劉 明,侯作勛,李 馨

(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

0 引言

隨著成像傳感器分辨率的提高以及衛(wèi)星平臺復(fù)雜性和敏捷性的增強(qiáng),平臺抖動對空間遙感相機(jī)影像成像質(zhì)量、幾何處理等方面的影響愈發(fā)顯著[1]。當(dāng)空間遙感相機(jī)工作時,由于高幀頻CCD 相機(jī)的積分時間非常短,近似于凍結(jié)了圖像的低頻運(yùn)動,對于高頻分量少的擾動,仍然可以采集到清晰的圖像。當(dāng)高頻分量擾動較大時,會影響空間遙感相機(jī)的成像質(zhì)量。 空間遙感相機(jī)凝視的積分時間較長,為了在較長的積分時間內(nèi)能夠穩(wěn)定成像,需要設(shè)計穩(wěn)像控制系統(tǒng),解決成像積分時間內(nèi)由于衛(wèi)星平臺的殘余抖動引起的圖像模糊問題[2-3]。

針對上述問題,Janschek 等提出了一種采用輔助的面陣圖像傳感器和光學(xué)相關(guān)器來完成實時光軸偏移測量,利用光學(xué)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)完成實時的光軸測量,利用光學(xué)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)在光路上通過主動光機(jī)補(bǔ)償焦平面上的運(yùn)動圖像的穩(wěn)定成像方法[4]。 徐之海等提出采用高幀頻CCD 相機(jī)獲取光軸偏移量,再采用微位移平臺驅(qū)動焦平面跟蹤光軸的偏移來對光軸的偏移進(jìn)行有效的補(bǔ)償[5]。

穩(wěn)像相機(jī)是獲取信息實現(xiàn)閉環(huán)控制的輸入和核心,是穩(wěn)像系統(tǒng)的重要組成部分[6]。 本文設(shè)計的穩(wěn)像相機(jī)和遙感相機(jī)使用同一光路,穩(wěn)像相機(jī)獲取光軸上的圖像,穩(wěn)像控制器計算光軸偏移量,再根據(jù)偏移量調(diào)節(jié)擺鏡,使光軸始終位于遙感相機(jī)的焦平面中心。 為了獲得較高的穩(wěn)像控制帶寬,要求穩(wěn)像相機(jī)必須具備千赫茲量級的成像幀頻,這就要求相機(jī)具備高靈敏度、低噪聲的特點,并可以在極短曝光條件下獲取圖像信息;同時相機(jī)需要具備大面陣成像能力,以期拍攝獲得足夠大的地物場景,為尋找細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域開展幀間關(guān)聯(lián)提供可能[7-9]。 綜合而言,相機(jī)需要具有大面陣、高動態(tài)范圍、低噪聲成像和動態(tài)高幀頻開窗成像的能力。 此外,由于穩(wěn)像相機(jī)通常和遙感相機(jī)共用一個光路,可利用面積較小,需具備輕小型的特征,這些都是穩(wěn)像相機(jī)需要攻關(guān)的技術(shù)難題[10]。

1 穩(wěn)像相機(jī)電子學(xué)設(shè)計

1.1 穩(wěn)像相機(jī)架構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的穩(wěn)像相機(jī)采用宇航級元器件設(shè)計方案,核心元器件有CMOS 傳感器、FPGA、驅(qū)動高精度時鐘控制芯片(CDCM7005)和SERDES 高速傳輸芯片(TLK2711),電路架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 穩(wěn)像相機(jī)電路原理框圖Fig.1 Schematic diagram of image stabilization camera circuit

FPGA 驅(qū)動CMOS 圖像傳感器成像,CMOS 圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA 預(yù)處理后直接發(fā)送至TLK2711 芯片實現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換功能;反熔絲PROM 芯片實現(xiàn)FPGA 的配置功能;B54ACS164245SARH 芯片實現(xiàn) LVTTL 電平和 LVCMOS 電平件的轉(zhuǎn)化,JSR26C31AF 芯片實現(xiàn)遙控數(shù)據(jù)的接收、JSR26C32F-S 芯片實現(xiàn)遙測的發(fā)送;ZA517-40M 晶振是FPGA 的啟動時鐘,當(dāng)FPGA 啟動后驅(qū)動時鐘同步芯片(CDCM7005MHFG-V)實現(xiàn)兩個TLK2711接口芯片和FPGA 時鐘嚴(yán)格同步。

