李建偉，危 峻，崔 毅

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通道可編程水色成像光譜儀CCD成像電路設(shè)計

李建偉，危 峻，崔 毅

（中科院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

為滿足水色成像光譜儀通道可編程的需求，針對E2V公司大像元高靈敏度幀轉(zhuǎn)移CCD55-30設(shè)計了成像電路。利用PGP（棱鏡/光柵/棱鏡）分光組件成像在探測器光敏面，由FPGA控制成像時序，實現(xiàn)了推掃式成像光譜儀的光譜中心波長和通道帶寬可編程，同時在全幀模式下能夠分批下傳全光譜定標數(shù)據(jù)。通道可編程技術(shù)即將應(yīng)用于我國新型水色成像光譜儀，可大大降低圖像數(shù)據(jù)傳輸率，并提高對地光譜觀測靈活性。

成像光譜儀；通道可編程；幀轉(zhuǎn)移CCD

0 引言

海洋水色遙感是指利用地球軌道衛(wèi)星上搭載的遙感儀器獲得的海洋表層離水輻射亮度研究海洋現(xiàn)象或海洋過程的新興遙感技術(shù)[1]。通過海洋水色遙感可以快速獲取大面積水體組分參數(shù)，在海洋初級生產(chǎn)力、海洋生態(tài)環(huán)境、海洋通量、漁業(yè)資源監(jiān)測等方面具有重要意義[2]。

海洋水色遙感開始于1978年美國研制發(fā)射的海岸帶彩色掃描儀（CZCS）。1983年，世界上第一臺成像光譜儀AIS-1在美國研制成功后，高光譜遙感技術(shù)在民用和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究得以廣泛開展[3]。由于成像光譜儀是一種“圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，它能在可見光到短波紅外波段以納米級的光譜分辨率獲取地物目標的光譜圖像，這使得遙感應(yīng)用可以在光譜維上進行空間展開，對地球表層生物物理化學(xué)過程與參數(shù)進行定量分析，因此在海洋遙感等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。其中，2002年發(fā)射入軌的歐空局中分辨率成像光譜儀（MERIS）光譜范圍400～1050nm，探測通道15個，通道的帶寬和中心波長可編程，編程的譜段范圍為1.25～30nm。MERIS極大地提高了光譜分辨率和探測靈敏度，使傳統(tǒng)的海洋水色遙感器由于信噪比過低而忽視的現(xiàn)象，現(xiàn)在能夠進行檢測和研究[4]。

隨著人類認識海洋、研究海洋的迫切需要，水色傳感器呈現(xiàn)出波段數(shù)不斷增加、帶寬變窄，光譜設(shè)置針對海洋應(yīng)用不斷優(yōu)化，遙感器靈敏度、數(shù)據(jù)量化等級、信噪比不斷改善和提高的趨勢。我國的海洋水色探測起步較晚，但發(fā)展迅速。已發(fā)射的儀器包括神舟3號上的中分辨率光譜成像儀（C- MODIS）、HY-1A/B上的水色水溫掃描儀（COCTS）、海岸帶成像儀（CZI）等[5]。為提升我國海洋研究和開發(fā)的競爭力，研制了新型推掃式水色成像光譜儀，根據(jù)氣溶膠、浮游生物、無機懸浮物和有機黃色物質(zhì)等探測目標的不同，設(shè)置了15個通道，見表1。

由于衛(wèi)星平臺數(shù)據(jù)存儲和傳輸能力的限制，只能下傳有效通道數(shù)據(jù)。同時，為提高對地觀測靈活性，獲得不同譜段地物光譜景象信息，還需要實現(xiàn)在軌探測通道的重配置。上述高光譜分辨率和海量數(shù)據(jù)傳輸間的矛盾，以及對地觀測譜段重配置的需求可通過成像光譜儀的通道可編程技術(shù)來解決。

