皮海峰 李自田 李長樂 薛利軍 劉學(xué)斌 胡炳樑

(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, 西安 710119)

1 引言

超光譜成像儀是我國環(huán)境減災(zāi)-1A(HJ-1A)衛(wèi)星的主載荷之一,是集光學(xué)、光譜學(xué)、精密機(jī)械、電子技術(shù)于一體的新型探測器,它有115 個工作譜段,光譜探測范圍0.458～0.956μm ,平均光譜分辨率為4.32nm,對物體識別和信息提取能力強(qiáng),可用于如大氣成分探測、水環(huán)境監(jiān)測以及植被生長狀況監(jiān)測等多種專題研究[1]。為獲得光譜數(shù)據(jù),超光譜成像儀除相關(guān)光學(xué)組件外,還必須包含與之配套的成像電路。成像電路作為超光譜成像儀的核心組件之一,完成干涉圖像的數(shù)字化處理,以供地面反演計(jì)算,從而最終得到各譜段圖像。在成像電路設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行航天技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范,在保證其性能指標(biāo)的前提下,盡量采用高等級、高集成度的元器件,降低電路的復(fù)雜程度,提高設(shè)計(jì)可靠性。通過各項(xiàng)試驗(yàn)及在軌運(yùn)行表明,成像電路設(shè)計(jì)結(jié)果滿足了超光譜成像儀需求。

2 功能需求及系統(tǒng)組成

超光譜成像儀成像電路需要實(shí)現(xiàn)的功能包括:

1)將在空間推掃所形成的干涉光譜圖像轉(zhuǎn)換為二維空間的電荷分布,經(jīng)掃描和讀出電路,形成隨時(shí)間變化的模擬電信號;

2)模擬電信號的數(shù)字化;

3)干涉光譜圖像數(shù)據(jù)的緩存、讀出。

根據(jù)超光譜成像儀成像電路的功能需求,我們將其劃分為焦面組件、信號處理電路、數(shù)據(jù)緩存與合成單元、時(shí)序發(fā)生器4 個功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)(見圖1)。其中,焦面組件安裝于光機(jī)主體上,其他三個單元安裝在電控箱內(nèi),光機(jī)主體與電控箱通過星上電纜連接。各單元在系統(tǒng)時(shí)鐘同步下工作,將光譜圖像按規(guī)定格式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流,以供后續(xù)處理、傳輸。

圖1 超光譜成像儀成像電路功能框圖Fig.1 Function block diagram of imaging circuit

3 焦面組件

焦平面組件由CCD 傳感器和CCD 驅(qū)動電路組成。

CCD 傳感器是整個成像電路的核心,實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。超光譜成像儀采用面陣CCD器件,以類似于線陣CCD 推掃成像模式工作。在飛行方向上,當(dāng)衛(wèi)星與地面每相對運(yùn)動一個可分辨地元,探測器采集一幀數(shù)據(jù)。在與衛(wèi)星飛行方向一致的每一列CCD 像元上采集到相應(yīng)地元的干涉圖。在穿軌方向上,類似于線陣CCD 推掃成像,可以獲得目標(biāo)空間圖像圖。

根據(jù)總體指標(biāo)及光能量計(jì)算,我們選擇了一款512×512、分割幀轉(zhuǎn)移CCD 器件。其主要優(yōu)點(diǎn)包括:光譜響應(yīng)范圍寬,量子效率高,能夠滿足超光譜成像儀對能量的要求;多端口并行輸出,高幀頻,可以滿足衛(wèi)星飛行速度、高度與地面分辨率的匹配關(guān)系;四相電極結(jié)構(gòu),有助于提高轉(zhuǎn)移速率[2]。

該CCD 由感光區(qū)、存儲區(qū)和讀出寄存器陣列構(gòu)成。感光區(qū)包含有多個子陣列,感光區(qū)中的每個子陣列在存儲區(qū)中都有相應(yīng)的子陣列與之對應(yīng),以存儲感光區(qū)中產(chǎn)生的電荷。

