机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施

邱晓晗; 王煜; 常振; 田禹泽; 司福祺

doi:10.3788/IRLA201746.0538002

机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施

doi: 10.3788/IRLA201746.0538002

邱晓晗^1,2,
王煜¹,
常振^1,2,
田禹泽²,
司福祺¹

1.
中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥 230031;
2.
中国科学技术大学,安徽合肥 230026

基金项目:

国家自然科学基金（41275037）;安徽省杰出青年科学基金（1308085JGD03）;安徽省自然科学基金（1408085MKL49）

详细信息

作者简介:
邱晓晗(1987-),男,博士生,主要从事成像电路方面的研究。Email:xhqiu@aiofm.ac.cn

中图分类号: TP73

Design and implementation of CCD imaging circuit for airborne ultraviolet DOAS imaging spectrometer

1.
Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;
2.
University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China

摘要: 机载紫外DOAS成像光谱仪通过获取大气与地表的折射或散射的紫外光辐射，监测大气痕量气体的分布与变化，其电子学部件的重要组成部分为CCD成像电路。采用帧转移型面阵CCD-47-20为图像传感器，以现场可编辑门阵列（FPGA）为核心控制器的成像电路模块，设计并实现了一套完整的机载紫外光谱仪成像系统。CCD成像电路完成包括CCD驱动时序电路、CCD数据采集电路，接收CCD模拟图像信号产生数字图像信号，将数字图像信号通过差分芯片驱动以低压差分信号（LVDS）传输给机载通讯系统等功能。讨论了机载紫外成像光谱仪的设计过程，并重点讨论了CCD成像电路的设计过程。设计的机载紫外DOAS成像光谱仪系统成像分辨率为0.286。实验证明满足大气污染气体的观测需求。
- 成像光谱仪 /
- 帧转移面阵CCD /
- 成像电路
Abstract: Airborne ultraviolet imaging DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) spectrometer monitors the distribution and changes of atmospheric trace gases by obtaining the UV radiation of atmosphere and surface reflection or scattering. In this spectrometer, the CCD imaging circuit is the core of electronic device. A complete system was designed and implemented by using frame transfer area array CCD-47-20. Field-Programmable Gate Array (FPGA) was adopted as the core controller of the CCD imaging circuit, which generated CCD driving sequences, CCD data acquisition, received and converted CCD analog imaging signal to digital signal. CCD digital imaging signal was drove by differential line driver and then acquired by the airborne communication system in low voltage differential signaling (LVDS) format. The design and implementation of the circuit was described, and the design process of the CCD imaging circuit was mainly discussed. The imaging resolution of airborne ultraviolet imaging DOAS spectrometer monitoring is 0.286. The experiments show that the requirements of polluting gases observation can be satisfied.
- imaging spectrometer /
- frame transfer area array CCD /
- imaging circuit

