張玉衡12顏毅華1
(1中國科學(xué)院國家天文臺太陽活動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100012)
(2中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)
針對暗目標(biāo)的幀轉(zhuǎn)移面陣CCD成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)?
張玉衡1,2?顏毅華1?
(1中國科學(xué)院國家天文臺太陽活動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100012)
(2中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)
為了實(shí)現(xiàn)在深空探測中對暗弱天體目標(biāo)的低噪聲觀測要求,提出了一種穩(wěn)定簡單的空間相機(jī)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法.基于英國E2V公司的背照式幀轉(zhuǎn)移面陣CCD(CCD47-20AIMO),給出了系統(tǒng)各組成部分的電路設(shè)計(jì)原理.其中相關(guān)雙采樣型模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(AD)和動態(tài)存儲器(SDRAM)的運(yùn)用可以有效抑制圖像信號中的相關(guān)噪聲.此外,還提出了便于調(diào)整曝光時間的驅(qū)動控制方法,將感光階段的曝光時間獨(dú)立出一個可調(diào)延時,使成像系統(tǒng)更適于長曝光時間的調(diào)整要求.成像系統(tǒng)采用Altera公司的CycloneIII系列的EP3C25Q240C8型現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為核心控制器件,驅(qū)動的編寫按照各器件功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),具有很強(qiáng)的可移植性.對成像系統(tǒng)的各時序端進(jìn)行的仿真和實(shí)測結(jié)果表明驅(qū)動電路工作正常,系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求.
航天器:儀器
深空探測是我國航天事業(yè)的三大領(lǐng)域之一,繼嫦娥一號對月探測的成功實(shí)施,我國將逐步開展對整個太陽系的深空探測活動.深空探測不受地球輻射帶影響,不受地球遮擋,相對于地面觀測手段而言,可連續(xù)獲得精度更高的觀測數(shù)據(jù).空間相機(jī)是深空探測器上重要的圖像采集單元.在觀測遙遠(yuǎn)的暗弱天體時,圖像傳感器通常需要經(jīng)過較長時間的曝光來收集光信號.這種長時間的感光和光電荷轉(zhuǎn)移過程,會使系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對信號的污染變重.為了適應(yīng)微光和低噪聲工作的系統(tǒng)要求,成像系統(tǒng)在構(gòu)建時需要在傳感器的選型、相機(jī)拍攝模式的設(shè)計(jì)、曝光時間的調(diào)控方法等方面作特殊考慮.基于上述背景,本文提出了一種穩(wěn)定且電路結(jié)構(gòu)簡單的空間相機(jī)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[1?3].
CCD電荷耦合器件是一種高性能的光電圖像傳感器,根據(jù)結(jié)構(gòu)面陣CCD可分為行轉(zhuǎn)移式、幀轉(zhuǎn)移式和全幀式.幀轉(zhuǎn)移式CCD由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),CCD像素一半用于感光,一半遮光用于數(shù)據(jù)存儲.這種結(jié)構(gòu)可以使感光區(qū)像素曝光后直接轉(zhuǎn)移到存儲區(qū),具有很方便的“電子快門”效果.對比起來,全幀式CCD的整個CCD像素都用于感光,成像時需要借助快門,在曝光結(jié)束后遮蔽整個CCD才能進(jìn)行光信息的轉(zhuǎn)移和傳輸.對于深空探測器而言,由于幀轉(zhuǎn)移式CCD具有電子快門的特性,成像系統(tǒng)無需安裝機(jī)械快門,可以有效降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,提高可靠性和維修性.E2V公司生產(chǎn)的背照式幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD(CCD47-20AIMO)就是這一類型的CCD,其高靈敏度和低噪聲的特點(diǎn)也極適于微光工作的場合.因此選擇它作為核心圖像傳感器.
AD采樣的類型和速率以及供電電壓平穩(wěn)度是影響成像系統(tǒng)噪聲高低的主要因素.本系統(tǒng)使用了高速相關(guān)雙采樣型AD轉(zhuǎn)換器,可以有效抑制CCD中的相關(guān)噪聲.
