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摘 要：大面阵CCD作为成像器件已经广泛应用在航空侦察，航天遥感领域。目前大面阵CCD具有高帧频，大容性负载，多抽头输出的特点。针对这些特点，文中通过分析大面阵CCD成像原理，对大面阵CCD成像系统关键技术进行了认真地研究和分析。设计了以FPGA作为核心处理器的大面阵CCD成像系统。采用自顶向下的设计方式，可以灵活设计大面阵CCD驱动模式，满足用户的各种成像模式需求。
进入21世纪以来，我国的科技发展速度不断加快，推动了CCD成像系统的发展。对此，文章通过下文对大面阵 CCD成像系统关键技术进行了阐述，进而有关单位及工作人员提供一定的借鉴作用。
关键词：大面阵CCD；成像；关键技术
一、大面阵CCD工作原理
电荷耦合器件是CCD的全称，CCD器件工作过程包括光电转换、电荷存储、电荷转移、电荷检测四个步骤。其中光电转换与电荷存储是在光电二极管内进行，电荷转移是在垂直CCD与水平CCD进行，电荷的检测是在FD放大器进行的。
大面阵CCD按电荷转移的方式可以分成全帧型面阵CCD，帧转移型面阵CCD，行间转移面阵CCD几种类型。无论哪种结构的CCD，都是遵循上述的四个步骤对进行光电转换，完成成像功能。其中帧转移型面阵CCD最早应用在面阵成像中，但是帧转移面阵CCD容易产生图像的拖影和漏光，尤其不适用在高速航空拍摄环境。全帧型面阵CCD具有感光面积大，动态范围大的优势，但是成像过程需要结合机械快门才能完成成像功能。因此，目前的航空侦察多采用行间转移型的面阵CCD作为成像器件，它具有转移效率高，具有电子快门功能的特点，是最适合动态成像的面阵CCD。
二、关键技术分析
1、大面阵CCD驱动技术
随着CCD结构的逐渐复杂和像元数量的不断增加，很多厂家开发了用于CCD驱动的功率驱动芯片和时序产生芯片。例如飞利浦公司开发的功率驱动芯片TDA9991和时序发生芯片SAA8103。通过时序发生芯片和功率驱动芯片的组合，可以满足特定型号的大面阵CCD功率驱动和时序驱动的需求。
专用芯片是有一定针对型的，对于各个CCD器件不同的特性，需要采用不同的驱动电路对其进行驱动，因此本文提出一种基于电荷泵原理的通用型水平转移驱动电路。该驱动电路以intersil公司推出的功率驱动器EL7158作为驱动单元，利用电容两端压差不能突变的原理，利用高速开关二极管导通截止，设计满足CCD水平信号需要的钳位电平，完成高速水平驱动信号的设计。该电路图如图1所示，可以达到最快40MHZ的水平转移速率，压差满足16V，容性负载最大2200pf的设计指标，满足绝大多数面阵CCD的驱动需求。
其次，设计垂直转移驱动。只有低信号存在于垂直驱动中，速度都小于25kHz，其中根据EL715X的要求对电压摆幅和XG的负载进行确定，为了将电路板的面积降低下来，在对XG信号进行驱动时，可以对EL716进行使用。不但XG，由于电压范围的问题，全部的垂直转移驱动都应该将离散电路搭建起来。和水平转移驱动进行比较有着一定的差异，有更大的电容负载会存在于垂直转移驱动中，为了能够使更好的边沿特性会存在于驱动信号中，对H1L用MOS进行取代，也因为有持续电流输出会存在于后者中。在将像素信号在水平转移信号中移除出来的时候，应该在电平状态中对纵向驱动信号进行保持，在用半波整流二极管和隔直电容对离散驱动电路进行搭建的时候，这样就会有交流的变化长时间的出现在输入的信号中，这样就会在截止的状态存在着管，因此，不动态为驱动输出的主要形式，所以，在设计离散线路的时候，一定要确保脉冲输入在很长时间内没有出现的状态下将低电平输出来。
2、多路视频AD设计技术
视频信号处理既要满足宽频带的指标要求，保证有足够的信噪比（S/N）和量化位数，又要满足低噪声放大的指标要求。
在CCD模拟视频信号中，包含着很多噪声成分，为了保证得到高信噪比的视频信号，提取高质量的有用信号，必须对这些噪声予以抑制，所以对视频信号的后续处理非常重要。视频信号处理功能框图如图2示，包括隔直箝位、相关双采样、可编程增益放大器、偏置调整与暗电平校正、A/D转换器和时序控制几
现在一些大规模集成信号处理器包括了相关双采样、可编程增益放大器、A/D转换器、偏置调整与暗电平校正等功能，既减小了处理电路的体积又增加了可靠性。根据总体指标，可选用TI公司的集成信号处理器VSP2270，表1列举了VSP2270的主要性能参数。