[1]	Zhao Qichang, Yang Yong, Li Yefei, et al. Development status and trends of atmospheric trace gas remote sensing instruments[J]. Chinese Optics, 2013, 6(2):156-162. (in Chinese)赵其昌, 杨勇, 李叶飞, 等. 大气痕量气体遥感探测仪发展现状和趋势[J]. 中国光学, 2013, 6(2):156-162.
[2]	Liu Jin, Si Fuqi, Zhou Haijin, et al. Observation of two-dimensional distributions of NO2 with airborne imaging DOAS technology[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(3):034217. (in Chinese)刘进, 司福祺, 周海金, 等. 机载成像差分吸收光谱技术测量区域NO2 二维分布研究[J]. 物理学报, 2015, 64(3):034217.
[3]	Wang Yu, Lu Yihuai, Zhao Xin, et al. Design and implementation of CCD imaging circuit for satellite-borne DOAS spectrometer[J]. Laser Infrared, 2015, 6:663-668. (in Chinese)王煜, 陆亦怀, 赵欣, 等. 星载差分吸收光谱仪CCD成像电路的设计及实施[J]. 激光与红外, 2015, 6:663-668.
[4]	Gao Minguang, Liu Wenqing, Zhang Tianshu, et al. Remote sensing of atmospheric trace gas by airborne passive FTIR[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2006, 26(12):2203-2206. (in Chinese)高闽光, 刘文清, 张天舒, 等. 机载FTIR被动遥测大气痕量气体[J]. 光谱学与光谱分析, 2006, 26(12):2203-2206.
[5]	Li Shuang, Qiu Zhenwei, Wang Xiangjin. Stray light simulation and analysis of space-borne spatial heterodyne spectrometer for monitoring greenhouse gases[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(2):616-619. (in Chinese)李双, 裘桢炜, 王相京. 星载大气主要温室气体监测仪杂光模拟分析[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(2):616-619.
[6]	Zhang Hao, Fang Wei, Ye Xin, et al. Dual-order overlapped Offner imaging spectrometer in middle-and long-wave infrared regions[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 23(4):965-974. (in Chinese)张浩, 方伟, 叶新, 等. 中/长波红外双衍射级次共路Offner成像光谱仪[J]. 红外与激光工程, 2015, 23(4):965-974.
[7]	Liu Jin. Observation of the concentration and distribution of polluted gas based on imaging differential optical absorption spectroscopy technique[D]. Hefei:University of Chinese Academy of Sciences, 2015. (in Chinese)刘进. 基于成像DOAS技术的污染气体浓度分布监测方法研究[D]. 合肥:中国科学院大学, 2015.
[8]	E2V technologies. Datasheet for CCD47-20 back illuminated high performance AIMO[EB/OL].
[9]	Li Yapeng, He Bin, Fu Tianjiao. Design of imaging system of interline area CCD[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(8):2602-2606. (in Chinese)李亚鹏, 何斌, 付天骄. 行间转移型面阵CCD成像系统设计[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(8):2602-2606.
[10]	Zhang Lin, Li Yongxin, Hu Xueyou. Research on CCD video signal processing based on correlated double sampling[J]. Journal of Astronautic Metrology and Measurement, 2007, 2:33-37. (in Chinese)张林, 李永新, 胡学友. 基于相关双采样技术的CCD视频信号处理研究[J]. 宇航计测技术, 2007, 2:33-37.
[11]	Chen Wei, Zheng Yuquan, Xue Qingsheng. Airborne imaging and spectrometer with wide field of view large relative-aperture[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(1):15-21. (in Chinese)陈伟, 郑玉权, 薛庆生. 机载宽视场大相对孔径成像光谱仪[J]. 光学精密工程, 2015, 23(1):15-21.
[12]	Heue K P, Wagner T, Broccardo S P, et al. Direct observation of two dimensional trace gas distribution with an airborne imaging DOAS instrument[J]. Atmospheric Chemistry Physics, 2008, 8(3):6707-6717.
[13]	Schnhardt A, Altube P, Gerilowski K, et al. A wide field-of-view imaging DOAS instrument for two-dimensional trace gas mapping from aircraft[J]. Studies in Health Technology Informatics, 2014, 7(4):3591-3644.

