科学级成像系统中高速数字化方法及系统高性能技术的研究

Recently more and more physical experiments use imaging system such as optical observation in astronomy, imaging with soft X-ray, scitific cameras for infrared light,et . With the large scale of the imaging system, the high performance,scalable,real-time operation is the importmant requirements, especially the low noise readout and high speed digitalizing and high performance of the imaging system. Facing the current status of CCD imaging system, we proposed this item for using new methods to develop key technologies for high performance scalable real-time imaging system,including:low noise readout using new digital filter method for scientific CCD; design universal imaging controller;high-speed and high precision ADC sampling;high precision sync-clock;high-speed data transimission system, including fiber transimission,TOE-based ethernet interface; high speed data processing with FPGA and high performance embeded CPU;real time data storing with large volume;scable control and imaging software. Through study of these key technologies, we will establish propotype platform of a high performance and scalable imaging system.

目前越来越多的物理实验需要使用成像系统，包括天文学，高能物理，核物理领域，如天文光学波段CCD成像天文观测，软X射线成像，红外波段的红外相机，基于CCD的暗物质搜索等。随着成像系统规模的越来越大，对高速数字化技术和高性能可扩展的实时性提出了迫切要求。本课题面对目前国内科学级成像系统的现状，对科学级成像系统特别是CCD的低噪声读出和高速数字化技术及系统高性能技术展开研究，包括：采用新的数字滤波方式对CCD前端低噪声读出；成像通用控制器设计；高速高精度ADC采样；高精度时钟同步技术；高速数据传输系统，包括高速的光纤传输，基于TOE的千兆/百兆以太网接口；基于FPGA和高性能嵌入式CPU的高速数据处理；大容量的数据缓存技术；可扩展的成像系统控制和处理软件。通过对这些高速数字化技术和系统高性能技术的研究，完成一个高性能可扩展的实时成像系统平台的原型，使得国内的科学级成像系统获得突破。

针对不同类型的CCD进行不同的数据获取系统的研究，包括线性CCD和面阵CCD，面阵CCD分为前照式和背照式，分别对前照式面阵CCD和背照式面阵CCD进行了CCD控制器的研究。..完成线性CCD数据获取系统，包括基于FPGA的CCD时序驱动，16位的ADC高精度采样，控制及成像软件。..针对前照式量子效率略低，价格相对便宜的情况，使用前照式CCD KAF3200进行导星相机的设计，完成了以时钟驱动芯片EL7457为主的CCD驱动，以及以带CDS功能的ADC采样芯片AD9826为主的信号采集模块，一个小型化的导星相机。..针对量子效率最高，读出噪声要求最高的背照式面阵CCD，我们以1kx1k的e2v芯片CCD47-20为探测器，进行科学级CCD控制器的研究和设计，对关键技术进行了攻关，包括超低噪声的偏压和时钟，相关双采样以及过采样技术对CCD进行信号读出，16/18位的高速高精度ADC采样，基于TEC的低温真空技术对CCD暗流进行抑制。最后完成了针对背照式面阵CCD的CCD控制器平台，基于TEC的CCD热电杜瓦以及成像系统操控和处理软件，性能指标达到国际先进水平，主要指标为暗电流在-80度情况下为0.005 e- /pix/s，读出噪声小于10 e-。同时对数字CDS技术进行了研究，完成了采样率达到100Msps，16位采样模块以及DCDS的基本算法。.基于USB3.0以及高速光纤传输技术，完成了CCD控制器的高速数据传输接口，并基于此完成一套适合于较大规模的CCD成像集成系统。在控制上位机和相机之间增加了一个前端控制点，前端控制点可以集成4台CCD相机，增加了系统的集成度，提高了系统的灵活性。..相关成果应用在南极亮星巡天望远镜(BSST)和中国之星小望远镜阵(CSTAR)，完成了BSST的相机系统以及为CSTAR研制1kx1k的帧转移相机，并完成了样机。并在多个国际会议中和国际同行进行交流，包括IEEE REAL-TIME CONFERENCE, AOPC 2015: Telescope and Space Optical Instrumentation, SPIE Astronomical Telescopes+Instrumentation；申请发明专利4项，毕业博士3名，硕士2名，发表会议论文9篇，国内外核心期刊8篇，其中SCI收录4篇，EI收录11篇。