基于飞行时间(Time of Flight, ToF)的三维(three dimensional, 3D)成像技术属于主动式三维成像技术,其通过测量调制光“飞行”往返于目标物体与传感器之间所需要的时间,进而计算出目标物体的距离信息。相较于其他3D成像方式,基于ToF的3D成像方法具有微型化、结构简单、功耗低等优势。随着技术的发展,间接ToF(Indirect ToF, IToF)图像传感器像素尺寸逐渐缩小、分辨率逐渐增大、精度逐渐提高,应用于多种场景,但是其仍然存在背景光干扰、多径干扰、运动伪影等问题。本文第一节介绍ToF图像传感器的工作原理;第二节总结分析ToF图像传感器的参数指标及其发展趋势;第三节分析ToF图像传感器面临的挑战并提供解决方案;第四节分析应用于ToF技术的图像校正及还原算法。
单光子成像技术涉及半导体工艺、光电器件以及集成电路设计等多个方面,基于单光子雪崩二极管的成像技术具有高动态二维灰度成像、高精度三维成像和荧光寿命成像能力,在安防监控、自动驾驶和生物医疗等领域具有广阔的应用前景。伴随着半导体工艺技术的飞速发展,单光子成像技术有望成为应用广泛的下一代视觉感知技术。本文对基于单光子雪崩二极管的成像技术进行了系统的介绍,包括单光子雪崩二极管器件、单光子成像涉及的关键电路以及二维灰度和时间分辨单光子图像传感器的最新研究进展。
图像传感器作为获取视觉信息的重要器件,可将感知到的光信号转换为电信号进行输出。目前,基于互补型金属氧化物半导体构建的图像传感器制造技术已相当成熟。然而,在某些特定的应用场景下,对微型化和多功能的图像传感器的需求仍待解决。面对此挑战,结合二维半导体丰富的材料体系及优异的光电特性,以及器件向微型化和多功能化发展的趋势,基于二维半导体的图像传感器在微型化和高集成度方面显示出巨大潜力,为图像传感器领域的发展带来了新机遇。本文首先介绍了二维半导体的带隙特性及其对应的光谱响应波段范围,展示了基于二维半导体的单像素成像技术;接着,阐述了如何利用二维半导体原子排布呈面内各向异性的特征,成功构筑了偏振敏感的图像传感器;最后,探讨了随着大面积二维半导体材料生长技术的不断成熟,如何进一步实现基于二维半导体像素阵列图像传感器的构筑。
太赫兹波是介于毫米波与红外光之间的电磁波,具有强穿透性、非电离性、高瞬时带宽等特点,在安全检查、无损检测、医疗成像等领域有着广阔的应用前景。在成像系统中,探测器是至关重要的部分。本文提出了一种将不同中心频率的窄带探测器输出结合实现宽频带探测的结构,为了减少面积,这些窄带探测器采用嵌套式结构,即高频窄带探测器被依次放置在低频窄带探测器的内部,每一个窄带探测器均包括环形天线、匹配网络和场效应晶体管检波电路。该探测器由65 nm标准CMOS工艺制成,探测频率范围覆盖了100~1 000 GHz。基于该宽频探测器搭建实现了太赫兹焦平面成像系统,该系统主要包括太赫兹辐射源、聚四氟乙烯(PTFE)透镜、宽频CMOS探测器等。实验结果表明,该成像系统在100 GHz、220 GHz和300 GHz频率下能够稳定成像,并且随着频率的提高,成像质量也明显提升。通过对得到的成像结果使用形态学闭运算进行优化,解决了成像中信息缺失的问题,有效地改善了成像质量。
针对高速应用设备对CMOS图像传感器高速、高线性度的要求,本文在传统SS ADC(Single-Slope ADC,单斜模数转换器)的基础上,实现了一款应用于图像传感器的Latch-ADC,工作频率达到了600 MHz。Latch-ADC可以多列像素共用一个Gray Code计数器,并通过Latch结构快速锁定和存储数据,实现了SS ADC中Counter和SRAM的功能。本文采用110 nm工艺,实现了一种高速12位Latch-ADC。经过仿真验证,本文的Latch-ADC具有高线性度,每次转换的周期为7.094 μs,平均功率为180.3 μW,转换功耗为1.279 nJ.
