星載CCD相機(jī)圖像采集電路方案 - 全文

　　對(duì)于一個(gè)CCD相機(jī)系統(tǒng)而言，其核心器件CCD傳感器的性能直接影響整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)的性能，而保障其發(fā)揮優(yōu)良的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于高可靠性的驅(qū)動(dòng)、偏置等與圖像采集電路相關(guān)的設(shè)計(jì)，這給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了很大的麻煩。因此，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的CCD圖像采集電路是保證CCD傳感器乃至CCD相機(jī)系統(tǒng)正常發(fā)揮其功能的重要條件。

　　1 CCD相機(jī)圖像采集電路結(jié)構(gòu)

　　CCD相機(jī)圖像采集電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。CCD傳感器接收前端光學(xué)系統(tǒng)的成像，偏壓電路為CCD傳感器提供必需的偏置電壓，可編程邏輯器件產(chǎn)生的時(shí)序脈沖經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)CCD進(jìn)行控制采集，輸出保護(hù)電路可對(duì)CCD進(jìn)行有效地防護(hù)保護(hù)，預(yù)處理電路對(duì)CCD輸出的帶噪模擬信號(hào)進(jìn)行處理后便于后續(xù)電路使用。

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　　2 CCD傳感器的選用

　　CCD傳感器分為面陣CCD傳感器和線陣CCD傳感器。線陣CCD所需要的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘較少，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，面陣CCD所需要的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘較多，時(shí)序較為復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)也相對(duì)較難。這里我們選擇DALSA公司的一款幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD1010M，因其具有良好的抗輻射設(shè)計(jì)，是航空、航天應(yīng)用中理想的圖像傳感器，而且其分辨率為1024×1024，還具有良好的抗光暈性能，信號(hào)輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、100%光學(xué)填充效率、電荷轉(zhuǎn)移效率高等特點(diǎn)，滿足項(xiàng)目需求。它具有的多針相工藝(MPP)還能保證它在低照度下進(jìn)行工作，通過(guò)延長(zhǎng)曝光時(shí)間來(lái)記錄非常弱的信號(hào)。這款CCD有四相感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)電極，三相水平讀出移位寄存器電極，還有一個(gè)輸出放大器。輸出方式有雙路輸出和單路輸出兩種，

　　單通道輸出單色逐行掃描圖像速度可達(dá)30幀/s，并且動(dòng)態(tài)范圍大于72dB，性能較為優(yōu)異。

　　2.1 FTT1010M結(jié)構(gòu)

　　FTT1010M的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　FTT1010M由感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)構(gòu)成，感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)都由1072H×1030V個(gè)像素組成。在感光區(qū)中，每個(gè)像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時(shí)鐘A1、A2、A3、A4覆蓋的相互連接的四個(gè)MOS電容器共同組成，它們作為感光區(qū)幀轉(zhuǎn)移控制時(shí)鐘。在1024個(gè)有效像素行的上面分別分布著6個(gè)黑行(Black Lines)，黑行其實(shí)就是被遮蔽的不參與光積分的像素行;在水平方向上，每行1072個(gè)像素中的有效像素(Active Pixels)為1024個(gè)，兩邊分布著2×20個(gè)黑像素(Black Pixels)和2×4個(gè)過(guò)渡像素(Overscan Pixels)，黑像素與黑行一樣也是被遮蔽的像素單元，這些單元都不參加光積分，沒(méi)有光電荷包產(chǎn)生，其主要作用是對(duì)CCD的輸出視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)起參考黑電平作用。過(guò)渡像素單元的作用主要是在有效像素單元與黑像素單元之間起過(guò)渡作用。

　　在存儲(chǔ)區(qū)中，每個(gè)像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時(shí)鐘B1、B2、B3、B4覆蓋的相互連接的四個(gè)MOS電容器共同組成，它們作為存儲(chǔ)區(qū)行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘。在存儲(chǔ)區(qū)水平方向上分布著兩個(gè)串行輸出移位寄存器(Output Register)，寄存器內(nèi)部并沒(méi)有感光單元，只有用來(lái)傳輸轉(zhuǎn)移感光電荷包的遮蔽的轉(zhuǎn)移單元，每個(gè)單元相當(dāng)于被三相時(shí)鐘C1、C2、C3覆蓋，這些單元都和存儲(chǔ)區(qū)的像素單元相互銜接對(duì)應(yīng)。其主要作用是將輸出放大器連接到水平輸出移位寄存器上。