1通道可編程推掃式成像光譜儀基本原理

推掃式成像光譜儀基本原理如圖1所示[6]。地球目標由物鏡會聚到狹縫光闌上，經(jīng)準直鏡準直后，由分光組件分光，再由會聚鏡會聚在探測器光敏區(qū)上形成二維的光譜景象，其中一維是代表了空間信息的空間維，另一維是代表光譜信息的光譜維。成像光譜儀在軌飛行對地推掃成像即可獲得連續(xù)的光譜圖像。

圖1 推掃式成像光譜儀基本原理

表1 水色探測波段配置表

一行像元在光譜維占的光譜帶寬Dl等于像元尺寸與光譜色散率的乘積，決定了成像光譜儀的光譜分辨率，稱為光譜基本行。如果選擇單行像元讀出，就能實現(xiàn)高光譜成像；如果選擇連續(xù)行累加讀出，通道的光譜帶寬則為D[7]。通過在軌注入通道編程表確定通道起止波長，讀出目標譜段光譜行而丟棄無效光譜行即可實現(xiàn)成像光譜儀的通道可編程。如果通道帶寬較寬，為避免在行讀出寄存器中電荷累加溢出，需將通道光譜區(qū)等分為若干個光譜子帶，分多次讀出，在片外完成累加。選擇具備快速行丟棄和行累加功能的探測器是實現(xiàn)通道可編程的基礎(chǔ)。以幀轉(zhuǎn)移CCD為例，探測器光敏區(qū)二維光譜景象示意圖如圖2所示。

2 幀轉(zhuǎn)移CCD55-30

基于成本和探測器性能的考慮，我們選擇了E2V公司的全幀型CCD55-30。該款CCD為帶丟棄溝道的大像元高靈敏度貨架產(chǎn)品，通過將全部光敏區(qū)的一半鍍不透光的膜，將其改造為適于光譜探測的幀轉(zhuǎn)移型器件，如圖3所示。由于采用透射式衍射光柵進行分光，探測器光敏面的同一位置存在多級色散光譜，需要在CCD窗口加裝消二級譜濾光片。

幀轉(zhuǎn)移型CCD55-30的主要性能參數(shù)見表2。

圖2 幀轉(zhuǎn)移CCD光敏區(qū)二維光譜景象示意圖

3 成像電路設(shè)計

典型的CCD成像電路由偏置電壓電路、轉(zhuǎn)移脈沖驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換CDS電路以及時序控制電路組成[8]，如圖4所示。在水色成像光譜儀CCD成像電路設(shè)計中，采用FPGA作為時序控制器，根據(jù)通道編程表產(chǎn)生CCD的驅(qū)動時序，進行ADC增益設(shè)置和視頻信號的相關(guān)雙采樣運算，完成圖像數(shù)據(jù)的累加存儲、組幀和傳輸。

圖3 幀轉(zhuǎn)移型CCD55-30實物

Fig.3 The actual object of the frame transfer CCD55-30

表2 幀轉(zhuǎn)移型CCD55-30主要性能參數(shù)

3.1硬件設(shè)計

3.1.1 偏置電壓電路

CCD55-30的偏置電源要求[9]見表3，輸出電流在mA級。

表3偏置電壓要求

Table 3 Requirements of the bias voltage

選用精密電壓基準源AD586產(chǎn)生低噪聲＋5V基準電壓，以此為輸入（或經(jīng)電阻分壓），通過30V單電源供電的LM158構(gòu)成正向放大電路，即可得到各個偏置電平輸出。例如OG和OD引腳分別需要的3V和28V偏置電壓可由圖5所示的電路得到。

3.1.2 轉(zhuǎn)移脈沖驅(qū)動電路

CCD55-30為3相幀轉(zhuǎn)移CCD，驅(qū)動脈沖共11個，見表4。其中，行讀出寄存器驅(qū)動脈沖要求高電平13V，低電平1V；其他脈沖高電平12V，低電平0V。FPGA送出的驅(qū)動脈沖為TTL電平，必須經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，且提供一定的驅(qū)動電流才能有效驅(qū)動CCD正常工作。

