D₈’/D₇’*，计算得C₈；调节驱动电压为V₉’，计算EMCCD输出的平均值并记录为D₉’，利用公式C₉’/C₇’＝D₉’/D₇’，计算得C₉；重复该过程，直至记录D₁₄’，利用公式C₁₄’＝D₁₄’/D₇’，计算得到C₁₄’；

(12)计算E＝max([C₁’，C₃’，C₅’，C₇’，C₉’，C₁₁’，C₁₃’]-[A₁，A₂，A₃，A₄，A₅，A₆，A₇])，若误差E大于标定精度Ee，则将[C1’，C2’，……，C14’]赋值给[C1，C2，……，C14]，[V1’，V2’，……，V14’]赋值给[V1，V2，……，V14]，并重复步骤(5)--步骤(7)，若误差E小于标定精度Ee，则标定实验结束；

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)以EMCCD正弦驱动信号输出最大值对应相位为驱动信号最佳工作相位，于驱动信号最佳工作相位条件下，根据一倍增益驱动电压预设值V_int进行一定电压范围的驱动电压调节，直至找到电压调节范围内EMCCD输出最低点对应的驱动电压值V₀，根据电压值V₀获取一倍增益驱动电压值V₁；

(2)根据待标定增益序列[A₁，A₂，……，A_n]做线性插值获取插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]，并根据插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]确定各插值增益对应的驱动电压估计值序列[V₁，V₂，……，V_2n]及该驱动电压估计值序列对应的EMCCD输出序列[D₁，D₂，……，D_2n]；

(3)利用步骤(2)所得EMCCD输出序列[D₁，D₂，……，D_2n]计算驱动电压估计值序列对应的实际增益初始序列[C₁，C₂，……，C_2n]，计算公式如下：

C_2n/C_2n-1＝D_2n/D_2n-1

(4)利用实际增益初始序列[C₁，C₂，……，C_2n]及驱动电压估计值序列[V₁，V₂，……，V_2n]计算插值增益序列[B₁，B₂，……，B_2n]对应的驱动电压拟合值序列[V₁’，V₂’，……，V_2n’]，并记录驱动电压拟合值序列对应的EMCCD输出序列[D₁’，D₂’，……，D_2n’]；

(5)根据步骤(4)所得驱动电压拟合值序列对应的EMCCD输出序列计算驱动电压拟合值序列对应的电子倍增实际增益序列[C₁’，C₂’，……，C_2n’]，具体公式为：

C_2n’/C_2n-1’＝D_2n’/D_2n-1’

(6)通过电子倍增实际增益序列获取待判读增益序列[C₁’，C₃’，……，C_2n-1’]，并计算待判读增益序列与待标定增益序列差值序列，及该差值序列与待标定增益序列比值序列，并判断该比值序列中最大比值是否满足标定精度判定条件，若最大比值超出标定精度，则进入步骤(7)，直至最大比值不大于标定精度，输出完成标定序列[V₁’，V₃’，……，V_2n-1’]；若最大比值不大于标定精度，则完成标定并输出完成标定序列；

(7)以电子倍增实际增益序列作为新的实际增益初始序列，以驱动电压拟合值序列作为新的驱动电压估计值序列，并重复步骤(4)～步骤(6)。

2.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：对待标定增益序列进行标定过程中均需采取温控措施。

3.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，驱动信号最佳工作相位确定方法如下：

由0-360度相位区间内，每间隔20度采集EMCCD输出，获取最大输出点所在的相位区间R_min-R_max，并于该相位区间内每间隔1度采集EMCCD输出以获取最大输出点对应相位值作为驱动信号最佳工作相位。

4.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：所述步骤(1)EMCCD输出为去掉EMCCD正弦驱动信号中缺陷像元及闪元后其它像元的平均值或待标定EMCCD有效成像区域内像元的平均值。

5.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：所述驱动信号最佳工作相位获取方法如下：

于预设相位区间及预设电子倍增增益放大倍数区间内，调节光源辐照度直至EMCCD输出于任何相位条件下均不饱和且最大输出大于50％满量程，将此时相位作为驱动信号最佳工作相位获取范围。

6.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，驱动电压调节的一定电压范围具体为：

以V_int*1％为步进调整范围由V_int-V_int*10％至V_int+V_int*10％。

7.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：所述一倍增益驱动电压值V₁的获取方法为：

V₁＝V₀(1+P)，P为0.05-0.1。

8.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，当当前插值增益序列B_n、对应的EMCCD输出值超过90％满量程时，通过调节光源辐照度直至B_n-1对应的EMCCD输出值为10％±1满量程。

9.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：根据所述插值增益序列获取对应驱动电压估计值序列的方法具体为：

调整驱动电压为V₁，记录此时EMCCD输出D₁，调节驱动电压直至EMCCD输出为B₂D₁(10％±1)，记录此时驱动电压为V₂，以此类推直至获取驱动电压估计值序列。

10.根据权利要求1所述的一种EMCCD电子倍增增益的标定方法，其特征在于：所述插值增益序列为对实际增益初始序列进行保形分段三次Hermite插值获得。

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