　　2.2 FTT1010M時(shí)序設(shè)計(jì)

　　FTT1010M圖像傳感器的工作時(shí)序可以分為幀轉(zhuǎn)移時(shí)序(Frame timing)，行轉(zhuǎn)移時(shí)序(Line timing)和像素讀出時(shí)序(Pixel timing)。幀轉(zhuǎn)移時(shí)序指CCD將一幀圖像轉(zhuǎn)移輸出的時(shí)序，行轉(zhuǎn)移時(shí)序指一行像素在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下完成從存儲(chǔ)區(qū)到水平移位寄存器轉(zhuǎn)移的時(shí)序，像素讀出時(shí)序指在一行像素在C時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下從水平移位寄存器中逐位水平讀出的時(shí)序。

　　FTT1010M的工作過(guò)程可分為兩個(gè)階段：感光階段和轉(zhuǎn)移階段。在感光階段，圖像傳感器感光陣列進(jìn)行電荷積累，存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行向水平移位寄存器的電荷轉(zhuǎn)移和水平移位寄存器向輸出放大器的電荷輸出;在轉(zhuǎn)移階段，圖像傳感器主要完成所積累的電荷由感光陣列向存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移。FTT1010M的幀時(shí)序如圖3所示。

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　　在感光階段，感光陣列在外界光源的照射下產(chǎn)生電荷，此階段幀轉(zhuǎn)移控制信號(hào)A1、A2、A3、A4不發(fā)生變化，感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)之間為阻斷態(tài)，電荷不發(fā)生轉(zhuǎn)移;而存儲(chǔ)區(qū)在此階段處于行轉(zhuǎn)移狀態(tài)并將電荷進(jìn)行輸出，行轉(zhuǎn)移的過(guò)程分為行正程和行逆程兩個(gè)階段。

　　在行逆程階段，SSC為高電平，存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)各像素單元的電荷在行轉(zhuǎn)移信號(hào)B1、B2、B3、B4的控制下向水平移位寄存器方向下移一行，像素轉(zhuǎn)移信號(hào)C1、C2、C3不發(fā)生變化，圖像傳感器無(wú)像素電荷輸出。FTT1010M行轉(zhuǎn)移時(shí)序如圖4所示。

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　　在行正程階段，SSC為低電平，行轉(zhuǎn)移信號(hào)B1、B2、B3、B4不發(fā)生變化，水平移位寄存器中的像素電荷在像素轉(zhuǎn)移信號(hào)C1、C2、C3的控制下逐次經(jīng)過(guò)輸出放大器輸出，每輸出一行信號(hào)后，進(jìn)行一次行轉(zhuǎn)移。FTT1010M像素讀出時(shí)序如圖5所示

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　　在轉(zhuǎn)移階段，幀轉(zhuǎn)移控制信號(hào)A1、A2、A3、A4與行轉(zhuǎn)移控制信號(hào)B1、B2、B3、B4同時(shí)作用，交疊變化，將感光區(qū)積累的電荷逐行轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)，而在這段時(shí)問(wèn)內(nèi)像素轉(zhuǎn)移信號(hào)C1、C2、C3不起作用，不向外輸出電荷。完成整個(gè)轉(zhuǎn)移階段后，又再次進(jìn)入感光階段，如此循環(huán)往復(fù)來(lái)保證圖像傳感器的工作。FTT1010M幀轉(zhuǎn)移時(shí)序如圖6所示。

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　　3 CCD偏置電壓電路

　　若要使CCD圖像傳感器芯片正常工作，就需要向CCD提供使其正常工作所需的偏置電壓。FTT1010M所需的偏置電壓有VNS、VPS、SFD、RD、OG等，它們的參數(shù)如圖7所示。設(shè)計(jì)時(shí)，作者采用的電壓轉(zhuǎn)換方案是使用低紋波的轉(zhuǎn)換芯片搭配轉(zhuǎn)換電路，VNS(24V)由外接28V電壓通過(guò)DC/DC變換器LT3060得出，SFD由VNS通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路得出，VPS、RD與OG由SFD的分壓引出。