集成信号处理器VSP2270的内部功能图如图3所示，由图中可以看出VSP2270包括CDS 、10位数字可编程增益放大器PGA 、10bitA/D转换器和可控暗电平自动校正器等，可控参数的设置通过串行接口进行加载。
3、图像缓存与整合技术
由于大面阵CCD器件为保证高帧频输出均采用多抽头同时输出的模式，因此与传统的逐行输出模式相比，在成像系统中需要设计图像缓存单元，并且按着系统需求，采用逐行或者隔行的模式进行重组后输出。图像缓存单元应该采用乒乓操作，保证系统的实时性。同时在缓存过程中，由于采用多个AD进行转换，且CCD存在片内响应非均匀性，片间响应非均匀性的特点，需要对整个图像进行响应一致性的矫正，保证图像输出响应一致性。对于响应一致性的矫正，需要对成像系统进行辐射定标，确定个通道响应度曲线，并通过两点或多点法进行硬件实时校正。
4、设计FPGA控制系统技术
整个系统的控制任务和时序发生都是有FPGA来承担的，因此，根据各个公司不同，对不同的芯片进行选择。确保有着合适的工作速度存在于所使用的芯片中，RAM在其中对分布模块和IO等都要给予满足，并且，对于寄存器资源上也有着较高的要求，对于整个的输出缓存和控制需求上都应该给予满足，例如，可以对一定的描述语言进行使用，来进行此种设计，合理的出开发环境。一般的时候，会有曝光控制单元、帧速调整单元和直方图统计单元存在于相机系统中，连续多次拍照的功能一定要存在于其中。将5个电路应用到DCM中，为了能够将时钟信号有效的生成出来，有效的控制出现延时情况时的信号。总而言之，还有大量的富余会存在于FPGA中，能够为更大分辨率的CCD设计和添加后续功能提供一定的帮助。
三、结论
本文通过分析面阵CCD特点和工作原理，提出了基于FPGA的大面阵CCD成像系统，分析了大面阵成像系统设计时需要考虑的主要指标，并设计了相应的驱动电路，介绍了大面阵CCD成像的关键技术，对于大面阵CCD成像系统设计具有一定的工程指導意义。
参考文献
[1]黄美玲，张伯珩，边川平等.科学技术与工程[J].CCD和CMOS图像传感器性能比较（英文）.2007（07）.
[2]刘光林，杨世洪，吴钦章，等.高分辨率全帧CCD相机电路系统的设计[J].中国科学院研究生院学报.2007（08）.
[3]朱宏殷，郭永飞，司国良.多TDICCD拼接相机成像非均匀性实时校正的硬件实现[J].光学精密工程.2013（05）.
[4]时利勇，刘百玉，欧阳娴等.一种用电光幵关的高速、高压电脉冲的产生[J].光子学报.2006（08）.
作者简介：刘翠（1982-），性别：女，民族：汉，籍贯：吉林长春，职称：助理研究员学历：硕士研究生，研究方向：数字图像处理。
进入21世纪以来，我国的科技发展速度不断加快，推动了CCD成像系统的发展。对此，文章通过下文对大面阵 CCD成像系统关键技术进行了阐述，进而有关单位及工作人员提供一定的借鉴作用。
关键词：大面阵CCD；成像；关键技术
一、大面阵CCD工作原理
电荷耦合器件是CCD的全称，CCD器件工作过程包括光电转换、电荷存储、电荷转移、电荷检测四个步骤。其中光电转换与电荷存储是在光电二极管内进行，电荷转移是在垂直CCD与水平CCD进行，电荷的检测是在FD放大器进行的。
大面阵CCD按电荷转移的方式可以分成全帧型面阵CCD，帧转移型面阵CCD，行间转移面阵CCD几种类型。无论哪种结构的CCD，都是遵循上述的四个步骤对进行光电转换，完成成像功能。其中帧转移型面阵CCD最早应用在面阵成像中，但是帧转移面阵CCD容易产生图像的拖影和漏光，尤其不适用在高速航空拍摄环境。全帧型面阵CCD具有感光面积大，动态范围大的优势，但是成像过程需要结合机械快门才能完成成像功能。因此，目前的航空侦察多采用行间转移型的面阵CCD作为成像器件，它具有转移效率高，具有电子快门功能的特点，是最适合动态成像的面阵CCD。
二、关键技术分析
1、大面阵CCD驱动技术
随着CCD结构的逐渐复杂和像元数量的不断增加，很多厂家开发了用于CCD驱动的功率驱动芯片和时序产生芯片。例如飞利浦公司开发的功率驱动芯片TDA9991和时序发生芯片SAA8103。通过时序发生芯片和功率驱动芯片的组合，可以满足特定型号的大面阵CCD功率驱动和时序驱动的需求。
专用芯片是有一定针对型的，对于各个CCD器件不同的特性，需要采用不同的驱动电路对其进行驱动，因此本文提出一种基于电荷泵原理的通用型水平转移驱动电路。该驱动电路以intersil公司推出的功率驱动器EL7158作为驱动单元，利用电容两端压差不能突变的原理，利用高速开关二极管导通截止，设计满足CCD水平信号需要的钳位电平，完成高速水平驱动信号的设计。该电路图如图1所示，可以达到最快40MHZ的水平转移速率，压差满足16V，容性负载最大2200pf的设计指标，满足绝大多数面阵CCD的驱动需求。
