[论文解读] Development Of Raspberry Pi-based Processing Unit for UV Photon-Counting Detectors

Bharat Chandra P, G. Binukumar+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2024

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于树莓派的低成本处理单元，用于紫外光子计数探测器，采用Photek MCP图像增强器和RPi V2相机，利用树莓派的GPU实现内置读出，CPU用于质心计算。该系统在3×3和5×5窗口模式下均实现30 fps的帧率，5×5模式下可检测双事件，为立方星和小型卫星任务提供了经济实惠、可定制的紫外天文仪器解决方案。

ABSTRACT

In ultraviolet (UV) astronomical observations, photons from the sources are very few compared to the visible or infrared (IR) wavelength ranges. Detectors operating in the UV usually employ a photon-counting mode of operation. These detectors usually have an image intensifier sensitive to UV photons and a readout mechanism that employs photon counting. The development of readouts for these detectors is resource-intensive and expensive. In this paper, we describe the development of a low-cost UV photon-counting detector processing unit that employs a Raspberry Pi with its in built readout to perform the photon-counting operation. Our system can operate in both 3x3 and 5x5 window modes at 30 frames per sec (fps), where 5x5 window mode also enables the provision of detection of double events. The system can be built quickly from readily available custom-off-the-shelf (COTS) components and is thus used in inexpensive CubeSats or small satellite missions. This low-cost solution promises to broaden access to UV observations, advancing research possibilities in space-based astronomy.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、可定制的替代方案，取代昂贵的FPGA或ASIC基读出系统，用于紫外光子计数探测器。
• 通过用嵌入式Linux平台替代复杂逻辑，减少空间仪器的开发时间、复杂性和成本。
• 为小型卫星和立方星任务提供经济实惠的紫外天文观测途径。
• 证明利用树莓派集成GPU和CPU实现实时光子计数与质心计算的可行性。
• 通过单事件恢复和自动重置机制实现系统级容错，提升空间任务的可靠性。

提出的方法

• 采用树莓派Zero 2W作为嵌入式微处理器平台，利用其集成GPU实现相机读出。
• 集成Photek NUV图像增强器，配备紫外敏感光电阴极和荧光屏，将电子事件转换为可见光光子。
• 使用树莓派V2相机模块捕获荧光屏发出的可见光，用于事件检测。
• 通过运行在树莓派CPU上的自定义Python代码实现光子计数与质心计算，处理由GPU加速的相机读出数据。
• 配置系统在3×3和5×5像素窗口模式下运行，后者通过基于阈值的聚类实现双事件检测。
• 通过UART以115200波特率实时传输质心坐标至PC，用于图像重建与分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于树莓派的系统，结合其集成GPU与CPU，能否替代传统FPGA基读出电子设备用于紫外光子计数探测器？
• RQ2 使用现成组件的低成本光子计数系统，其可实现的帧率与空间分辨率如何？
• RQ3 在5×5窗口模式下，能否利用低成本嵌入式平台可靠检测并分辨双事件？
• RQ4 与传统高成本探测器电子设备相比，树莓派基系统的开发时间、成本与灵活性表现如何？
• RQ5 在空间应用中，能否在低成本嵌入式平台上有效实现系统级容错机制，如单事件恢复与自动重置？

主要发现

• 系统在3×3和5×5窗口模式下均成功实现30帧每秒的实时光子计数。
• 5×5模式下可检测双事件，质心计算精度足以重建美国空军测试目标图像。
• 在3×3和5×5模式下，基于质心数据重建的图像清晰分辨出目标特征，证明了有效空间分辨率。
• 对荧光屏的直接长时间曝光图像证实了275-nm UVC LED的紫外照射，验证了系统的灵敏度。
• 系统通过实现的单事件恢复与自动重置功能表现出强健性，可在故障情况下恢复。
• 整个探测器系统已成功在洁净室环境中组装并测试，适用于SING紫外光谱仪任务，确认了硬件可行性。