大面陣CCD成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1、大面陣CCD成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的科技發(fā)展速度不斷加快，推動(dòng)了 CCD成像系統(tǒng)的發(fā)展。對(duì)此，文章通過(guò)下文對(duì)大面陣 CCD成像系 統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述， 進(jìn)而有關(guān)單位及工作人員提供一定的借 鑒作用。 一、大面陣CCDT作原理 電荷耦合器件是CCD的全稱，CCD器件工作過(guò)程包括光電轉(zhuǎn) 換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移、電荷檢測(cè)四個(gè)步驟。其中光電轉(zhuǎn)換與 電荷存儲(chǔ)是在光電二極管內(nèi)進(jìn)行， 電荷轉(zhuǎn)移是在垂直 CCD與水平 CCD進(jìn)行，電荷的檢測(cè)是在 FD放大器進(jìn)行的。 大面陣CCD按電荷轉(zhuǎn)移的方式可以分成全幀型面陣 CCD幀 轉(zhuǎn)移型面陣CCD行間轉(zhuǎn)移面陣CCD幾種類型。無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)的 CCD

2、都是遵循上述的四個(gè)步驟對(duì)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換， 完成成像功能。 其中幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD最早應(yīng)用在面陣成像中，但是幀轉(zhuǎn)移面陣 CCD容易產(chǎn)生圖像的拖影和漏光，尤其不適用在高速航空拍攝環(huán) 境。全幀型面陣CCD具有感光面積大，動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)勢(shì)，但是 成像過(guò)程需要結(jié)合機(jī)械快門才能完成成像功能。 因此， 目前的航 空偵察多采用行間轉(zhuǎn)移型的面陣 CCD乍為成像器件，它具有轉(zhuǎn)移 效率高，具有電子快門功能的特點(diǎn)，是最適合動(dòng)態(tài)成像的面陣 CCD。 二、關(guān)鍵技術(shù)分析 1大面陣CCD驅(qū)區(qū)動(dòng)技術(shù) 隨著CCD吉構(gòu)的逐漸復(fù)雜和像元數(shù)量的不斷增加，很多廠家 開發(fā)了用于CCD1動(dòng)的功率驅(qū)動(dòng)芯片和時(shí)序產(chǎn)生芯片。 例如飛利 浦公司開發(fā)的

3、功率驅(qū)動(dòng)芯片 TDA9991和時(shí)序發(fā)生芯片SAA8103 通過(guò)時(shí)序發(fā)生芯片和功率驅(qū)動(dòng)芯片的組合， 可以滿足特定型號(hào)的 大面陣CCD功率驅(qū)動(dòng)和時(shí)序驅(qū)動(dòng)的需求。 專用芯片是有一定針對(duì)型的，對(duì)于各個(gè)CCD器件不同的特 性，需要采用不同的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 因此本文提出一種 基于電荷泵原理的通用型水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路以 in tersil 公司推出的功率驅(qū)動(dòng)器 EL7158作為驅(qū)動(dòng)單元，利用電 容兩端壓差不能突變的原理， 利用高速開關(guān)二極管導(dǎo)通截止， 設(shè) 計(jì)滿足CCD水平信號(hào)需要的鉗位電平，完成高速水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)的 設(shè)計(jì)。該電路圖如圖1所示，可以達(dá)到最快40MHZ的水平轉(zhuǎn)移速 率，壓差滿足1

4、6V,容性負(fù)載最大2200pf的設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足絕 大多數(shù)面陣CCC的驅(qū)動(dòng)需求。 其次，設(shè)計(jì)垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)。只有低信號(hào)存在于垂直驅(qū)動(dòng)中， 速度都小于25kHz，其中根據(jù)EL715X的要求對(duì)電壓擺幅和 XG的 負(fù)載進(jìn)行確定，為了將電路板的面積降低下來(lái)，在對(duì)XG信號(hào)進(jìn) 行驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以對(duì) EL716進(jìn)行使用。不但XG由于電壓范圍的 問(wèn)題，全部的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)都應(yīng)該將離散電路搭建起來(lái)。 和水平 轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)進(jìn)行比較有著一定的差異， 有更大的電容負(fù)載會(huì)存在于 垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)中， 為了能夠使更好的邊沿特性會(huì)存在于驅(qū)動(dòng)信號(hào) 中，對(duì)H1L用MOS進(jìn)行取代，也因?yàn)橛谐掷m(xù)電流輸出會(huì)存在于后 者中。在將像素信號(hào)在水平轉(zhuǎn)移信號(hào)中