MAX626是雙路反相功率MOSFET驅(qū)動器，最大輸出電流可達2A。當(dāng)采用12V供電時，可直接進行TTL電平至12V電平的轉(zhuǎn)換。對于13～1V電平，可采用MAX626輸出經(jīng)交流耦合加電平鉗位的方式實現(xiàn)，如圖6所示。由于REG1和REG2默認電平為高，而REG3默認電平為低，鉗位電平分別設(shè)置在＋13V和＋1V。行讀出寄存器3個驅(qū)動脈沖工作頻率較高，考慮到散熱，將MAX626其中一路做接地處理。此外，MAX626是反相驅(qū)動器，F(xiàn)PGA需產(chǎn)生與目標驅(qū)動波形反相的脈沖信號。

3.1.3 信號調(diào)理電路

CCD55-30行讀出寄存器單個勢阱的電荷容量約為1800ke－，A1端口輸出的轉(zhuǎn)換效率為1.2mV/e－，因此行讀出寄存器最大輸出信號幅值約為2.16V。但由于偏置電源RD的作用，該信號疊加在17V直流電平上輸出，所以在對CCD視頻信號進行放大和采樣前需要通過交流耦合濾掉直流成分。為進行阻抗匹配同時提高模擬信號的驅(qū)動能力，在交流耦合前采用3DG130對CCD輸出的模擬信號進行射級跟隨。為適應(yīng)后級ADC信號輸入范圍，將交流耦合后的CCD視頻信號疊加在＋1.5V直流電平上進行直流恢復(fù)，并采用高速低噪聲單運放AD829進行放大緩沖。CCD信號調(diào)理電路如圖7所示。

圖4 水色成像光譜儀CCD成像電路

圖5 LM158正向偏壓電路

Fig.5 The forward bias voltage circuit of LM158

3.1.4 A/D轉(zhuǎn)換CDS電路

在一個像素周期內(nèi)，CCD輸出的模擬信號包括復(fù)位電平和信號電平。對復(fù)位電平和信號電平分別進行采樣然后相減即可達到相關(guān)雙采樣的目的，從而消除視頻信號中復(fù)位噪聲的干擾。THS1408為增益可調(diào)14位并行ADC，最高轉(zhuǎn)換速率可達8MSPS，配置成如圖8所示的單端輸入模式時，輸入電壓范圍為0～3.3 V。采用兩路THS1408對一個像素周期內(nèi)的復(fù)位電平和信號電平進行采樣，在FPGA內(nèi)部完成相關(guān)雙采樣計算。由于模擬信號傳輸?shù)难舆t，需要根據(jù)實際CCD輸出信號情況調(diào)整采樣位置。

表4 CCD55-30驅(qū)動脈沖電平要求

圖6 MAX626脈沖驅(qū)動電路

Fig.6 The pulse driving circuits of MAX626

圖7 CCD信號調(diào)理電路

3.2 軟件設(shè)計

幀轉(zhuǎn)移CCD成像過程包括曝光、幀轉(zhuǎn)移、行轉(zhuǎn)移、行讀出[10]。幀轉(zhuǎn)移的實質(zhì)是通過連續(xù)的行轉(zhuǎn)移將光敏區(qū)各行像元曝光時累積的電荷轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)等待讀出。在行轉(zhuǎn)移的過程中，配合DG信號可控制行丟棄或者行合并。通過丟棄無效行，讀出目標行即可實現(xiàn)通道編程目的。每個通道的編程表由5個字節(jié)組成，見表5。

FPGA根據(jù)注入的通道編程表驅(qū)動CCD獲取相應(yīng)通道的對地光譜推掃圖像。根據(jù)需求，將CCD成像模塊劃分為8個單元，包括CCD參數(shù)更新單元、CCD時序調(diào)度單元、CCD ADC設(shè)置單元、CCD行轉(zhuǎn)移單元、CCD行讀出單元、CCD行讀出RAM讀寫控制單元、CCD累加平均單元、CCD圖像數(shù)據(jù)讀寫控制單元。CCD成像模塊的數(shù)據(jù)流和控制流如圖9所示。

