孫雪晨,呂恒毅,薛旭成,石俊霞,傅 瑤

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等是空間光學(xué)相機(jī)設(shè)計(jì)[1-3]的重要指標(biāo)，用于表征相機(jī)的輻射性能和評(píng)價(jià)相機(jī)圖像品質(zhì)?？臻g遙感相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)的性能，會(huì)極大程度的影響整個(gè)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量[4]、信噪比[5]和動(dòng)態(tài)范圍等。在航天應(yīng)用中，通常對(duì)CCD信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣(Correlated Double Sample,CDS)處理，這樣可以消除復(fù)位噪聲的干擾，對(duì)低頻噪聲也有抑制作用，可以顯著改善信噪比，提高信號(hào)檢測(cè)精度[6-7]。

為了使相關(guān)雙采樣信號(hào)(SHP,SHD)位置[8]與CCD信號(hào)最佳位置對(duì)準(zhǔn)，通常會(huì)在地面實(shí)驗(yàn)階段選取最佳的采樣位置，進(jìn)行固化。但是由于空間環(huán)境溫度的大范圍變化，成像電路的器件會(huì)受到溫度[9]的影響而產(chǎn)生時(shí)序上的延時(shí)，從而導(dǎo)致采樣位置的不準(zhǔn)確。為了解決采樣位置受到溫度的影響而造成的圖像質(zhì)量下降，曲利新[10]提出將CCD驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)進(jìn)行分壓整形，以此作為采樣信號(hào)SHP與SHD的基準(zhǔn)，去除CCD驅(qū)動(dòng)器件受溫度影響后的延時(shí)，提高采樣信號(hào)與CCD信號(hào)之間相位的穩(wěn)定性。在航天應(yīng)用上，CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)種類(lèi)很多，占空比與采樣信號(hào)不一致，需要的整形電路過(guò)于復(fù)雜且難于實(shí)現(xiàn)，新加入的電路也會(huì)帶來(lái)新的溫度延時(shí)效應(yīng)；而且通過(guò)RC(Resistor-Capacitance)電路來(lái)調(diào)整延遲，精度不足。潘衛(wèi)軍[11]提出對(duì)CCD信號(hào)采樣位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CCD信號(hào)的相位變化，在線調(diào)整采樣時(shí)鐘相位來(lái)保證采樣位置，其采樣信號(hào)的選取依舊利用CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分壓整形，帶來(lái)了與上述同樣的問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先對(duì)造成溫度延時(shí)的鏈路進(jìn)行分析，提出高分辨力遙感相機(jī)CCD采樣位置自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)；然后將該技術(shù)用于CCD成像中，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，相關(guān)雙采樣信號(hào)的采樣位置與CCD信號(hào)在溫度大范圍變化的情況下，仍能精密對(duì)準(zhǔn)，保證了圖像信噪比的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像。

2 CCD采樣位置自適應(yīng)補(bǔ)償

成像電子學(xué)CCD采樣電路的設(shè)計(jì)中，CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序與采樣信號(hào)(SHP,SHD)的時(shí)序均由FPGA給出，其中SHP對(duì)復(fù)位區(qū)進(jìn)行采樣，SHD對(duì)信號(hào)區(qū)進(jìn)行采樣。由于復(fù)位區(qū)與信號(hào)區(qū)的信號(hào)平坦區(qū)域非常小(幾納秒)，因此采樣位置的確定是相關(guān)雙采樣中最重要的工作，一旦采到其他位置會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量有著很大的影響。在整個(gè)CCD采樣鏈路中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器與CCD從而產(chǎn)生CCD視頻信號(hào)，視頻處理器通過(guò)采樣信號(hào)對(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行采樣從而得到圖像數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采樣時(shí)序信號(hào)由FPGA產(chǎn)生，直接通過(guò)視頻處理器進(jìn)行采樣，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)表明，在兩個(gè)鏈路中受溫度影響而產(chǎn)生延時(shí)最大的是驅(qū)動(dòng)器芯片，F(xiàn)PGA與CCD器件受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的延時(shí)非常小。由于只有驅(qū)動(dòng)時(shí)序經(jīng)過(guò)了CCD驅(qū)動(dòng)芯片，這就帶來(lái)了采樣信號(hào)(SHP、SHD)與CCD信號(hào)在不同溫度下會(huì)有不同的延時(shí)、信號(hào)之間無(wú)法跟隨的問(wèn)題?？紤]到航天應(yīng)用的可行性以及穩(wěn)定性，在不引入過(guò)多電路的前提下，在采樣信號(hào)鏈路中增加相同的驅(qū)動(dòng)器芯片，使在不同的環(huán)境溫度下，采樣信號(hào)與CCD信號(hào)產(chǎn)生相同的溫度偏移量，補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的溫度延時(shí)，達(dá)到相位動(dòng)態(tài)跟隨的效果，從而獲取高質(zhì)量的圖像。該自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)信號(hào)鏈路圖如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)的CCD采樣鏈路Fig.1 Traditional CCD sampling link

