高分辨率全幀ccdff4052在導(dǎo)演上的應(yīng)用

高分辨率全幀ccdff4052在導(dǎo)演上的應(yīng)用

1面陣式fpga傳感技術(shù)隨著攝影測(cè)量數(shù)字化的發(fā)展，中國(guó)對(duì)高分辨率數(shù)字拍攝機(jī)的需求迅速增加。國(guó)外主要制造設(shè)備能夠達(dá)到數(shù)萬(wàn)或數(shù)十億圖像的數(shù)字相機(jī)并投入運(yùn)行。一些中國(guó)單位已經(jīng)開(kāi)始研究并取得了成果。高分辨率數(shù)字航拍相機(jī)大多采用大面陣CCD作為圖像傳感器,加拿大的DALSA公司是全球著名的高性能CCD制造商,其全幀(FullFrame)大面陣CCD系列產(chǎn)品很適合作為航拍相機(jī)的傳感器。FTF4052是該公司的一款代表產(chǎn)品,因其具有分辨率高、面陣尺寸大、動(dòng)態(tài)范圍寬、噪聲低、配套IC成熟完善等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。目前基于FTF4052的數(shù)字相機(jī)大多采用單通道輸出,幀頻不超過(guò)1f/s,不能滿(mǎn)足某些高幀頻的應(yīng)用。一般而言提高幀頻可以采取兩種方法:提高CCD像素時(shí)鐘或?qū)CD信號(hào)分多個(gè)通道同時(shí)輸出,前者受器件極限參數(shù)的限制,效果不明顯,因此大多數(shù)面陣CCD采用多輸出通道的結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)FTF4052的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種對(duì)其基本驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行改進(jìn)的方法,充分利用它的四個(gè)輸出放大器進(jìn)行同時(shí)輸出,從而達(dá)到最大的讀出速率,克服了目前基于FTF4052的相機(jī)幀頻率低的缺點(diǎn)。2cdi結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)FTF4052典型的基本驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖1所示,主要由控制單片機(jī)、時(shí)序發(fā)生器SAA8103、垂直驅(qū)動(dòng)器TDA9991、前端處理電路TDA9965、RS422接口電路以及直流偏置電路等部分組成。系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下協(xié)調(diào)工作,由時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時(shí)序信號(hào),由垂直驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生CCD直流偏置電壓和垂直驅(qū)動(dòng)電平,由前端處理電路將CCD輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行黑電平箝位補(bǔ)償、放大、相關(guān)雙采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換,最后由接口電路將圖像傳輸給PC采集卡。系統(tǒng)中各IC都是可配置器件,可以通過(guò)控制單片機(jī)配置為支持DALSA公司的多種CCD。該驅(qū)動(dòng)電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但它只能支持CCD單路輸出,不能充分發(fā)揮CCD高速輸出性能,當(dāng)要求相機(jī)具有更高幀頻時(shí),需要進(jìn)行改進(jìn)。3完成四個(gè)序列輸出ff40523.1電荷轉(zhuǎn)移時(shí)序FTF4052具有四象限對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),中間是由感光像元構(gòu)成的圖像區(qū),大小為4008×5344像素,周?chē)且蝗τ烧诒蜗裨獦?gòu)成的“黑像元”區(qū),頂部和底部各有一行輸出寄存器,四角是輸出放大器W、X、Y和Z。每個(gè)象限都有獨(dú)立的垂直和水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘輸入端A1~A4和C1~C3,電荷轉(zhuǎn)移方向由轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的相位關(guān)系決定。這種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)使CCD能以1、2或4路進(jìn)行輸出,4路輸出時(shí)能達(dá)到最快的輸出速度,此時(shí)圖像區(qū)電荷同時(shí)向頂端和底端移動(dòng),輸出寄存器電荷同時(shí)向左右兩端移動(dòng),如圖2中虛線箭頭所示。圖3和圖4分別是四路輸出時(shí)CCD幀轉(zhuǎn)移和水平像素轉(zhuǎn)移時(shí)序圖,圖中SSC是時(shí)序發(fā)生器內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘,Trig_in是控制光積分起止的外部觸發(fā)信號(hào),CR是清除CCD殘留電荷的復(fù)位脈沖,A1~A4是垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘,C1~C3是水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘。由圖可見(jiàn)四路輸出時(shí)只需2678次垂直轉(zhuǎn)移和2052次水平轉(zhuǎn)移就能完成一幀的輸出(單路輸出分別需5356次和4080次),大大降低了輸出時(shí)間。