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　　4 CCD驅(qū)動(dòng)電路

　　FTT1010M工作時(shí)所需的各種脈沖信號(hào)的電壓如圖8所示。

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　　A、B驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的低位電平為0V，由圖8可以看到，在感光階段，A、B驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的高位電平為+10V，轉(zhuǎn)移階段時(shí)，A、B驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的高位電平為+14V。這里我采用EL7156來(lái)實(shí)現(xiàn)高位電平之間的轉(zhuǎn)換，采用EL7457來(lái)實(shí)現(xiàn)低位到高位電平的轉(zhuǎn)換。

　　水平讀出時(shí)鐘C需要的低電平不是0V而是3.5V，高電平為8.5V，而FPGA給出的時(shí)鐘脈沖是低電平為零，高電平為3.3V的脈沖。因此，需要將FPGA產(chǎn)生的時(shí)鐘通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片SN74ALVC164245DGGR進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使時(shí)鐘C的幅值達(dá)到5V，然后再通過(guò)箝位電路的耦合作用來(lái)提高脈沖電平，把脈沖提到需要的幅度。

　　SG、RG的產(chǎn)生過(guò)程與時(shí)鐘C的產(chǎn)生過(guò)程類似，不同的是其幅值要求為10V。

　　各種驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的幅度調(diào)整電路如圖9所示。

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　　5 CCD輸出保護(hù)電路

　　CCD傳感器是一種MOS器件，操作不當(dāng)就很容易受到靜電損壞，在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其外圍電路加上箝位、限流電路以確保加在CCD上的每一個(gè)偏置電壓和驅(qū)動(dòng)脈沖受到電流保護(hù)，在輸入到FTT1010M之前應(yīng)該通過(guò)一個(gè)電容來(lái)解耦，并且這些解耦電容應(yīng)該與圖像傳感器引腳越近越好。FT T1010M的輸出端為開(kāi)源輸出，應(yīng)該在其輸出端上接一個(gè)電流源做負(fù)載，或接一個(gè)電阻到地上。在輸出上加一個(gè)射極跟隨的高頻三極管，以阻止輸出因容性負(fù)載而引起的帶寬限制。除此以外，射極跟隨器加在輸出端還可以防止示波器的探頭對(duì)FTT1010M造成的靜電損壞。CCD輸出保護(hù)電路如圖10所示。

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　　6 CCD輸出預(yù)處理電路

　　在CCD成像系統(tǒng)中，噪聲是限制有效分辨率的最主要因素。CCD輸出的信號(hào)是具有各種噪聲的模擬信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理，盡可能地消除噪聲和各種干擾才能給后續(xù)電路使用。為了便于計(jì)算機(jī)處理，還需要對(duì)CCD輸出的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。預(yù)處理過(guò)程大體如圖11所示。

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　　根據(jù)預(yù)處理的要求，我們選用了一個(gè)高集成度的CCD信號(hào)處理專用芯片AD9978，它具有雙通道輸出能力，且具有14位的A/D轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)65MHz，其內(nèi)部集成了相關(guān)雙采樣、可變?cè)鲆婵刂?、黑電平箝位電路以?a target="_blank">高精度時(shí)序產(chǎn)生系統(tǒng)。我們使用相關(guān)雙采樣處理單元，通過(guò)兩次采樣消除不希望的噪聲分量，第一次采樣位于復(fù)位周期結(jié)束后，第二次采樣位于信號(hào)的信息段，兩次采樣的差就是不含噪聲的信號(hào)。隨后，為了適應(yīng)不同亮度的目標(biāo)，防止CCD信號(hào)過(guò)弱或飽和，我們使用其內(nèi)的增益控制處理單元來(lái)控制信號(hào)的增益，最后再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送給后面的可編程邏輯單元進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)時(shí)還要注意使其轉(zhuǎn)換速率與CCD輸出像素時(shí)鐘保持一致。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)項(xiàng)目驗(yàn)證表明這些設(shè)計(jì)能很好地為CCD提供各類偏置電壓、驅(qū)動(dòng)脈沖以及電路保護(hù)等，它們確保了CCD圖像傳感器的圖像質(zhì)量，使得CCD相機(jī)成像系統(tǒng)具有高性能和高可靠性，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。