圖2 自適應(yīng)補(bǔ)償CCD采樣鏈路Fig.2 Adaptive compensation CCD Sampling link

圖2中采樣信號(hào)與視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)相同型號(hào)的驅(qū)動(dòng)芯片，在溫度發(fā)生大范圍變化的時(shí)候，可以建立起一定的跟隨關(guān)系。這里假設(shè)驅(qū)動(dòng)時(shí)序鏈路上的驅(qū)動(dòng)器A受到溫度影響而產(chǎn)生的延時(shí)為γ1，采樣時(shí)序鏈路上的驅(qū)動(dòng)器B與CCD受到溫度影響而產(chǎn)生的延時(shí)為γ2與γ3，在溫度變化時(shí)，兩個(gè)鏈路的溫度延時(shí)之差是一個(gè)溫變值，將其定義為：

γDelay(T)= |γ1+γ2-γ3|，

(1)

其中T為溫度，在設(shè)計(jì)時(shí)將驅(qū)動(dòng)芯片A和B選用同種類(lèi)芯片，使得γ1與γ2基本一致，而CCD受到溫度變化產(chǎn)生的信號(hào)延遲γ3非常小，因此該設(shè)計(jì)使得兩個(gè)鏈路之間的延遲γDelay(T)達(dá)到最小化，在(-25～60 ℃)的溫度范圍內(nèi)，該延時(shí)最大僅為0.46 ns，具體參見(jiàn)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

3 采樣位置精密調(diào)節(jié)

CCD采樣鏈路中，驅(qū)動(dòng)時(shí)序與采樣時(shí)序均由一個(gè)FPGA給出，由于兩個(gè)鏈路中的信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的走線與器件到達(dá)視頻處理器，這會(huì)導(dǎo)致采樣時(shí)兩個(gè)信號(hào)之間存在一個(gè)固定的初始相位差。為了獲取高質(zhì)量的圖像，需要對(duì)采樣位置進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，使其對(duì)準(zhǔn)于CCD信號(hào)的最佳位置。利用DCM的PhaseShift功能可以實(shí)現(xiàn)輸入時(shí)鐘的相位移動(dòng)，以達(dá)到對(duì)采樣位置的精密調(diào)節(jié)。DCM的PhaseShift功能包括固定相位移動(dòng)和可變相位移動(dòng)，當(dāng)采用可變相位移動(dòng)時(shí)，可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的相位延時(shí)，延時(shí)時(shí)間定義為：

PhaseShift(ns)=

(2)

其中：PhaseShift Value的范圍為-255～255，CLKINperiod為CCD像元時(shí)鐘周期。

使用相位延時(shí)后時(shí)鐘對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行同步，即可實(shí)現(xiàn)采樣位置的高精度延時(shí)，如圖3所示。本文成像系統(tǒng)采用100 M時(shí)鐘，因此調(diào)節(jié)精度可達(dá)到0.039 ns(10 ns/256)。在CCD的復(fù)位區(qū)和信號(hào)區(qū)之內(nèi)調(diào)節(jié)采樣位置SHP與SHD，調(diào)節(jié)范圍各為±1 ns(信號(hào)平坦區(qū))，在該范圍內(nèi)調(diào)節(jié)到最佳位置。

