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

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。

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。

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，圖像傳感器無像素電荷輸出。FTT1010M行轉(zhuǎn)移時(shí)序如圖4所示。

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。

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)來保證圖像傳感器的工作。FTT1010M幀轉(zhuǎn)移時(shí)序如圖6所示。

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DC／DC變換器LT3060得出，SFD由VNS通過電平轉(zhuǎn)換電路得出，VPS、RD與OG由SFD的分壓引出。

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。

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來實(shí)現(xiàn)高位電平之間的轉(zhuǎn)換，采用EL7457來實(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，然后再通過箝位電路的耦合作用來提高脈沖電平，把脈沖提到需要的幅度。SG、RG的產(chǎn)生過程與時(shí)鐘C的產(chǎn)生過程類似，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。

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)該通過一個(gè)電容來解耦，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。

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)處理過程大體如圖11所示。

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?、黑電平箝位電路以及高精度時(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)過弱或飽和，我們使用其內(nèi)的增益控制處理單元來控制信號(hào)的增益，最后再通過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
本文闡述了星載CCD相機(jī)圖像采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，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。