對于暗弱目標(biāo)的拍攝,需要較長的曝光時間作為保證,且曝光時間的調(diào)整方法不能降低圖像的質(zhì)量.曝光時間的兩種常見調(diào)整方法是:(1)改變系統(tǒng)整體的工作頻率,進(jìn)而改變曝光階段的工作時間.(2)系統(tǒng)的工作頻率不變,給系統(tǒng)定義一個基本曝光時間和延時.通過更改延時,改變總的曝光時間.在一張照片的拍攝流程中,各個工作環(huán)節(jié)都由系統(tǒng)工作頻率決定.在相同的系統(tǒng)工作頻率下,每個環(huán)節(jié)的工作時間是一定的.因此,對于快速曝光且曝光時間常常變化的場合,方法一最為簡單.只需改變系統(tǒng)主頻,就可以改變曝光時間,不用對程序做其他調(diào)整.但是在曝光時間很長且圖像幅面大的場合,這種方法會使圖像在傳輸環(huán)節(jié)因主頻下降而大大增加信號的輸出時間,影響信號質(zhì)量和輸出效率.對比起來,方法二不改變主頻,僅僅對曝光時間部分做了調(diào)整,不影響圖像傳輸?shù)钠渌h(huán)節(jié),圖像的質(zhì)量和輸出速度不變.由于曝光時間的調(diào)整被獨(dú)立出來,這種設(shè)定方法在長曝光的場合顯得更加方便和清晰.本系統(tǒng)采用了方法二的曝光調(diào)整方式,并將驅(qū)動的功能模塊化,便于硬件功能的移植.
下面就成像系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)說明.
CCD47-20AIMO是英國E2V公司生產(chǎn)的一款低噪聲背照式的幀轉(zhuǎn)移面陣CCD.其性能參數(shù)如表1所示.
它采用背照結(jié)構(gòu),峰值量子效率超過90%,具有極低的暗電流和較小的讀出噪聲,在20 kHz讀出速率時,讀出噪聲小于2.0 e?rms,非常適于暗目標(biāo)的探測.這款CCD有雙路輸出和單路輸出兩種輸出模式,支持200~1100 nm范圍的光譜信號.光譜響應(yīng)特征曲線如圖1所示.
CCD47-20AIMO芯片由感光區(qū)、存儲區(qū)、水平移位寄存器和輸出電路等部分組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示.感光區(qū)為CCD的光敏單元陣列,用于在感光階段進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換積累電荷.感光時間的長短根據(jù)探測目標(biāo)的曝光時間要求而定.這期間感光區(qū)不與存儲區(qū)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移.在感光階段結(jié)束后,感光區(qū)捕獲到的電荷將被快速轉(zhuǎn)移到存儲區(qū),存儲區(qū)的電荷通過水平移位寄存器逐行讀出,最終通過放大器將電荷轉(zhuǎn)換為電壓輸出.
CCD47-20AIMO型幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的驅(qū)動過程主要通過控制感光區(qū)時鐘I?1、I?2、I?3,存儲區(qū)時鐘S?1、S?2、S?3,讀出時鐘R?1、R?2、R?3、?R,轉(zhuǎn)移存儲門DG的相應(yīng)時序,實(shí)現(xiàn)一個幀周期內(nèi)兩個主要工作階段,即感光階段、轉(zhuǎn)移階段.兩個階段交替進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)照片的連續(xù)曝光和輸出.
表1 CCD47-20AIMO性能參數(shù)Table 1The CCD47-20AIMO performance indexes
圖1 在?20°C時CCD47-20AIMO的光譜響應(yīng)特征[4]Fig.1 The spectrum response characteristic of CCD47-20AIMO at?20°C[4]
在感光階段,感光區(qū)時鐘I?1、I?2、I?3保持低電平不變收集電荷,同時存儲區(qū)時鐘和讀出時鐘發(fā)出行轉(zhuǎn)移脈沖序列.當(dāng)行轉(zhuǎn)移周期數(shù)大于或等于1 028個周期后,上一幀存儲的圖像信號被完全輸出,存儲區(qū)時鐘和讀出時鐘保持低電平等待狀態(tài).此時若感光時間大于該時間,則繼續(xù)保持持續(xù)電平等待狀態(tài).在轉(zhuǎn)移階段,感光區(qū)時鐘和存儲區(qū)時鐘發(fā)出三相移位脈沖進(jìn)行當(dāng)前曝光幀圖像的幀轉(zhuǎn)移過程.當(dāng)幀轉(zhuǎn)移周期持續(xù)1 033個周期后結(jié)束.