圖2 CCD 功能框圖Fig.2 Function block diagram of CCD

CCD 器件在驅(qū)動脈沖的作用下開始工作,在積分時(shí)間內(nèi)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,將光信號轉(zhuǎn)換為電荷。轉(zhuǎn)換完成后,生成電荷按順序讀出。電荷移動方向如圖2 中箭頭所示,先由感光區(qū)轉(zhuǎn)移到存儲區(qū),再由存儲區(qū)逐行轉(zhuǎn)移到讀出寄存器順序讀出。每個子陣列有各自的讀出寄存器和輸出放大器,信號由各自陣列的端口并行輸出。CCD 信號多端口并行輸出,雖然增加了后續(xù)信號處理電路(如:A/D 轉(zhuǎn)換)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,但相比于單端口輸出的CCD 器件,在不提高其內(nèi)部時(shí)鐘頻率的情況下,大大提高了幀頻速率,提升了系統(tǒng)性能。

根據(jù)CCD 的工作原理,其光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲及讀出的過程都是在各相電極高、低電平的交替作用下進(jìn)行的。而CCD 各相電極的電平則由FPGA產(chǎn)生的時(shí)序脈沖來控制,包括像元轉(zhuǎn)移脈沖、行轉(zhuǎn)移脈沖、幀轉(zhuǎn)移脈沖等。由于CCD 電極多為容性負(fù)載,在高速時(shí)序脈沖的作用下會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流,遠(yuǎn)超過FPGA 輸出端口所能提供的最大電流。而且不同電極對驅(qū)動脈沖高、低電平和脈沖幅度的要求也各不相同。因此,不能由FPGA 輸出直接驅(qū)動CCD,需要增加相應(yīng)的驅(qū)動電路將FPGA 產(chǎn)生的時(shí)序脈沖,經(jīng)過MOS 驅(qū)動器及電壓偏置電路,轉(zhuǎn)換成為具有容性負(fù)載驅(qū)動能力并包含不同脈沖幅度和電平的CCD 驅(qū)動脈沖。超光譜成像儀CCD 驅(qū)動電路的原理圖如圖3 所示。

4 信號處理

CCD 的輸出信號是含有較高直流電平的負(fù)極性信號(如圖4(a)所示),復(fù)位電平約為+15V,暗電平略低于復(fù)位電平,信號電平又低于暗電平。信號處理電路的功能是提取出其中的有效視頻信號并將此視頻信號轉(zhuǎn)換為12bit 數(shù)字信號。

視頻信號首先經(jīng)過一級放大電路,對幅度較小的視頻信號進(jìn)行放大(放大電路如圖5 所示)。

輸入視頻信號,通過電容C1,實(shí)現(xiàn)與放大器同相輸入端的交流耦合,濾掉視頻信號中較高的直流分量,將視頻信號轉(zhuǎn)換為峰-峰值幾百毫伏的交流信號。放大器通過R1、R2、R3調(diào)節(jié)放大倍數(shù),使輸出信號幅度滿足后續(xù)處理電路的要求。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,R3被設(shè)計(jì)成為可通過模擬開關(guān)調(diào)節(jié)的可調(diào)電阻,以實(shí)現(xiàn)輸入信號多檔增益切換。當(dāng)目標(biāo)背景亮度較低時(shí)選用較高增益,而目標(biāo)背景亮度較高時(shí)則選用較低增益,以保證對于不同背景亮度的目標(biāo)都能實(shí)現(xiàn)較好的成像效果。

圖3 CCD 驅(qū)動電路Fig.3 Driving circuit for CCD

圖4 CCD 輸出視頻信號Fig.4 Video signal output f rom CCD

圖5 視頻信號放大電路Fig.5 Amplified circuit for video signal

放大后的視頻信號,仍無法直接A/D 轉(zhuǎn)換,必須進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理。相關(guān)雙采樣(Correlated Double S ampling)是常用的CCD 視頻信號處理方法,先對像元的暗電平進(jìn)行采樣,稍后再對相同像元的信號電平進(jìn)行采樣,然后將兩值相減,得到該像元的有效視頻信號,如圖4(b)所示。由于兩次采樣時(shí)間間隔很近,則噪聲近似相關(guān),將兩次采樣值相減,不但可以得到像元的有效視頻信號,還可以消除信號中的噪聲,提高系統(tǒng)信噪比[3-5]。