為了使電荷朝四個(gè)方向移動(dòng),需按一定順序在各象限接入轉(zhuǎn)移時(shí)鐘,表1列出了各象限時(shí)鐘的接法。3.2tda2965封裝CCD四路輸出時(shí)需要4片TDA9965對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行黑電平箝位補(bǔ)償、放大、相關(guān)雙采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理,4片TDA9965并聯(lián),所需的時(shí)序信號(hào)由SAA8103產(chǎn)生,通過(guò)緩沖器轉(zhuǎn)換為4路分配到各片。為了保持各路傳輸特性的一致性,設(shè)計(jì)電路板時(shí)應(yīng)使各TDA9965輸入端到CCD輸出端的長(zhǎng)度相同,時(shí)序信號(hào)到各TDA9965的傳輸延遲一致,各通道選用同一批次的元件,同時(shí)將各TDA9965的參考電壓輸入端通過(guò)較寬的走線連到一起。每片TDA9965通過(guò)3-W接口接收配置數(shù)據(jù),其中兩片的數(shù)據(jù)由SAA8103轉(zhuǎn)發(fā),另兩片由控制單片機(jī)直接發(fā)送,這樣可以對(duì)每個(gè)通道的增益、帶寬、箝位電平等參數(shù)進(jìn)行分別控制。3.3及其驅(qū)動(dòng)性能分析FTF4052工作時(shí)所需的直流偏置電壓主要有:用于控制CCD抗暈效能的N基底電壓VNS(20~28V),輸出放大器直流電壓VSFD(20V),復(fù)位管直流電壓VRD(20V)和輸出柵電壓VOG(5V)等,為了保證安全的上、去電順序,除VNS外其它電壓都由直流偏置電路從VSFD分壓得到。4路輸出時(shí)VSFD為4個(gè)輸出放大器供電,圖5是某一路輸出放大器的示意圖,圖中On-chipamplifier是CCD片上放大器,R1、R2、R3和三極管Q1構(gòu)成片外放大器。VSFD給每路輸出提供的電流ISFD可以由式(1)計(jì)算:ISFD=IA+IC(1)式中,IA是片上輸出放大器電流,典型值由FTF4052數(shù)據(jù)手冊(cè)查得為4.5mA,IC是Q1集電極電流,其值可由式(2)計(jì)算:IC=IE=(Vb-Vbe)/R3(2)式中,IE為Q1發(fā)射極電流,Vb為基極電壓,與片上放大器的輸出電壓大致相等,計(jì)算時(shí)取最大值VSFD(20V),Vbe為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓,計(jì)算時(shí)取0.8V。由式(1)、(2)可得每路ISFD為13.2mA,4路輸出時(shí)則為4×ISFD=52.8mA,而垂直驅(qū)動(dòng)器VSFD端最大只能輸出20mA的電流,顯然不能驅(qū)動(dòng)四路輸出,必須對(duì)VSFD進(jìn)行緩沖。采用集成運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器是一種有效而安全的方法,如圖6所示,將TDA9991輸出的VSFD接入運(yùn)放的同相輸入端,在功率三極管Q1的發(fā)射極就能得到較大驅(qū)動(dòng)能力的VSFD。為了給運(yùn)放和功率管供電,需要一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器將6V的系統(tǒng)供電電壓轉(zhuǎn)換到30V,用NS公司的LM3478構(gòu)成SEPIC型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路能滿(mǎn)足要求。3.4lvds傳輸四路輸出時(shí)產(chǎn)生4×12bit的圖像數(shù)據(jù),為了減少傳輸線纜的數(shù)量和連接器的尺寸,采用Camera-Link作為輸出接口。Camera-Link使用低壓差分信號(hào)(lowvoltagedifferentialsignaling,LVDS)傳輸數(shù)據(jù),每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將28位并行數(shù)據(jù)以7∶1的比率串行化,調(diào)制成4對(duì)LVDS輸出,另外用1對(duì)傳送時(shí)鐘,接收端將LVDS信號(hào)解調(diào),恢復(fù)出并行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘。系統(tǒng)使用Camera-Link的中等配置(mediumconfiguration),采用兩片DS90CR287傳輸圖像數(shù)據(jù)和時(shí)鐘,一片DS90LV048接收采集卡控制信號(hào)和一片DS90CR049來(lái)串口通信。采用Camera-Link接口能提供足夠的傳輸速率并保證傳輸?shù)目煽啃?同時(shí)由于規(guī)定了接口和傳輸線纜,使相機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)的接口簡(jiǎn)單統(tǒng)一,增強(qiáng)了相機(jī)和采集卡之間的兼容性。4輸出通道的選擇FTF4052基本驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)上述改進(jìn)后具有了支持CCD四路同時(shí)輸出的能力,在25MHz的像素時(shí)鐘下,一幅圖像的讀出時(shí)間為293.1ms,最大幀頻率可達(dá)3.4f/s。圖7給出了采用1、2、4路輸出時(shí)幀頻率與積分時(shí)間的關(guān)系,可見(jiàn)4路輸出能明顯提高幀頻,隨著積分時(shí)間的增加,提高的程度逐漸減小,這是由讀出時(shí)間占整個(gè)拍攝時(shí)間的比例越來(lái)越小造成的,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)積分時(shí)間和幀頻選擇合適的輸出通道數(shù)量,以達(dá)到最佳性?xún)r(jià)比。由于各輸出通道的傳輸特性不可能完全一致,導(dǎo)致四路輸