1.2 高速SerDes 電路設(shè)計

FPGA 驅(qū)動CMOS 圖像傳感器,傳感器輸出12通道并行數(shù)據(jù),FPGA 將數(shù)據(jù)進(jìn)行排序后將高四位填充0,按照16 bit 并行輸入到 SerDes 型 TLK2711芯片。 以SerDes 為物理層協(xié)議充分利用8b/10b 編解碼功能來提高可靠性,采用簡單的用戶接口,為實現(xiàn)與不同上層協(xié)議的接口提供了良好的兼容性[11]。

由于SerDes 接口電路采用16 bit 數(shù)據(jù)高速并行傳輸,設(shè)計電路時需要重點考慮時鐘的完整性。 傳統(tǒng)的設(shè)計方案如圖2 所示,FPGA 的時鐘由外部晶振提供,再由FPGA 的時鐘控制單元DCM 產(chǎn)生時鐘輸出至SerDes 芯片。 時鐘管理單元產(chǎn)生的全局時鐘 jitter 為 150 ps,全局時鐘 skew 為 110 ps。 SerDes型 TLK2711 芯片要求鐘 jitter 小于 40 ps。 因此,傳統(tǒng)設(shè)計方案不能滿足設(shè)計要求。

圖2 原始SerDes 接口電路設(shè)計方案Fig.2 Original SerDes interface circuit design

本文提出一種新的設(shè)計方案,新方案采用CDCM7005 芯片實現(xiàn)FPGA 時鐘與TLK2711 時鐘的抖動清除和同步控制。 CDCM7005 是德州儀器公司推出的一款具有低噪聲性能的時鐘同步與抖動清除器,外部控制器可以通過其邏輯接口對其實現(xiàn)編程控制,該器件可以實現(xiàn)2.2 GHz 壓控晶體振蕩器頻率與基準(zhǔn)時鐘中同步,具有較大的應(yīng)用靈活性[12]。改進(jìn)后的設(shè)計方案如圖3 所示,電路上電時,FPGA首先接收外部晶振的時鐘進(jìn)行初始化,FPGA 啟動后通過 SPI 總線驅(qū)動 CDCM7005;CDCM7005 以外部壓控時鐘為基準(zhǔn)時鐘,以FPGA 輸出時鐘為參考時鐘,產(chǎn)生3 個同步時鐘,供2 路 TLK2711 和1 路FPGA 使用,達(dá)到3 個時鐘完全同步且抖動較小。

圖3 改進(jìn)后SerDes 接口電路設(shè)計方案Fig.3 Design scheme of improved SerDes interface circuit

1.3 高速宇航級PCB 布局設(shè)計

穩(wěn)像相機(jī)焦平面和遙感相機(jī)焦平面共用成像光路,因此穩(wěn)像相機(jī)可用電路面積較小。 為了滿足穩(wěn)像相機(jī)的可靠性設(shè)計要求,需要整機(jī)除傳感器外都采用面積較大宇航級元器件。 傳統(tǒng)的CMOS 相機(jī)通常使用板間連接器連接各電路板,該方法占用面積較大,不能滿足目前的實際情況。 本方案中通過優(yōu)化PCB 布局設(shè)計,將大面積的宇航級元器件合理的擺放在焦平面電路、信號處理電路和接口電路上,并將3 種電路集成在一塊剛撓板上,最大限度節(jié)省電路面積。

穩(wěn)像相機(jī)需要+2.2 VA、+3.5 VA、+3.3 VA、+1.5 VD、+3.3 VD 和+2.5 VD 等 6 路二次電,焦平面電路板上圖像傳感器對電壓精度要求較高,在焦面電路上采用6 路LDO 實現(xiàn)電源供電,在PCB 布局過程中,LDO 就近放置于傳感器供電引腳,LDO芯片轉(zhuǎn)化電壓后就近給圖像傳感器供電;信號處理電路板需要+1.5 VD、+3.3 VD 和+2.5 VD,接口電路板需要+3.3 VD 和+2.5 VD,焦平面電路電路板轉(zhuǎn)化后的電源輸送至信號處理電路和接口電路。 進(jìn)行PCB 設(shè)計時需要對電源層進(jìn)行詳細(xì)劃分,盡量將供電相同的芯片放在一個供電條帶上,電源層上下需要設(shè)置地層,減少電源層對高速信號的干擾,穩(wěn)像相機(jī)PCB 的布局和電源走向如圖4 所示。