圖8 THS1408單端輸入電路

Fig.8 The single-ended input circuit

表5 通道編程表

圖9 CCD成像模塊數(shù)據(jù)流和控制流圖

其中，CCD時序調(diào)度單元負責(zé)按照通道編程表進行幀轉(zhuǎn)移、行丟棄、行合并、行讀出等CCD成像過程的控制，同時將光譜數(shù)據(jù)寫入圖像RAM，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖10所示。

成像模式下每幀僅下傳15個通道數(shù)據(jù)，為進行星上光譜定標，需下傳全部光譜數(shù)據(jù)。在全幀模式下不按照通道編程表工作，而是在每次幀轉(zhuǎn)移后順序丟棄×15行，按照1個通道1條光譜基本行讀出連續(xù)的15行光譜數(shù)據(jù)，分38次讀出全部570行光譜數(shù)據(jù)，中間區(qū)域包含了完整的266行有效光譜行（375～1040nm，每行2.5nm）。

4 實驗結(jié)果

在CCD探測器前放板上用示波器測得的幀轉(zhuǎn)移、行轉(zhuǎn)移、行合并與行丟棄以及行讀出的脈沖波形如圖11所示。11路驅(qū)動脈沖上升沿和下降沿均無較大的過沖，噪聲干擾較小。

采用3個通道進行彩色合成的外場成像如圖12所示，獲取的圖像清晰、層次豐富。

對加蓋鐠釹玻璃的鹵素?zé)暨M行光譜定標成像，獲取的全幀譜線如圖13所示。鐠釹玻璃燈源光譜曲線在570nm、740nm、810nm以及880nm附近有多處吸收峰，經(jīng)多幀累加平均處理后吸收峰處的譜線穩(wěn)定和銳利，對星上光譜定標包絡(luò)監(jiān)測算法極為有利，能達到優(yōu)于0.5nm光譜校正精度。

5 結(jié)論

針對水色成像光譜儀通道可編程的需求，設(shè)計了CCD55-30的成像驅(qū)動電路。根據(jù)注入的通道編程表，實現(xiàn)了探測通道中心波長和帶寬的重配置。同時在全幀模式下能夠分批下傳全光譜定標數(shù)據(jù)。外場成像試驗和光譜測試結(jié)果令人滿意。CCD55-30成像電路的軟硬件設(shè)計滿足我國下一代水色成像光譜儀通道可編程的需求，可大大降低圖像數(shù)據(jù)傳輸率，并提高對地觀測靈活性。

圖10 CCD時序調(diào)度單元狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖11 驅(qū)動脈沖示波器波形圖

圖12 CCD三通道彩色合成外場成像圖

圖13 鹵素?zé)簦由w鐠釹玻璃）全幀光譜圖

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Design of Imaging Circuit for CCD Used in the Programmable Ocean Color Imaging Spectrometer

LI Jianwei，WEI Jun，CUI Yi

(,,200083,)

In order to meet the channel programmable requirements of the ocean color imaging spectrometer, a kind of imaging circuit is designed for the E2V’s frame-transfer CCD55-30 which has high sensitivity and big pixels. Via the PGP beam-splitting elements, spectral image is projected on the surface of the CCD imaging area. Meanwhile the CCD’s driving pulses are generated by FPGA, and the detection channel’s central wavelength and bandwidth of the push-broom imaging spectrometers are programmable. The programmable technology for the detection channel is about to be used in the new generation ocean color imaging spectrometer of China which can greatly reduce the data transmission rates and improve the spectrum adjust flexibility for earth observation.

imaging spectrometer，channel programmable，frame-transfer CCD

TP391.4

A

1001-8891(2016)07-0542-08

2016-02-06；

2016-03-01.

李建偉（1978-），男，在讀博士，主要從事航天遙感儀器信號獲取與處理技術(shù)的研究，E-mail：lijianwei@mail.sitp.ac.cn。

危峻（1972-），男，研究員，主要從事航天遙感儀器總體技術(shù)研究，E-mail：weijun@mail.sitp.ac.cn。