關(guān)晨輝，林宏宇，彭呈祥

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

0 引言

由于傳統(tǒng)地基天文望遠(yuǎn)鏡成像會(huì)受到天光散粒噪聲的干擾，且在云雨天氣時(shí)不具備天文觀測(cè)能力；與地基天文望遠(yuǎn)鏡相比，部署于太空的天基天文望遠(yuǎn)鏡不受星光背景和大氣條件掣肘，從而具備了全天候觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)。因此，研究天基天文望遠(yuǎn)鏡技術(shù)對(duì)提高天文觀測(cè)效率，獲取高質(zhì)量天文信息是極其必要的。在天基天文望遠(yuǎn)鏡組成結(jié)構(gòu)中，成像傳感器是其核心器件。雖然BMCCD器件性能優(yōu)異，但價(jià)格高昂，且成像電路較為復(fù)雜，電路規(guī)模大，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)空間和供電功率等提出了較高的要求，大大提高了天基天文望遠(yuǎn)鏡的成像電路設(shè)計(jì)難度[1]，而科學(xué)級(jí)CMOS圖像傳感器具有低功耗，低成本，高集成度，大面陣等優(yōu)點(diǎn)，可簡(jiǎn)化天基天文望遠(yuǎn)鏡成像電路的設(shè)計(jì)方案，縮短設(shè)計(jì)周期[2]。國(guó)產(chǎn)Gsense400BSI是一款具有低噪聲、高靈敏度和高動(dòng)態(tài)范圍的sCMOS傳感器，傳感器采用卷簾曝光模式，并通過(guò)相關(guān)雙采樣技術(shù)對(duì)噪聲進(jìn)行抑制，且其輸出圖像數(shù)據(jù)位寬可達(dá)12位，滿足商業(yè)化的天基望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用需求。

因此，基于Gsense400BSI，研制出一種低功耗、高集成度和高可靠性的商業(yè)天基望遠(yuǎn)鏡成像電路，可實(shí)現(xiàn)高效能的天文觀測(cè)。在商業(yè)天基天文觀測(cè)領(lǐng)域，此成像電路具備了廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 電子學(xué)設(shè)計(jì)

基于sCMOS的天基天文望遠(yuǎn)鏡成像電路由FPGA主控電路、sCMOS焦面電路和接口電路組成。成像電路電子學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為滿足電路輕小型化、低功耗的要求，采用SPARTAN-6系列FPGA芯片作為圖像處理的主控芯片，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像采集傳感器的控制，采集數(shù)據(jù)的編碼還原、緩存、傳輸，對(duì)DDR3的讀取，以及圖像輸出的控制。為滿足在高動(dòng)態(tài)成像模式下存儲(chǔ)兩幀圖像實(shí)現(xiàn)合成高動(dòng)態(tài)圖像的需要，采用兩片高速DDR3實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的乒乓緩存[3]，F(xiàn)PGA與sCMOS之間采用LVDS接口進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Circuit diagram

焦面電路由sCMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)圖像的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。考慮到sCMOS器件成像質(zhì)量對(duì)熱敏感，結(jié)合供電紋波要求高的條件，采用低噪聲的LDO電源芯片提供工作電壓[4]，在滿足驅(qū)動(dòng)能力的條件下減小LDO電壓差，采用MP20051實(shí)現(xiàn)sCMOS焦面電路的供電設(shè)計(jì)，在減小電源紋波的同時(shí)降低了焦面電路的熱耗。針對(duì)Gsense400BSI部分供電需求為恒流源，采用雙電阻分壓后經(jīng)過(guò)跟隨器構(gòu)成滿足特定電壓的恒流源電路[5]。跟隨器采用集成運(yùn)放LT6220設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

接口電路主要集成了接口芯片以及電源芯片，實(shí)現(xiàn)通信、圖像數(shù)據(jù)輸出和供電電平轉(zhuǎn)換等功能。

1.2 FPGA設(shè)計(jì)

采用FPGA實(shí)現(xiàn)配置傳感器工作模式、緩存圖像數(shù)據(jù)以及發(fā)送傳感器圖像數(shù)據(jù)等功能。FPGA程序詳細(xì)框圖如圖2所示。