[1]	张刘, 李博楠, 卢勇男, 邹阳阳, 王泰雷. 基于Offner凸面光栅星载CO₂成像光谱仪光学系统设计 . 红外与激光工程, 2022, 51(7): 20220431-1-20220431-9. doi: 10.3788/IRLA20220431
[2]	于磊. 成像光谱仪的发展与应用（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210940-1-20210940-11. doi: 10.3788/IRLA20210940
[3]	张伟, 薛辉, 于磊. 日光诱导叶绿素荧光高光谱成像仪研究(特邀) . 红外与激光工程, 2021, 50(10): 20210311-1-20210311-9. doi: 10.3788/IRLA20210311
[4]	武志昆, 石恩涛, 王咏梅. 消谱线弯曲PGP型成像光谱仪系统设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(6): 20200433-1-20200433-6. doi: 10.3788/IRLA20200433
[5]	刘永征, 孔亮, 刘学斌, 陈小来, 刘文龙, 张昕. 星载大孔径静态干涉高光谱成像仪高速成像电路设计 . 红外与激光工程, 2020, 49(S1): 20200096-20200096. doi: 10.3788/IRLA20200096
[6]	杨雨霆, 陈立恒, 徐赫彤, 李世俊, 吴愉华. 高空气球平台地-月成像光谱仪载荷系统热设计 . 红外与激光工程, 2019, 48(11): 1114004-1114004(10). doi: 10.3788/IRLA201948.1114004
[7]	申远, 于磊, 陈素娟, 沈威, 陈结祥, 薛辉. 高分辨率近红外成像光谱仪光学系统 . 红外与激光工程, 2019, 48(8): 814005-0814005(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0814005
[8]	于磊, 陈素娟, 陈结祥, 薛辉. 精准农业观测高数值孔径短波红外成像光谱仪光学系统 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1218007-1218007(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1218007
[9]	袁立银, 谢佳楠, 侯佳, 吕刚, 何志平. 紧凑型红外成像光谱仪光学设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(4): 418001-0418001(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0418001
[10]	殷世民, 高丽伟, 梁永波, 朱健铭, 梁晋涛, 陈真诚. 基于FPGA的干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(7): 720001-0720001(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0720001
[11]	张月, 张琢, 苏云, 郑国宪. 宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(3): 323001-0323001(8). doi: 10.3788/IRLA201645.0323001
[12]	孙佳音, 李淳, 刘英, 李灿, 王建, 刘建卓, 孙强. 不同光栅常数下同心长波红外成像光谱仪对比 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 720002-0720002(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0720002
[13]	贤光, 颜昌翔, 吴从均, 张军强. 温度对机载成像光谱仪光学性能的影响 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1647-1653.
[14]	张月, 苏云, 王彬, 郑国宪, 张鹏斌. 用于月球矿物探测的LCTF成像光谱仪热控系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(12): 3963-3968.
[15]	汪逸群, 高志良. 成像光谱仪复合色散棱镜支撑设计与试验 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1982-1987.
[16]	刘子寒, 季轶群, 石荣宝, 陈宇恒, 沈为民. 机载红外推扫成像光谱仪光学设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2941-2946.
[17]	马洪涛, 张晓辉, 韩冰. 宽光谱、大视场小畸变望远系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1754-1757.
[18]	闫兴涛, 杨建峰, 薛彬, 马小龙, 赵意意, 卜凡. Offner型成像光谱仪前置光学系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(10): 2712-2717.
[19]	张庭成, 廖志波. 离轴三反成像光谱仪光学系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1863-1865.
[20]	王美钦, 王忠厚, 白加光. 成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 167-172.

点击查看大图

计量

文章访问数: 535
HTML全文浏览量: 90
PDF下载量: 105
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

留言板

机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施

doi: 10.3788/IRLA201746.0538002

作者简介:
邱晓晗(1987-),男,博士生,主要从事成像电路方面的研究。Email:xhqiu@aiofm.ac.cn

Design and implementation of CCD imaging circuit for airborne ultraviolet DOAS imaging spectrometer

计量

机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施

doi: 10.3788/IRLA201746.0538002

1. 中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥 230031;

2. 中国科学技术大学,安徽合肥 230026

作者简介:
邱晓晗(1987-),男,博士生,主要从事成像电路方面的研究。Email:xhqiu@aiofm.ac.cn

English Abstract

Design and implementation of CCD imaging circuit for airborne ultraviolet DOAS imaging spectrometer

1. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;

2. University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China

全文HTML

目录

留言板

机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施

doi: 10.3788/IRLA201746.0538002

作者简介: 邱晓晗(1987-),男,博士生,主要从事成像电路方面的研究。Email:xhqiu@aiofm.ac.cn

Design and implementation of CCD imaging circuit for airborne ultraviolet DOAS imaging spectrometer

计量

出版历程

机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施

doi: 10.3788/IRLA201746.0538002

1. 中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031; 2. 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026

作者简介: 邱晓晗(1987-),男,博士生,主要从事成像电路方面的研究。Email:xhqiu@aiofm.ac.cn

English Abstract

Design and implementation of CCD imaging circuit for airborne ultraviolet DOAS imaging spectrometer

1. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China; 2. University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China

全文HTML

目录

作者简介:
邱晓晗(1987-),男,博士生,主要从事成像电路方面的研究。Email:xhqiu@aiofm.ac.cn

1. 中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥 230031;

2. 中国科学技术大学,安徽合肥 230026

作者简介:
邱晓晗(1987-),男,博士生,主要从事成像电路方面的研究。Email:xhqiu@aiofm.ac.cn

1. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;

2. University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China