圖2 CCD47-20AIMO的結(jié)構(gòu)示意圖[4]Fig.2 The diagram of CCD47-20AIMO structure[4]
由此可見,在一張照片拍攝的幀周期中,感光階段中存儲區(qū)向移位寄存器電荷輸出的時間(≥1028個脈沖周期)和幀轉(zhuǎn)移階段感光區(qū)電荷向存儲區(qū)轉(zhuǎn)移的時間(1 033個脈沖周期)是固定的.當(dāng)感光時間較長時,曝光時間的延遲通過存儲區(qū)時鐘和讀出時鐘低電平等待實(shí)現(xiàn).對暗弱的天體進(jìn)行拍攝時,感光持續(xù)時間大多較長,從半分鐘到數(shù)小時不等.根據(jù)CCD47-20AIMO的特點(diǎn),可以把多出的感光時間獨(dú)立出來變?yōu)榭烧{(diào)延時,放在感光階段的后部,形成更適于長曝光時間調(diào)整的工作模式.工作模式示意圖如圖3所示.
圖3 CCD47-20AIMO工作模式示意圖Fig.3 The diagram of CCD47-20AIMO operating mode
幀轉(zhuǎn)移面陣CCD47-20AIMO的驅(qū)動電路由時序產(chǎn)生單元FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)、CCD時序驅(qū)動單元、相關(guān)雙采樣AD、SDRAM緩存器、電源變換電路、電源等部分組成.總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.
圖4 CCD成像系統(tǒng)驅(qū)動電路總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The structure diagram of drive circuit of CCD imaging system
被照物體經(jīng)由光學(xué)鏡頭成像至感光區(qū).CCD經(jīng)過曝光、幀傳輸、幀轉(zhuǎn)移等工作過程將圖像信號輸出.該圖像的模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號后,暫存在SDRAM中.最后經(jīng)過USB2.0傳輸總線將信號傳至上位機(jī)并保存為圖像.在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,FPGA作為核心控制器件,發(fā)出系統(tǒng)中所需要的所有時序脈沖序列,控制CCD、AD轉(zhuǎn)換器、SDRAM的數(shù)據(jù)存取以及USB數(shù)據(jù)傳輸.
本文中采用Altera公司生產(chǎn)的CycloneIII系列的EP3C25Q240C8型FPGA來實(shí)現(xiàn)上述時序產(chǎn)生功能.由于FPGA輸出的驅(qū)動脈沖電平為0~+3.3 V,帶載能力不足以驅(qū)動CCD這類大電容負(fù)載,所以需要相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路即時序驅(qū)動電路,將FPGA產(chǎn)生的較弱的脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強(qiáng)的驅(qū)動脈沖供CCD使用.
CCD47-20AIMO共需15路驅(qū)動時鐘,各路時鐘要求的電壓范圍均不同,其中感光區(qū)時鐘(+15 V)I?1、I?2、I?3,存儲區(qū)時鐘(+15 V)S?1、S?2、S?3,讀出時鐘(+10 V,+12 V)R?1R、R?2R、R?3R、?RR(右路)、R?1L、R?2L、R?3L、?RL(左路),清除電荷用時鐘DG.各路驅(qū)動電路是基于EL7212CS來實(shí)現(xiàn)的.EL7212CS是一款高速的雙通道功率MOSFET驅(qū)動器,可驅(qū)動1 000 pF以上的大電容負(fù)載.由于該芯片可實(shí)現(xiàn)?0.3~+16.5 V之間的電平轉(zhuǎn)換,可使輸出的電壓與加載的偏置電壓幅值相同,因此僅通過簡單的改變偏置電壓即可改變輸出電壓,很方便地實(shí)現(xiàn)不同電壓幅度的輸出要求.感光區(qū)時鐘驅(qū)動電路如圖5所示.圖中,PI1、PI2、PI3為與FPGA相連的引腳,Io1、Io2、Io3為CCD感光區(qū)時鐘接腳.其他各路時鐘驅(qū)動電路形式與感光區(qū)完全相同.
CCD輸出的信號包含大量的噪聲,其中以CCD輸出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的復(fù)位噪聲為主要因素,如果不消除,將嚴(yán)重影響信號的信噪比.相關(guān)雙采樣是信號處理電路的關(guān)鍵,它對復(fù)位噪聲和參考電平的變化可用相關(guān)特性加以抑制,這項(xiàng)技術(shù)基本上可以將噪聲降低一個數(shù)量級.VSP5000就是采用相關(guān)雙采樣技術(shù)制成的一款12位AD,最大30 MHz采樣率,其內(nèi)部有內(nèi)置放大器,可以對AD轉(zhuǎn)換前的模擬信號做內(nèi)部放大后再輸出.相關(guān)雙采樣在每個像素周期內(nèi)對參考電平和信號電平各進(jìn)行一次采樣,其工作模式如圖6所示.其中CCD輸出信號的參考電平和信號電平分別由SHP和SHD在各自的上升沿進(jìn)行采樣.將兩次采樣值相減就可抑制視頻信號中的相關(guān)噪聲,兩次采樣之差即視頻信號的真實(shí)成分.