圖3 采樣信號(hào)同步時(shí)序圖Fig.3 Sampling signal synchronization timing

未進(jìn)行精密調(diào)節(jié)時(shí)雙采樣初始相位誤差約為2.3 ns，采用本文方法精密調(diào)節(jié)后誤差可小于0.039 ns。

4 溫度動(dòng)態(tài)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證該方法的可行性，將帶有自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)方法的兩個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比成像。將兩個(gè)測(cè)試系統(tǒng)放于高低溫箱中，在常溫下(25 ℃)分別對(duì)兩個(gè)成像系統(tǒng)的初始采樣位置(SHP,SHD)進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，保證兩個(gè)系統(tǒng)在常溫下初始采樣位置都處在最佳點(diǎn)，成像質(zhì)量良好。在-25～60 ℃(空間相機(jī)地面環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試溫度)的溫度范圍下對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)行成像試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CCD采樣位置。其中每副圖像中左右兩部分各為全色圖像和多光譜圖像。

圖4 傳統(tǒng)方法圖像Fig.4 Image with and traditional method

從圖5高低溫圖像與常溫圖像的對(duì)比可以看出，帶有本文方法的測(cè)試系統(tǒng)在高低溫下成像效果均良好，全色圖像與多光譜圖像均與常溫對(duì)比沒(méi)有明顯變化。而傳統(tǒng)方法的測(cè)試系統(tǒng)在高溫和低溫的情況下，圖像的均勻性以及成像質(zhì)量受到了溫度的影響，在高溫條件下，全色圖像與多光譜圖像均出現(xiàn)不同程度的飽和現(xiàn)象，低溫條件下，圖像較常溫圖像變暗，如圖4所示。

圖6是示波器采集的不同溫度下傳統(tǒng)方法中CCD信號(hào)與采樣信號(hào)的相對(duì)位置圖，高溫時(shí)CCD信號(hào)由于驅(qū)動(dòng)芯片的原因，相位滯后于采樣信號(hào)，導(dǎo)致采樣信號(hào)SHP采到了CCD的復(fù)位電平上，圖像數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。低溫時(shí)CCD信號(hào)由于受到驅(qū)動(dòng)芯片的影響，相位提前于采樣信號(hào)，使采樣信號(hào)SHD落在了下一個(gè)信號(hào)的上升沿，得到的圖像偏暗。

圖5 本文方法圖像Fig.5 Image with proposed method

圖6 傳統(tǒng)方法采樣位置Fig.6 Sampling position with traditional method

在-25～60 ℃的溫度范圍下，對(duì)各溫度點(diǎn)下的相關(guān)雙采樣信號(hào)采樣位置與常溫下(25 ℃)的最佳位置之間的延時(shí)進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)與傳統(tǒng)方法的采樣位置延時(shí)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖7所示?？梢院苊黠@的看出，在溫度大范圍變化時(shí)，本文方法的采樣位置延時(shí)量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法。其中采樣位置受溫度而產(chǎn)生的延時(shí)最大值為0.46 ns，采樣信號(hào)依然落在CCD信號(hào)可采樣范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)成像質(zhì)量造成影響。

圖7 本文方法采樣位置偏移量與傳統(tǒng)方法采樣位置偏移量Fig.7 Sampling position offset with proposed method and traditional method

5 結(jié) 論

本文根據(jù)遙感相機(jī)在空間工作時(shí)大范圍溫度變化的現(xiàn)狀，提出了遙感相機(jī)CCD采樣位置自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)。文中首先對(duì)成像鏈路中的溫度延時(shí)進(jìn)行了分析，針對(duì)延時(shí)電路給出了航天應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償方法，并對(duì)采樣位置進(jìn)行初始精密調(diào)節(jié)。對(duì)本文的方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)對(duì)比及分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：相關(guān)雙采樣信號(hào)的初始位置調(diào)節(jié)精度小于0.039 ns；在-25～60 ℃的溫度范圍下，相關(guān)雙采樣信號(hào)延時(shí)最大值為0.46 ns，保證了準(zhǔn)確的采樣位置，成像質(zhì)量均為良好。該方法已在某空間遙感相機(jī)上得到了在軌應(yīng)用，下傳圖像的質(zhì)量良好。