完成相關(guān)雙采樣后,對采樣信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換,通過A/D 轉(zhuǎn)換器將視頻信號數(shù)字化。設(shè)計(jì)中選取了一款采樣型A/D 轉(zhuǎn)換器,其最大轉(zhuǎn)換速率為3Mpps(million pixels per second);信噪比大于70dB。

為保證視頻信號處理速率和準(zhǔn)確性,信號處理電路應(yīng)保證足夠的模擬信號帶寬。但對于低頻模擬信號而言,過高的模擬信號帶寬反而會增加系統(tǒng)噪聲。因此,在視頻處理電路的設(shè)計(jì)和器件選擇上,沒有追求過高的設(shè)計(jì)指標(biāo),盡量與超光譜成像儀CCD視頻信號相適應(yīng)。

5 數(shù)據(jù)緩存

CCD 信號是多路端口并行輸出,相應(yīng)的信號處理電路也是多路并行處理,數(shù)據(jù)緩存單元的作用是將多路圖像數(shù)據(jù)整合為一幀完整的光譜圖像,并在圖像數(shù)據(jù)間隙插入整星時(shí)間、衛(wèi)星姿態(tài)、超光譜成像儀工作狀態(tài)等輔助數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)緩存器由k+1 片雙口RAM 組成,其功能框圖如圖6 所示。其中k 片雙口RAM 對應(yīng)CCD的k 個子陣列,采取“同時(shí)并行寫入,分時(shí)串行輸出”的工作模式,記錄CCD 傳感器k 個子陣列所對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù),第k +1 片雙口RAM 則用來記錄由下位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的當(dāng)前數(shù)據(jù)幀所對應(yīng)的輔助數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)緩存器輸入的多路圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)于CCD傳感器的多個子陣列, 當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時(shí), 按照每個CCD 子陣列的掃描順序(m 行×n 列)同步并行向?qū)?yīng)的雙口RAM 進(jìn)行寫操作。而輸出數(shù)據(jù)則是按照k 個子陣列拼接后的完整感光面的掃描順序讀出,順序讀取RAM-1…直至RA M-K 的第一行圖像數(shù)據(jù),再依次讀取RAM-1 至RAM-k 的第二行圖像數(shù)據(jù), ……一直到K 片雙口RAM 的第m 行圖像數(shù)據(jù)讀取完畢。

圖6 數(shù)據(jù)緩存單元功能框圖Fig.6 Block diagram of data buffer function

輔助數(shù)據(jù)由下位機(jī)送出,在寫入圖像數(shù)據(jù)時(shí),同時(shí)寫入第k +1 片RAM;當(dāng)全部圖像數(shù)據(jù)讀出后,緊接著將k+1 中的輔助數(shù)據(jù)順序讀出。這樣便實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,并完成了輔助數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)的合成,組成了一幀完整下傳圖像數(shù)據(jù)。

為了避免讀寫地址競爭而使數(shù)據(jù)丟失,滿足圖像數(shù)據(jù)合成的需要,將雙口RAM 分成上下兩區(qū),前一幀周期,寫上半?yún)^(qū),讀下半?yún)^(qū);后一幀周期,寫下半?yún)^(qū),讀上半?yún)^(qū)。這樣就可以絕對保證讀寫操作不會沖突,而且同幀圖像數(shù)據(jù)完整,只是輸出延遲了一個幀周期。由于超光譜成像儀的任務(wù)是對地觀測,并不要求數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。因此,輸出數(shù)據(jù)延遲一個幀周期不會對任務(wù)的完成產(chǎn)生影響。