圖5 CCD47-20AIMO感光區(qū)時鐘驅(qū)動電路Fig.5 The clock drive circuit of CCD47-20AIMO image area
圖6 相關(guān)雙采樣模式圖[5]Fig.6 The diagram of correlated double sampling[5]
為保證CCD各驅(qū)動單元的正常工作,要提供所需的直流偏置電壓.根據(jù)CCD傳感器及AD轉(zhuǎn)換器等部件的電壓需求,偏置電壓電路要產(chǎn)生+29 V(OD)、+17 V(RD)、+15 V(Io1~I(xiàn)o3、So1~So3)、+12 V(oR)、+10 V(Ro1~Ro3)、+9.5 V(SS)、+5 V (FPGA)、+3.3 V(FPGA、VSP5000)、+3 V(OG)等9種電壓[6].LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是一款降壓型電源管理單片集成電路,能夠輸出3 A的驅(qū)動電流,具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性,其可調(diào)版本可以輸出小于37 V的各種電壓.該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器,開關(guān)頻率為150 kHz,與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較,可以使用更小規(guī)格的濾波元件,功耗小、效率高.由于驅(qū)動要求的9種電壓均小于37 V,故所有直流偏壓都采用該器件實(shí)現(xiàn).偏壓電路的產(chǎn)生原理圖如圖7所示.輸出偏壓的幅值通過電阻R2進(jìn)行調(diào)整.
由于CCD的數(shù)據(jù)輸出是間斷的,且其輸出的速率與最終數(shù)據(jù)總線的傳輸速率不一致,這就需要一個存儲設(shè)備作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來緩存數(shù)據(jù).圖像數(shù)據(jù)從CCD輸出后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換,先存入緩存器中,待整幀圖像都輸出結(jié)束后,再從緩存器中集中輸出,這樣可以有效避免因輸出速率不匹配而造成的數(shù)據(jù)丟失.這里選用了同步動態(tài)存儲器(SDRAM)作為緩存器.它與同樣體積的靜態(tài)存儲器相比,耗電量低,容量更大,更適合小體積低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要.CCD47-20AIMO輸出的一幀圖片容量約為12M位, HY57V641620存儲容量為4組×16M位(8M字節(jié)),可存儲約4幀圖像,滿足緩存容量要求.
圖7 直流偏壓產(chǎn)生原理圖Fig.7 The schematic for producing DC bias
對于整個成像系統(tǒng),CCD的驅(qū)動時序及各核心器件的控制脈沖均由FPGA產(chǎn)生.使用Verilog語言對驅(qū)動時序進(jìn)行硬件描述.為了方便時序的設(shè)計(jì)調(diào)試以及未來的移植,各驅(qū)動采用模塊化的形式分別編寫.CCD及AD驅(qū)動部分轉(zhuǎn)化為CCD&AD驅(qū)動模塊,存儲器驅(qū)動轉(zhuǎn)化為SDRAM控制器模塊,USB2.0驅(qū)動轉(zhuǎn)化為輸出接口模塊.其中CCD&AD驅(qū)動模塊的編寫較為特殊.
在感光階段的前部分,光信息電荷由存儲區(qū)向移位寄存器輸出,即由CCD的信號輸出端OS端輸出模擬信號.在幀周期的其他階段,信號輸出端OS端的輸出均保持為高電平.因此,CCD的有效信號輸出是間斷的,并且AD的工作是伴隨著這個信號的輸出一同進(jìn)行的.將AD的驅(qū)動控制和CCD驅(qū)動的編寫做一體化處理,可以簡化信號的處理過程. AD只在CCD有有效信號輸出時進(jìn)行工作,其他時段則關(guān)閉不轉(zhuǎn)換,既可以保證工作效率又可以防止非有效信號的誤轉(zhuǎn)換給系統(tǒng)帶來的干擾.CCD&AD驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示.
圖8 CCD&AD驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 The structure diagram of CCD&AD drive modules
整個成像系統(tǒng)的驅(qū)動由主流程控制,根據(jù)對象的拍攝要求安排各個子功能單元的執(zhí)行次序,在相應(yīng)時間點(diǎn)調(diào)用各功能模塊.成像系統(tǒng)的主控制流程如圖9所示.該主流程描述了一張照片拍攝的全過程,經(jīng)過初始化、曝光、轉(zhuǎn)移、輸出后結(jié)束.曝光時間通過調(diào)整延遲進(jìn)行修改.該流程在啟動后僅可完成一張照片的拍攝,將來若想進(jìn)行連續(xù)拍照,還需要將拍攝的中間過程改為循環(huán)結(jié)構(gòu).
