激光对面阵CCD成像干扰的数值仿真和实验研究

论文摘要

电荷耦合器件CCD受到强激光辐照时,成像质量会因为激光的干扰从而下降,导致图像失真。激光对CCD的损伤效应分为可逆的软损伤和不可逆的硬破坏。CCD成像器件的激光饱和机理分析以及激光饱和阈值测定是激光物质相互作用领域的研究热点。基于CCD器件的工作机制和电荷耦合原理,建立了激光辐照CCD的物理模型,研究了激光对CCD干扰的软损伤特性。在垂直于沟道的纵向推导了沟道存储信号电荷的一维模型;在平行于沟道方向基于载流子连续性方程、电流密度方程和泊松方程,建立了载流子的运动模型,进而分析了CCD对信号电荷的存储量、处理量的有限性。运用有限元软件进行了数值仿真,建立了体沟道CCD沿沟道方向的二维数值计算模型,模拟了波长为1064nm、不同功率的连续激光辐照体沟道CCD的工作过程。计算得到了沟道内部势阱电压、空间电荷量、电子浓度等参数的瞬时分布,从而得出了势阱容量,推导了饱和阈值。结合CCD工作时钟的设置,能够仿真出器件发生串扰时的特性。设计并搭建了小功率激光辐照CCD的实验系统,完成了1064nm波长的连续激光和不同重频下的脉冲激光的干扰效应实验。分析并测量了对应的激光饱和阈值,得到Sony-ICX405AL型行间转移面阵CCD的激光饱和阈值为1.46 mW/cm2。实验中观察到基于收集势阱与垂直沟道传输势阱溢出的第一、第二类串扰现象,以及面阵CCD基于水平传输沟道溢出的第三类串扰现象,概括了串扰的形成机理。发现了CCD的动态电子快门技术导致的特殊干扰现象,如背景消失、水平间隔干扰条纹、低重频脉冲辐照下产生的主光斑振荡,从产生机理的角度给出了分析和解释。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外在CCD光学干扰领域的研究现状

1.2.2 国内对CCD软损伤效应的研究进展

1.3 本文的研究工作

1.3.1 工作内容

1.3.2 论文结构

2 CCD图像传感器的理论基础和物理模型

2.1 CCD图像传感器理论基础

2.1.1 概述

2.1.2 光电二极管和MOS电容结构

2.1.3 电荷耦合原理

2.1.4 转移电极结构和转移信道结构

2.2 体沟道CCD的物理模型

2.2.1 CCD的单像元结构

2.2.2 势阱存储信号电荷的解析模型

2.2.3 沿沟道方向的信号电荷传输模型

2.3 本章小结

3 有限元法数值仿真

3.1 CCD信号传输沟道建模

3.1.1 像元结构与参数

3.1.2 势阱容量的有限性分析

3.2 连续激光辐照仿真结果

3.2.1 CCD的工作状态模拟

3.2.2 数据分析与计算

3.3 模型优化设计

3.4 本章小结

4 CCD的激光干扰实验

4.1 激光辐照CCD实验系统

4.1.1 激光衰减系统

4.1.2 1064 nm激光的成像饱和阈值测量

4.2 连续激光的干扰现象

4.2.1 三类串扰现象机理分析

4.2.2 实验结果分析

4.2.3 动态电子快门技术对成像的影响

4.3 重频脉冲激光串扰研究

4.3.1 重频次光斑与光斑漂移

4.3.2 低重频脉冲下的光斑振荡

4.4 本章小结

5 总结

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 不足之处

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗璨

导师: 沈中华,李泽文

关键词: 激光干扰,面阵,数值仿真,饱和阈值,串扰

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 南京理工大学

分类号: TN249;TP212

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.001533

总页数: 73

文件大小: 2832K

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