针对高帧率CMOS图像传感器的应用需求,提出一种结合逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)和单斜坡(Single Slope,SS)结构的混合型模拟数字转换器(Analog to Digital Converter, ADC)。该ADC的分辨率为12位,其中SAR ADC实现高6位量化,SS ADC实现低6位量化。该ADC采用了全差分结构消除采样开关的固定失调并减少非线性误差,同时在SAR ADC中采用了异步逻辑电路进一步缩短转换周期。采用110 nm 1P4M CMOS工艺对该电路进行了设计和版图实现,后仿真结果表明,在20 MHz的时钟下,转换周期仅为3.3 μs,无杂散动态范围为77.12 dB,信噪失真比为67.38 dB,有效位数为10.90位。
针对电力应用场景中电磁脉冲导致芯片性能异常退化、芯片内MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等器件失效机理不清晰等问题,本研究采用幅值和宽度分别为8 V和100 ns的TLP(Transmission Line Pulse)脉冲施加至5 V NMOS器件栅氧层,测量了不同脉冲循环次数下器件输出特性曲线Id-Vd和转移特性曲线Id-Vg,通过分析不同TLP脉冲条件下跨导的变化规律研究了阈值电压和载流子迁移率随TLP脉冲个数的退化规律。研究结果表明,相同漏电压Vd和栅极电压Vg下,器件漏电流Id随TLP脉冲次数的增加而升高;TLP脉冲导致阈值电压VT降低显著,施加20 000次TLP脉冲后VT降低约25.66%;TLP脉冲造成器件阈值电压的变化量呈指数升高,通过拟合指数为0.11~0.15;TLP脉冲对沟道内载流子迁移率的影响不明显。
本文设计并实现了基于FPGA的主机与ARM端的数据通信接口。其中,FPGA实现了与主机交互的PCIe接口功能以及与ARM交互的FMC接口功能。本文完成了PCIe接口和FMC接口传输性能测试,同时也进行了主机与ARM的数据回环测试。测试结果表明,本文设计满足了整体的系统设计指标要求,其中PCIe1.0接口速率可达820 MB/s。
针对输电过程中配电自动化通信传输量低、速度较慢的问题,本文提出了基于工业级4G物联网北斗配电自动化通信技术,引入云边协同方式和终端直通技术模块对配电自动化设备之间通信结构进行改进。首先,将其与基站构建中继通信网络来提高配电网中数据传输速度;接着,对安全设备管理器算法进行改进,通过获取各传输信道的误码率来计算信道的阻塞特征;最后,对阻塞信道进行调制处理,使传输数据更具协同特征,进一步提高传输速度。试验结果表明,通过该系统检测出通信总量最高为48 TB,传输速度平均为10 MB/s,表明本研究系统具有很好的适用性。
当前宇航任务中,SRAM型FPGA易受到单粒子效应的影响,造成非预期的功能失效。为消减单粒子效应的影响、减小FPGA在轨维护重复开发和测试的工作量,设计了一款支持多种总线、适配多型FPGA和存储器的上注刷新ASIC芯片,用于完成FPGA的程序加载、动态刷新、程序上注等操作。首先介绍了ASIC系统层级、模块层级设计、工作流程规划,并简述了ASIC抗单粒子原理。通过对通信协议的兼容设计,ASIC同时支持CAN总线、RS485总线;通过对FPGA配置位流结构分析,ASIC支持9种FPGA的加载和刷新,并实现国产兼容;通过对存储器数据格式转换,ASIC能够在BPI Flash、SPI Flash、PROM等多种存储器中存储配置位流;对刷新的触发、SEFI检测、刷新的执行进行了论述。对影响ASIC上注速度的因素进行了分析和仿真验证;使用原型验证板、ASIC验证板配合可插拔的FPGA、存储器上浮小板完成流片前后的各项功能验证,验证结果符合预期。评估刷新的效果并与其他在轨维护方案进行对比,总线型FPGA上注刷新ASIC具有一定优势,可以高效、 可靠地满足宇航FPGA的多种在轨维护需求。
针对电网输电线路全景信息采集难度大、点云信息处理不准确等问题,提出了一种电网全景输电线路三维机载雷达点云信息采集系统。该系统通过对机载雷达信号处理系统设计和采集设备的选型,实现机载雷达硬件的设计和选择;采用激光雷达与惯性测量单元相结合的方式实现对输电线路点云数据更精确的采集;利用点云数据中的颜色信息和强度信息相结合的方式对点云数据进行分类处理,实现对点云数据信息的处理。通过实验验证了系统的采集误差比只采用激光雷达采集的误差小,且最大为0.21,最小为0.08;系统对不同物体的分类正确率不同,对输电线路分类正确率能达到97%,且较传统方法和单一的基于强度信息的点云数据处理分类方法正确率高。
本文基于中国电子科技集团公司第58所现有的ZYNQ+FPGA的ADC通用测试平台对六通道模/数转换器件AD73360进行详细的动态指标测试,数据处理和分析在上位机LabVIEW中调用MATLAB实现。由于采集控制与处理的平台系统已经设计完成,本设计主要针对AD73360子卡的硬件设计、具体的动态测试方法和上位机指标测试进行详细的阐述,通过对比手册给出的典型动态指标,最终确定本课题设计的子卡性能可以满足AD73360的性能指标要求。
为满足航天产品的高精度、高可靠性需求,实现元器件自主可控、芯片国产化及应用适应性验证十分必要,设计一种基于FPGA的国产DC/DC板级综合测试平台。在长时间的热学环境适应性板级验证项目中,为实现DC/DC器件应用板卡工作状态的实时监测,提出一种基于Transformer的智能识别算法。分别使用空载、负载电流3 A、负载电流5 A、高输入电压、低输入电压、短路状态下的DC-DC输出序列,输入到Transformer模型中并利用注意力机制提取各序列的全局注意力特征,并对深度学习模型进行训练。实验结果表明,对于此6种工作状态数据集,Transformer模型识别的准确率为99.2%,具备良好的分类和监测性能,具有一定的工程应用价值。
电路板的制造在电子产品生产生命周期中占有重要地位,而在电路板生产的各个工序中,电路板的质量管控是最重要的一环。FCT系统专门用于检验电路板焊接质量。本文介绍了一款基于三层结构及多任务队列的电路板FCT系统设计方案。首先,介绍了FCT系统硬件设备的构成和说明;然后,介绍了FCT系统上位机软件的整体架构、功能模块的划分以及各个模块的详细功能,重点介绍了本方案中上位机软件在技术上的突出实现方式,包括采用3层结构的分层模式、ORM(对象关系映射)以及多任务队列等;最后,给出了FCT系统工作的程序流程图。通过FCT系统的硬件及软件设计,完美解决了电路板的质量检验问题。