6 時(shí)序發(fā)生器

超光譜成像儀使用一片現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為時(shí)序發(fā)生器,產(chǎn)生CCD 驅(qū)動脈沖時(shí)序、相關(guān)雙采樣控制時(shí)序、A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)序、數(shù)據(jù)緩存讀寫時(shí)序及地址信號。

FPGA 軟件采用VHDL 語言設(shè)計(jì), 除命令(CT L)轉(zhuǎn)換部分外,全部用時(shí)序邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì),所有輸出信號都和主時(shí)鐘同步。

在可靠性設(shè)計(jì)方面,設(shè)計(jì)了FPGA 上電復(fù)位電路,在設(shè)備上電時(shí),為FPGA 提供復(fù)位信號,使FPGA 在復(fù)位后立即進(jìn)入正常工作;在FPGA 器件和電源之間設(shè)置了限流電阻,這樣,在萬一發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí),FPGA 重新上電,即可恢復(fù)正常工作;

FPGA 器件本身除選擇具有抗輻照能力的航天級器件外,也采取了充分的降額措施,工作頻率、內(nèi)部資源及I/O 所帶負(fù)載均留有足夠余量,符合I 級降額要求。

7 特點(diǎn)與創(chuàng)新

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的成像電路具有以下特點(diǎn):

1)由于自身特點(diǎn)及衛(wèi)星運(yùn)行軌道限制,超光譜成像儀要求CCD 輸出幀頻較高,對于傳統(tǒng)的單路輸出CCD, 工作時(shí)鐘頻率=幀頻×面陣像元數(shù)。而過高的工作時(shí)鐘頻率除降低CCD 的電荷轉(zhuǎn)移能力外,還會成倍提高CCD 及其驅(qū)動電路的功耗,增大器件發(fā)熱,降低其工作可靠性。為解決這一矛盾,在設(shè)計(jì)上選取了分割幀轉(zhuǎn)移CCD 器件,其包含多個輸出端口,可同時(shí)輸出視頻信號,相當(dāng)于多個小面陣CCD同時(shí)工作,這時(shí)工作時(shí)鐘頻率=幀頻×面陣像元數(shù)/輸出端口數(shù)。即在保持CCD 幀頻不變的情況下,大大降低了工作時(shí)鐘頻率,有效地減少了器件功耗,提高了可靠性。

2)與CCD 多端口并行輸出形式相對應(yīng),采用多片RAM 組成數(shù)據(jù)緩存器。通過讀寫時(shí)序控制,完成“同步寫入,順序讀出”,實(shí)現(xiàn)了光譜圖像數(shù)據(jù)的重組合成,保證了每幀下傳圖像的完整一致性。圖7為超光譜成像儀在軌運(yùn)行所獲得的數(shù)據(jù)立方體。

圖7 超光譜成像儀獲得的數(shù)據(jù)立方體Fig.7 Data cube acquired by the hyperspectral imager

8 結(jié)束語

經(jīng)過超光譜成像儀的整機(jī)測試,以及整星的各項(xiàng)測試、試驗(yàn)和衛(wèi)星在軌測試,超光譜成像儀成像電路工作正常,各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期,滿足任務(wù)要求。

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[1]李傳榮, 賈媛媛, 胡堅(jiān), 等.HJ-l 光學(xué)衛(wèi)星遙感應(yīng)用前景分析[J].國土資源遙感, 2008,77(3):1-3

[2]王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2003

[3]許秀貞,李自田,薛利軍, 等.CCD 噪聲分析及處理技術(shù)[J].紅外與激光工程, 2004,33(4):343-346

[4]劉國媛,李露瑤, 張伯珩, 等.CDS 器件在CCD 視頻信號處理中的應(yīng)用[J].光子學(xué)報(bào), 2000,29(1):82-85

[5]黃美玲,張伯珩, 邊川平,等.相關(guān)雙采樣技術(shù)在航天相機(jī)中的應(yīng)用研究[J].傳感器技術(shù), 2005,24(8):31-33