1.2.1 時(shí)鐘管理模塊

電路時(shí)鐘由傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘、DDR3控制器的讀寫時(shí)鐘、通信接口波特率時(shí)鐘、數(shù)據(jù)LVDS傳輸時(shí)鐘等組成。為保證傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的精度，采用外置高精度25MHz差分晶振作為探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。FPGA使用鎖相環(huán)對(duì)外部輸入200MHz差分時(shí)鐘進(jìn)行分頻，分別產(chǎn)生DDR3控制器讀寫時(shí)鐘、通信接口波特率時(shí)鐘、數(shù)據(jù)LVDS傳輸時(shí)鐘。由于需要對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行跨時(shí)鐘域采樣，F(xiàn)PGA內(nèi)置鎖相環(huán)產(chǎn)生的時(shí)鐘還包括150MHz傳感器數(shù)據(jù)采樣同步時(shí)鐘。

圖2 FPGA程序框圖Fig.2 FPGA program diagram

1.2.2 工作模式配置

系統(tǒng)完成上電復(fù)位之后，需要通過(guò)SPI總線設(shè)置圖像傳感器的寄存器，SPI時(shí)鐘最大為25MHz，配置時(shí)序如圖3所示。

FPGA 的Gsense400BSI 控制模塊有3個(gè)功能：1)通過(guò)SPI接口配置傳感器的PGA(可編程增益放大器)；2)通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像傳感器并行驅(qū)動(dòng)配置和12路像素?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；3)通過(guò)12路LVDS接收來(lái)自圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)。

圖3 SPI時(shí)序Fig.3 SPI sequence diagram

1.2.3 時(shí)序Trainning

Gsense400BSI傳感器為了保證LVDS數(shù)據(jù)到達(dá)接收端的時(shí)序一致性，提供了LVDS數(shù)字Training功能。利用輸出的Training word對(duì)多個(gè)并行通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位對(duì)齊、字對(duì)齊、通道調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。如圖4所示為4路LVDS的訓(xùn)練過(guò)程。當(dāng)數(shù)字輸入引腳被拉高時(shí)，8路LVDS輸出trainning序列，如果“Train”信號(hào)的脈沖寬度是一個(gè)像素時(shí)鐘，8路LVDS引腳將輸出一組Training序列。本設(shè)計(jì)中采用FPGA門電路陣列實(shí)現(xiàn)延遲抽頭，最終實(shí)現(xiàn)序列的延遲矯正。

圖4 LVDS時(shí)序訓(xùn)練Fig.4 LVDS Timing Trainning

1.2.4 圖像緩存模塊

傳感器圖像數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘為150MHz，為了便于圖像采集時(shí)序設(shè)計(jì)，采用2片DDR3作為數(shù)據(jù)緩存，讀寫方式采用乒乓結(jié)構(gòu)[6]，如圖5所示。其中讀寫狀態(tài)機(jī)的控制是緩存模塊邏輯控制的核心。該控制器根據(jù)讀寫狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)產(chǎn)生讀和寫命令、地址、數(shù)據(jù)、和突發(fā)長(zhǎng)度等信息，從而確保了數(shù)據(jù)不間斷的傳輸。由于讀寫DDR3的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行位寬轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA開設(shè)FIFO空間對(duì)讀寫數(shù)據(jù)緩存[7]。

圖5 DDR3讀寫驅(qū)動(dòng)Fig.5 Reading and writing of DDR3 drives

1.3 快速自動(dòng)曝光算法設(shè)計(jì)

自動(dòng)曝光算法用于在相機(jī)景物亮度發(fā)生變換時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整相機(jī)曝光時(shí)間，使圖像亮度值保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。自動(dòng)曝光算法通過(guò)計(jì)算上一幀圖像數(shù)據(jù)值確定本幀圖像的曝光時(shí)間，連續(xù)迭代直至工作結(jié)束。該算法根據(jù)相機(jī)場(chǎng)景中的云、強(qiáng)光照等特殊條件進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，可適應(yīng)復(fù)雜的場(chǎng)景變化，調(diào)整迅速精準(zhǔn)[8]。

