星載CCD相機(jī)圖像采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：以DALSA公司的CCD傳感器FTT1010M為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種星載CCD相機(jī)圖像采集電路，詳細(xì)介紹了圖像傳感器FTT1010M的特性、工作模式、工作時(shí)序，并闡述了其模擬驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)序電路、電源轉(zhuǎn)換電路等圖像采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的采集電路能夠滿足各項(xiàng)技術(shù)要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：電荷耦合器件；圖像傳感器；采集電路；FTT1010M

0 引言
自從CCD(電荷耦合器件)出現(xiàn)以來，由于其分辨率高、靈敏度高、噪聲小、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了很快的發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于影像傳感、衛(wèi)星監(jiān)控、空間遙感成像和對(duì)地觀測(cè)等眾多領(lǐng)域。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。

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，通過延長(zhǎng)曝光時(shí)間來記錄非常弱的信號(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。

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)部并沒有感光單元，只有用來傳輸轉(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。