其次，设计垂直转移驱动。只有低信号存在于垂直驱动中，速度都小于25kHz，其中根据EL715X的要求对电压摆幅和XG的负载进行确定，为了将电路板的面积降低下来，在对XG信号进行驱动时，可以对EL716进行使用。不但XG，由于电压范围的问题，全部的垂直转移驱动都应该将离散电路搭建起来。和水平转移驱动进行比较有着一定的差异，有更大的电容负载会存在于垂直转移驱动中，为了能够使更好的边沿特性会存在于驱动信号中，对H1L用MOS进行取代，也因为有持续电流输出会存在于后者中。在将像素信号在水平转移信号中移除出来的时候，应该在电平状态中对纵向驱动信号进行保持，在用半波整流二极管和隔直电容对离散驱动电路进行搭建的时候，这样就会有交流的变化长时间的出现在输入的信号中，这样就会在截止的状态存在着管，因此，不动态为驱动输出的主要形式，所以，在设计离散线路的时候，一定要确保脉冲输入在很长时间内没有出现的状态下将低电平输出来。
2、多路视频AD设计技术
视频信号处理既要满足宽频带的指标要求，保证有足够的信噪比（S/N）和量化位数，又要满足低噪声放大的指标要求。
在CCD模拟视频信号中，包含着很多噪声成分，为了保证得到高信噪比的视频信号，提取高质量的有用信号，必须对这些噪声予以抑制，所以对视频信号的后续处理非常重要。视频信号处理功能框图如图2示，包括隔直箝位、相关双采样、可编程增益放大器、偏置调整与暗电平校正、A/D转换器和时序控制几
现在一些大规模集成信号处理器包括了相关双采样、可编程增益放大器、A/D转换器、偏置调整与暗电平校正等功能，既减小了处理电路的体积又增加了可靠性。根据总体指标，可选用TI公司的集成信号处理器VSP2270，表1列举了VSP2270的主要性能参数。
集成信号处理器VSP2270的内部功能图如图3所示，由图中可以看出VSP2270包括CDS 、10位数字可编程增益放大器PGA 、10bitA/D转换器和可控暗电平自动校正器等，可控参数的设置通过串行接口进行加载。
3、图像缓存与整合技术
由于大面阵CCD器件为保证高帧频输出均采用多抽头同时输出的模式，因此与传统的逐行输出模式相比，在成像系统中需要设计图像缓存单元，并且按着系统需求，采用逐行或者隔行的模式进行重组后输出。图像缓存单元应该采用乒乓操作，保证系统的实时性。同时在缓存过程中，由于采用多个AD进行转换，且CCD存在片内响应非均匀性，片间响应非均匀性的特点，需要对整个图像进行响应一致性的矫正，保证图像输出响应一致性。对于响应一致性的矫正，需要对成像系统进行辐射定标，确定个通道响应度曲线，并通过两点或多点法进行硬件实时校正。
4、设计FPGA控制系统技术
整个系统的控制任务和时序发生都是有FPGA来承担的，因此，根据各个公司不同，对不同的芯片进行选择。确保有着合适的工作速度存在于所使用的芯片中，RAM在其中对分布模块和IO等都要给予满足，并且，对于寄存器资源上也有着较高的要求，对于整个的输出缓存和控制需求上都应该给予满足，例如，可以对一定的描述语言进行使用，来进行此种设计，合理的出开发环境。一般的时候，会有曝光控制单元、帧速调整单元和直方图统计单元存在于相机系统中，连续多次拍照的功能一定要存在于其中。将5个电路应用到DCM中，为了能够将时钟信号有效的生成出来，有效的控制出现延时情况时的信号。总而言之，还有大量的富余会存在于FPGA中，能够为更大分辨率的CCD设计和添加后续功能提供一定的帮助。
三、结论
本文通过分析面阵CCD特点和工作原理，提出了基于FPGA的大面阵CCD成像系统，分析了大面阵成像系统设计时需要考虑的主要指标，并设计了相应的驱动电路，介绍了大面阵CCD成像的关键技术，对于大面阵CCD成像系统设计具有一定的工程指導意义。
参考文献
[1]黄美玲，张伯珩，边川平等.科学技术与工程[J].CCD和CMOS图像传感器性能比较（英文）.2007（07）.
[2]刘光林，杨世洪，吴钦章，等.高分辨率全帧CCD相机电路系统的设计[J].中国科学院研究生院学报.2007（08）.
[3]朱宏殷，郭永飞，司国良.多TDICCD拼接相机成像非均匀性实时校正的硬件实现[J].光学精密工程.2013（05）.
[4]时利勇，刘百玉，欧阳娴等.一种用电光幵关的高速、高压电脉冲的产生[J].光子学报.2006（08）.
作者简介：刘翠（1982-），性别：女，民族：汉，籍贯：吉林长春，职称：助理研究员学历：硕士研究生，研究方向：数字图像处理。