5、移除出來(lái)的時(shí)候， 應(yīng)該在 電平狀態(tài)中對(duì)縱向驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行保持， 在用半波整流二極管和隔 直電容對(duì)離散驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行搭建的時(shí)候， 這樣就會(huì)有交流的變化 長(zhǎng)時(shí)間的出現(xiàn)在輸入的信號(hào)中，這樣就會(huì)在截止的狀態(tài)存在著 管，因此，不動(dòng)態(tài)為驅(qū)動(dòng)輸出的主要形式，所以，在設(shè)計(jì)離散線 路的時(shí)候， 一定要確保脈沖輸入在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)的狀態(tài)下 將低電平輸出來(lái)。 2、多路視頻AD設(shè)計(jì)技術(shù) 視頻信號(hào)處理既要滿足寬頻帶的指標(biāo)要求， 保證有足夠的信 噪比（S/N）和量化位數(shù)，又要滿足低噪聲放大的指標(biāo)要求。 在CCD模擬視頻信號(hào)中，包含著很多噪聲成分，為了保證得 到高信噪比的視頻信號(hào)， 提取高質(zhì)量的有用信號(hào)， 必須對(duì)這些噪 聲予

6、以抑制， 所以對(duì)視頻信號(hào)的后續(xù)處理非常重要。 視頻信號(hào)處 理功能框圖如圖 2 示，包括隔直箝位、相關(guān)雙采樣、可編程增益 放大器、偏置調(diào)整與暗電平校正、 A/D 轉(zhuǎn)換器和時(shí)序控制幾 現(xiàn)在一些大規(guī)模集成信號(hào)處理器包括了相關(guān)雙采樣、 可編程 增益放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、偏置調(diào)整與暗電平校正等功能，既減 小了處理電路的體積又增加了可靠性。根據(jù)總體指標(biāo)，可選用 TI公司的集成信號(hào)處理器 VSP227Q表1列舉了 VSP2270的主要 性能參數(shù)。 集成信號(hào)處理器VSP2270的內(nèi)部功能圖如圖3所示，由圖中 可以看出VSP2270包括CDS、0位數(shù)字可編程增益放大器 PGA、 10bitA/D 轉(zhuǎn)換器和可

7、控暗電平自動(dòng)校正器等，可控參數(shù)的設(shè)置 通過(guò)串行接口進(jìn)行加載。 3、圖像緩存與整合技術(shù) 由于大面陣CCD器件為保證高幀頻輸出均采用多抽頭同時(shí) 輸出的模式， 因此與傳統(tǒng)的逐行輸出模式相比， 在成像系統(tǒng)中需 要設(shè)計(jì)圖像緩存單元， 并且按著系統(tǒng)需求， 采用逐行或者隔行的 模式進(jìn)行重組后輸出。 圖像緩存單元應(yīng)該采用乒乓操作， 保證系 統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)在緩存過(guò)程中，由于采用多個(gè)AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 且CCD存在片內(nèi)響應(yīng)非均勻性，片間響應(yīng)非均勻性的特點(diǎn)， 需要 對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行響應(yīng)一致性的矯正，保證圖像輸出響應(yīng)一致性。 對(duì)于響應(yīng)一致性的矯正， 需要對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行輻射定標(biāo)， 確定個(gè) 通道響應(yīng)度曲線，并通過(guò)兩點(diǎn)或多點(diǎn)法

8、進(jìn)行硬件實(shí)時(shí)校正。 4、設(shè)計(jì)FPGA空制系統(tǒng)技術(shù) 整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù)和時(shí)序發(fā)生都是有FPGA來(lái)承擔(dān)的，因 此，根據(jù)各個(gè)公司不同，對(duì)不同的芯片進(jìn)行選擇。確保有著合適 的工作速度存在于所使用的芯片中，RAM在其中對(duì)分布模塊和10 等都要給予滿足，并且，對(duì)于寄存器資源上也有著較高的要求， 對(duì)于整個(gè)的輸出緩存和控制需求上都應(yīng)該給予滿足， 例如，可以 對(duì)一定的描述語(yǔ)言進(jìn)行使用， 來(lái)進(jìn)行此種設(shè)計(jì)， 合理的出開發(fā)環(huán) 境。一般的時(shí)候，會(huì)有曝光控制單元、幀速調(diào)整單元和直方圖統(tǒng) 計(jì)單元存在于相機(jī)系統(tǒng)中， 連續(xù)多次拍照的功能一定要存在于其 中。將5個(gè)電路應(yīng)用到DCM中,為了能夠?qū)r(shí)鐘信號(hào)有效的生成 出來(lái)，有效的控制出現(xiàn)延時(shí)情況時(shí)的信號(hào)。總而言之，還有大量 的富余會(huì)存在于FPGA中，能夠?yàn)楦蠓直媛实?CCDS計(jì)和添加 后續(xù)功能提供一定的幫助。