圖9 成像系統(tǒng)主控制流程圖Fig.9 The master control fl ow chart of imaging system
首先在Altera公司的QuartusII集成開發(fā)環(huán)境下仿真成像系統(tǒng)中各核心器件的驅(qū)動時序的邏輯.圖10、圖11分別所示的是CCD驅(qū)動和AD驅(qū)動的時序仿真結(jié)果.
由于仿真系統(tǒng)仿真時間的限制,為了方便查看成像系統(tǒng)在整個圖像幀中各個階段時序的產(chǎn)生情況,各路時序行轉(zhuǎn)移像素的數(shù)目縮小為3行(實(shí)際為1 024行).由仿真結(jié)果可見,CCD和AD驅(qū)動的時序設(shè)計(jì)與器件說明書要求一致.
檢測成像系統(tǒng)中各種電源正常后,安裝幀轉(zhuǎn)移面陣CCD47-20AIMO,用示波器檢測CCD的輸出信號和AD轉(zhuǎn)換信號.圖12所示為示波器輸出結(jié)果.由示波器的輸出結(jié)果表明,CCD輸出端OS已根據(jù)成像系統(tǒng)的主流程控制輸出了相應(yīng)的模擬信號,相關(guān)雙采樣AD的前端采樣端SHP的上升沿也恰好與模擬信號參考電平輸出時刻相對齊,證明CCD與AD驅(qū)動的時序輸出和驅(qū)動電路的工作是正常的.
圖10 CCD時序后仿真圖Fig.10 The post simulation map of CCD time series
圖11 AD轉(zhuǎn)換器CDS模式下后仿真圖Fig.11 The post simulation map of AD converter in the CDS mode
圖12 CCD輸出信號與AD在CDS模式下采樣的結(jié)果Fig.12 The sampling results of CCD output signal and AD in the CDS mode
本文針對暗目標(biāo)拍攝的特點(diǎn)和幀轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)的特殊性,結(jié)合CCD47-20AIMO提出了一種穩(wěn)定簡單的幀轉(zhuǎn)移面陣CCD成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法.文中著重介紹了驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方法及成像系統(tǒng)的簡單拍攝流程設(shè)計(jì).在圖像拍攝的幀周期中,將曝光時間獨(dú)立為可調(diào)延時,通過調(diào)整該延時時間來控制曝光時間.對于各類具有長曝光拍攝需求的暗弱目標(biāo)而言,這種方法很方便地解決了曝光時間的調(diào)整問題.本文在最后分別對成像系統(tǒng)的各時序端進(jìn)行了仿真和實(shí)測,驗(yàn)證了驅(qū)動電路的正常工作.
深空探測作為航天技術(shù)取得重大成就的基礎(chǔ)上進(jìn)行的探測活動,是我國進(jìn)一步發(fā)展航天領(lǐng)域的必然選擇.本文所研究的成像系統(tǒng)作為對空間相機(jī)驅(qū)動的技術(shù)預(yù)研,為最終研制深空探測器上的高性能空間面陣CCD相機(jī)提供了必要的硬件準(zhǔn)備.
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Design of Frame Transfer Area CCD Imaging System for Dark Objects
ZHANG Yu-heng1,2YAN Yi-hua1
(1 Key Laboratory of Solar Activity,National Astronomical Observatories of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012)
(2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)
To realize the requirement of low-noise observation of the dark objects in deep-space missions,a simple and stable design method for the imaging system of space camera is proposed in this paper,and it is performed for the schematic circuit diagram design of each part of the CCD47-20 back illuminated AIMO produced by E2V company.The long exposure for the dark object observation can be realized by adjusting the delay time.The imaging system circuit uses the synchronous dynamic random access memory(SDRAM)and correlated double sampling(CDS)analog-to-digital converter(AD)which can remove the noise in the image signal.The Altera’s CycloneIII EP3C25Q240C8 fi eld programmable gate array(FPGA)is adopted as the core control device in the imaging system to write the driver,which is modularly designed and portable as well.The simulation and measurement show that the drive circuit works normally to satisfy the requirement of systematic design.
space vehicles:instruments
P111;
A
10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.03.009
2014-10-24收到原稿,2014-11-17收到修改稿?國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11221063)資助
?yhzhang@bao.ac.cn
?yyh@bao.ac.cn