圖4 高速宇航級PCB 布局圖Fig.4 Layout of high speed Aerospace PCB

1.4 穩(wěn)像相機(jī)軟件設(shè)計

穩(wěn)像相機(jī)工作時首先進(jìn)入全畫幅成像模式,搜索到特定目標(biāo)后,進(jìn)入閉環(huán)控制成像模式。 穩(wěn)像相機(jī)接收全畫幅的成像指令后,FPGA 配置CMOS 圖像傳感器分辨率為1 280×1 024,并根據(jù)遙控指令要求配置圖像傳感器曝光時間、增益以及是否打開片上FPN 校正。 FPGA 能夠根據(jù)遙控指令設(shè)置的幀頻定時生成曝光觸發(fā)信號,驅(qū)動CMOS 圖像傳感器根據(jù)設(shè)定的曝光時間完成全局曝光,并按照傳感器預(yù)設(shè)的視頻輸出時序?qū)σ曨l進(jìn)行接收和采集[13-14]。

穩(wěn)像相機(jī)閉環(huán)控制成像模式與全畫幅工作模式基本相同,但在穩(wěn)像相機(jī)閉環(huán)控制模式下,FPGA 需要根據(jù)遙控指令的調(diào)整開窗位置。 由于傳感器以SLOT 為基本單元讀取數(shù)據(jù),一個SLOT 讀取24 個像元,在開窗采集時,一行32 個像元可能需要2 或3 個SLOT 完成讀取,具體數(shù)量同開窗位置有關(guān)。FPGA 應(yīng)根據(jù)遙控指令設(shè)置的開窗起始位置,計算讀取一行數(shù)據(jù)涉及的SLOT 數(shù)量并及時調(diào)整CMOS傳感器的配置參數(shù)。

FPGA 對于從CMOS 圖像傳感器采集到的原始視頻流進(jìn)行預(yù)處理,要求剔除掉幀開始、行開始、幀結(jié)束、行結(jié)束、灰/黑校正列數(shù)據(jù)、校驗數(shù)據(jù)、列不一致定校正以及同步訓(xùn)練數(shù)據(jù),僅保留有效視頻圖像數(shù)據(jù)。 將有效視頻圖像數(shù)據(jù)按照行列遞增逐點掃描方式進(jìn)行重排,對重排后的數(shù)據(jù)存入 FPGA 上SRAM 構(gòu)建的 FIFO 進(jìn)行緩存。 當(dāng) FPGA 接收到待機(jī)指令后,不再驅(qū)動CMOS 圖像傳感器,此時將不輸出視頻圖像。

2 測試與試驗

2.1 幀頻測試

在穩(wěn)像相機(jī)閉環(huán)控制成像模式下對幀頻和成像時間進(jìn)行測試,根據(jù)要求穩(wěn)像相機(jī)在接收成像指令后需要10 ms 后進(jìn)入32×32@2 000 fps 的閉環(huán)成像模式。 如圖5 所示,CH2 通道為穩(wěn)像相機(jī)狀態(tài)信號,低電平時表示接收到成像指令開始成像;CH1通道為圖像2711 接口輸出狀態(tài)信號,高電平有效,示波器顯示其頻率為2 000 Hz。 實際測試得相機(jī)在接收指令 2. 7 ms 后開始成像, 圖像幀頻為2 000 fps,滿足要求。

圖5 穩(wěn)像相機(jī)32×32@2 000 fps 工作時示波器測試圖Fig.5 Image stabilization camera 32×32@2 000 fps oscillograph test chart at work