一幅圖像中，圖像的灰度分布情況可以反映不同的圖像質(zhì)量，灰度直方圖在各個(gè)灰度值上分布越均勻，圖像對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍就越寬，圖像自然就越清晰。在這里用圖像熵來(lái)定義灰度直方圖的均勻性[9]。按照式(1)定義圖像信息熵函數(shù)：

(1)

其中，N為灰度基數(shù)，Pi為每個(gè)灰度級(jí)出現(xiàn)的概率。

自動(dòng)曝光算法采用圖像分塊加權(quán)和圖像熵相結(jié)合的方式進(jìn)行自動(dòng)曝光控制。算法將相鄰的4×4像素計(jì)算平均值后合并為1個(gè)像素，得到512×512大小圖像。將該圖像劃分為64×64相同大小的64塊。分別計(jì)算64塊圖像的圖像熵，根據(jù)各塊圖像熵計(jì)算結(jié)果和對(duì)應(yīng)加權(quán)系數(shù)(如圖6所示)，計(jì)算當(dāng)前圖像亮度值。圖像平均亮度按照式(2)計(jì)算：

(2)

其中，DNcur_ave：當(dāng)前圖像平均DN值；AVEi為第i塊圖像平均DN值；αi為第i塊圖像加權(quán)系數(shù)。

圖6 圖像熵與加權(quán)系數(shù)曲線圖Fig.6 Image entropy and weighting coefficient graph

其中，Eave為整幅圖像平均圖像熵，Emin為整幅圖像最小圖像熵。

根據(jù)當(dāng)前亮度值通過(guò)查找表方式得出調(diào)整系數(shù)[10](如圖7所示)，計(jì)算出下一幀曝光時(shí)間，用于控制成像。

Tnext=Tcur×C

(3)

其中，Tnext為下一幀曝光時(shí)間，Tcur為當(dāng)前幀曝光時(shí)間，C為加權(quán)系數(shù)。

圖7 圖像DN值與加權(quán)系數(shù)曲線圖Fig.7 The coefficient curve of Image DN value and weighting

曝光時(shí)間控制算法流程如圖8所示。

圖8 算法流程圖Fig.8 Algorithm flowchart

2 實(shí)驗(yàn)分析

該成像電路在熱真空試驗(yàn)驗(yàn)證中，成像模式下總功耗小于2W，傳感器溫升小于0.1℃，通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)分析，電路連續(xù)工作且在最大曝光時(shí)間5s時(shí)，高溫60℃工況下噪聲低于20個(gè)電子，低溫-25℃工況下噪聲低于5個(gè)電子。

在軌驗(yàn)證中，文章提出的成像電路運(yùn)行穩(wěn)定，且可根據(jù)觀測(cè)需求調(diào)整曝光時(shí)間、幀頻等觀測(cè)參數(shù)。在成像狀態(tài)良好的情況下，成像樣例圖如圖9-圖11所示。

根據(jù)觀測(cè)圖像顯示，基于此成像電路的天文望遠(yuǎn)鏡可對(duì)銀河系、大麥哲倫星云等天文目標(biāo)進(jìn)行清晰觀測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間動(dòng)目標(biāo)和高能射線爆發(fā)等天文現(xiàn)象有效的監(jiān)測(cè)。

圖9 成像電路拍攝的銀河系圖像Fig.9 Image of the Milky Way taken by the imaging system

圖10 空間動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)圖Fig.10 Surveillance Image of space moving target

圖11 南大西洋區(qū)高能射線圖Fig.11 High-energy ray map of the South Atlantic

3 結(jié)論

基于Gsense400BSI傳感器設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于商業(yè)天基望遠(yuǎn)鏡的成像電路。以FPGA器件為驅(qū)動(dòng)控制核心開展了成像電路的軟硬件設(shè)計(jì)。此成像電路通過(guò)了熱循環(huán)試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)、進(jìn)行了環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證了空間環(huán)境適應(yīng)性。在軌工作穩(wěn)定，圖像各項(xiàng)指標(biāo)滿足商業(yè)天基望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用需求。在商業(yè)天基天文觀測(cè)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。