作者及研究机构
本文的研究工作由王继强、许金通、王玲、谢晶、张燕、李向阳等研究人员完成，所属机构为中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室与红外成像材料与器件重点实验室。文章发表于期刊《光学与光电技术》（Optics & Optoelectronic Technology），2018年12月出版，第16卷第6期。
研究背景与意义
研究工作聚焦于基于 AlGaN（氮化铝镓）日盲紫外探测器的成像系统设计与实现。紫外成像探测器近年来在民用和军用领域得到了广泛关注，具有极大的应用潜力，典型应用场景涉及电力设备高压放电监测、火焰探测、海洋环境油污染监测及生物医学成像等。与传统的光阴极探测器相比，固体紫外探测器因其结构紧凑、硬件坚固、量子效率高、稳定性强，以及低功耗的特点，成为紫外成像技术发展的重要方向。
AlGaN基材料因具有宽禁带、高稳定性及优异的紫外光谱探测能力成为新一代紫外探测器的主要研究方向。尤其在日盲区波段（240–280 nm）的探测中，AlGaN焦平面阵列可有效抑制太阳噪声干扰，因而更适合于高压电晕放电检测等环境。这一研究工作的目的在于基于AlGaN焦平面探测器开发一套小型化的紫外成像处理系统，同时解决紫外焦平面阵列响应不均匀性和固定条纹图形背景等技术瓶颈。
研究方法与流程
1. 系统设计：硬件与软件的搭建
核心探测单元为由中国科学院上海技术物理研究所研制的320×256全固态AlGaN日盲紫外焦平面探测器，像元尺寸为30μm×30μm。硬件系统主要包含紫外光学镜头、AlGaN焦平面探测器、低噪声信号处理模块（包括信号放大、滤波和背景噪声抑制）、模拟信号数据采集（A/D转换）、FPGA（现场可编程门阵列）平台负责的数字信号处理模块，以及成像显示等。
硬件系统整体设计以小型化为目标。模拟通道由AD827放大器完成高信噪比放大需求；噪声滤波电路采用π型结构，A/D转换采样频率达到25 MHz，使用芯片AD9225，其驱动脉冲由FPGA提供；实时处理模块采用XC3S1500 FPGA芯片完成数据处理，最终输出的影像数据通过VGA接口驱动LCD屏显示。
2. 软件算法开发与实现
主处理器FPGA通过编写Verilog HDL硬件描述语言实现数字脉冲驱动、信号采集、图像非均匀性校正及实时成像的功能模块化设计。
- 数字脉冲时序设计与仿真：对AlGaN日盲紫外探测器的脉冲时序进行了详细设计，并通过ModelSim工具仿真验证其正确性。
- 非均匀性校正算法开发：由于紫外焦平面探测器易出现响应不均匀性与固定条纹图形背景，通过研究开发了一种中值滤波与单点校正联合的非均匀性校正方法。
- 中值滤波算法作用于3×3邻域范围，用于滤除椒盐噪声。 - 单点校正算法通过减去焦平面探测器的固定基底响应，获取背景干净的图像信号。同时实现了高效的实时处理能力。
3. 实验测试与数据采集分析
硬件和算法完成整合后，对AlGaN日盲紫外焦平面探测器输出数据进行了全面测试，验证了成像系统的信号采集、数字处理以及成像显示功能。测试包括以下几个方面：
- 信号采集：确保探测器320×256像素阵列的完整性及其四路模拟信号同步处理。
- 成像质量评估：通过实时实验结果对比分析，确认非均匀性校正算法降低了响应非均匀性指标，由初始的9.609%下降到最终的4.642%；除此之外，测试还优化了成像伪彩处理后的视觉表现。
研究结果与分析
1. 硬件系统的实现与表现
紫外成像系统总体结构图表明该设计成功实现了系统模块化，并满足小型化目标。主硬件部件包括紫外镜头、低噪声信号处理单元、A/D模块与基于FPGA的处理平台。经验数据验证了其稳定性与功耗表现（供电电压5V，总功耗2W），动态范围达到16位，且帧速率高达100 Hz。
2. 数据处理与校正结果
测试数据表明，经过非均匀性校正算法处理后，图像质量获得了明显提升。通过中值滤波对原始图像中存在的椒盐噪声进行有效消除，同时单点校正算法成功去除了固定图形背景噪声。测试图像处理结果对比如图9所示，校正后的图像更清晰，背景更纯净，表现出较好的成像质量和算法鲁棒性。
3. 系统整体性能概述
紫外成像系统成功整合了硬件设计与软件算法，其性能指标（如表2所示）符合设计预期，能够支持高压电晕监测等不同行业的实际应用需求。
研究意义与价值
1. 科学价值
本研究证明了基于AlGaN日盲紫外焦平面探测技术在成像领域的可行性与优越性，提出了适用于紫外焦平面稳定信号输出的系统性解决方案。这种系统方法使得紫外成像克服了传统固定条纹和非均匀响应的问题，为紫外成像技术的实际应用铺平了道路。
2. 应用价值
文章展示的紫外成像系统因其小型化特性，特别适用于需要便携式、低功耗设备的场景。典型应用包括高压电气设备运维检测（电晕放电监测）、轨道交通弓网放电观测、环境污染检测（如海洋油污染监测）等，在工程实践和民用领域皆具有广阔的应用前景。
研究亮点
- 技术突破：首次在硬件与算法结合的角度解决了AlGaN紫外探测成像中固定噪声背景和非均匀性问题，并验证了其实时性能。
- 小型化实现：该系统在硬件设计和功耗优化方面实现了真正的小型化，适用于便携式探测设备开发。
- 应用扩展性：紫外探测器装置支持多种民用与军用场景的延伸应用。
总结
本文的研究展示了紫外成像系统在硬件、算法及功能实现上的全面解决方案，并通过实验验证了其性能优越性与实际应用潜力。这一成果为未来高压电晕检测和多领域紫外成像拓展应用奠定了坚实基础。