2.2 成像試驗

根據(jù)系統(tǒng)要求,搭建了系統(tǒng)測試平臺,如圖6 所示,將典型地物圖像微縮底片放置在平行光管前,調(diào)節(jié)光源亮度,光束經(jīng)過平行光管后由擺鏡反射至穩(wěn)像相機(jī)焦平面?zhèn)鞲衅?信號發(fā)生器輸出任意的信號擾動擺鏡,模擬光學(xué)系統(tǒng)主光軸抖動。 穩(wěn)像相機(jī)工作時首先進(jìn)入1 280×1 024@50 fps 全畫幅搜索模式,當(dāng)選取到合適的場景后,進(jìn)入32×32@2 000 fps閉環(huán)控制模式。 進(jìn)入閉環(huán)控制模式后,穩(wěn)像控制器根據(jù)穩(wěn)像圖像計算像元的偏移量,擺鏡根據(jù)偏移量進(jìn)行調(diào)整,使光軸一直處于遙感相機(jī)中心,消除成像積分時間內(nèi)由于光軸抖動引起的圖像模糊,達(dá)到遙感相機(jī)穩(wěn)像的目的。

圖6 穩(wěn)像系統(tǒng)測試環(huán)境示意圖Fig.6 Schematic diagram of image stabilization system test environment

穩(wěn)像相機(jī)首先進(jìn)入1 280×1 024@50 fps 全畫幅工作模式成像圖如圖7 所示,當(dāng)穩(wěn)像相機(jī)搜索到目標(biāo)后進(jìn)入閉環(huán)模式,在穩(wěn)像相機(jī)工作期間,遙感相機(jī)在閉環(huán)前和閉環(huán)后成像裝情況如圖8 所示,遙感相機(jī)在穩(wěn)像相機(jī)進(jìn)入閉環(huán)模式后,成像分辨率得到大幅度提升,同時驗證了穩(wěn)像相機(jī)和穩(wěn)像系統(tǒng)有效。

圖7 穩(wěn)像相機(jī)全幀工作拍攝圖片F(xiàn)ig.7 Full frame working pictures of image stabilization camera

圖8 遙感相機(jī)不同時刻成像圖Fig.8 Image of remote sensing camera at different times

3 結(jié)論

本文介紹了遙感衛(wèi)星中穩(wěn)像相機(jī)電子學(xué)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。 穩(wěn)像相機(jī)焦平面和遙感相機(jī)焦平面共用成像光路,因此穩(wěn)像相機(jī)可用電路面積較小。 本方案通過優(yōu)化PCB 布局設(shè)計,將大面積的宇航級元器件合理的擺放在焦平面電路、信號處理電路和接口電路上,并將3 種電路集成在一塊剛撓板上,最大限度節(jié)省電路面積。 實際測試得穩(wěn)像相機(jī)最大外包落為114 mm×58 mm×69 mm、質(zhì)量697 g、功耗小于6 W;為了獲得較高的穩(wěn)像控制帶寬,要求穩(wěn)像相機(jī)必須具備千赫茲量級的成像幀頻,這就要求相機(jī)具備高靈敏度、低噪聲的特點,并可以在極短曝光條件下獲取圖像信息;同時相機(jī)需要具備大面陣成像能力,以期拍攝獲得足夠大的地物場景,為尋找細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域開展幀間關(guān)聯(lián)提供可能。 根據(jù)穩(wěn)像方案需求和傳感器的特性,將穩(wěn)像相機(jī)設(shè)計成具有1 280×1 024 @ 50 fps 全 畫幅 搜 索 模 式 和 32 × 32@2 000 fps 閉環(huán)控制模式。 在穩(wěn)像測試系統(tǒng)中測試得到以下結(jié)論:穩(wěn)像相機(jī)在全幀頻模式下成像清晰;遙感相機(jī)在穩(wěn)像相機(jī)進(jìn)入32×32@2 000 fps 閉環(huán)模式后,圖像分辨率得到大幅度提升,滿足工程應(yīng)用要求。

該穩(wěn)像相機(jī)的電子學(xué)設(shè)計方法可以廣泛應(yīng)用于遙感衛(wèi)星中。 該穩(wěn)像相機(jī)具有1 280×1 024@50 fps全畫幅搜索模式,也可執(zhí)行天基監(jiān)視和對地遙感等任務(wù)。