全幀型面陣ccdff5066m驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)及校正

全幀型面陣ccdff5066m驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)及校正

0面陣cd的特性sdd通常用于航空攝影、數(shù)字?jǐn)z影、醫(yī)療生化、國(guó)防和軍事工程等要求高分辨率高像質(zhì)量的場(chǎng)景。文中選用加拿大DALSA公司生產(chǎn)的一款具有3300萬(wàn)像素的全幀型CCD芯片F(xiàn)TF5066M作為圖像傳感器,FTF5066M是一款具有垂直抗暈結(jié)構(gòu)的3300萬(wàn)像素的高分辨率大面陣全幀型CCD圖像傳感器,具有面陣大(36mm×48mm)、分辨率高(4992×6668)、填充因子高(100%)、動(dòng)態(tài)范圍大(>72dB)、像元輸出速度快(最大27MHz)、電荷轉(zhuǎn)移效率高(0.999999)等優(yōu)點(diǎn),非常適合作為科學(xué)級(jí)相機(jī)的圖像傳感器。目前基于FTF5066M的數(shù)字相機(jī)大多采用單通道輸出,幀頻不超過(guò)1fps,不能滿足某些高幀頻的應(yīng)用需求。通常提高幀頻可以采取兩種方法:提高CCD像素時(shí)鐘或?qū)CD信號(hào)分多個(gè)通道同時(shí)輸出。前者受器件極限參數(shù)的限制,效果不明顯,因此大多數(shù)面陣CCD采用多輸出通道的結(jié)構(gòu)。文中針對(duì)FTF5066M的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種對(duì)其基本驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行改進(jìn)的方法,充分利用它的4個(gè)輸出放大器進(jìn)行同時(shí)輸出,從而達(dá)到最大的讀出速率,克服了目前基于FTF5066M的相機(jī)幀頻率低的缺點(diǎn)。對(duì)于所有CCD相機(jī),由于CCD制作工藝的差別、電路參數(shù)不同和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等原因,引出了CCD相機(jī)的非均勻性問(wèn)題。特別在微光拍照情況下,要求拍攝圖像質(zhì)量很高時(shí),非均勻性將嚴(yán)重影響到面陣CCD的成像質(zhì)量,所以非均勻性必須降低到更低的范圍內(nèi)。文中分析了全幀型面陣CCD響應(yīng)非均勻性產(chǎn)生的原因,并建立了一種響應(yīng)非均勻性檢測(cè)系統(tǒng),利用該系統(tǒng)分別對(duì)面陣CCDFTF5066M的4個(gè)象限之間的非均勻性進(jìn)行了檢測(cè),在面陣CCD響應(yīng)度為線性的基礎(chǔ)上,提出了兩點(diǎn)校正算法并對(duì)非均勻性進(jìn)行了校正。最后,對(duì)校正算法的性能進(jìn)行分析,給出了校正前后響應(yīng)非均勻性的對(duì)比。1系統(tǒng)基本電路設(shè)計(jì)為了驅(qū)動(dòng)FTF5066M正常工作并充分發(fā)揮其性能,CCD驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵問(wèn)題。由于該CCD的周邊配套芯片比較成熟,因此選擇DALSA官方推薦的驅(qū)動(dòng)芯片組進(jìn)行設(shè)計(jì),可以大大降低電路復(fù)雜度,使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、性能優(yōu)秀等優(yōu)點(diǎn)。圖1給出了相機(jī)電路系統(tǒng)的基本電路框圖,系統(tǒng)由時(shí)序脈沖發(fā)生器(SAA8103)、垂直驅(qū)動(dòng)器(TDA9991)、水平驅(qū)動(dòng)器(74ACT04)、直流偏置電路、前端信號(hào)處理器(TDA9965)、系統(tǒng)控制器(P89LPC932)以及CameraLink接口電路(DS90CR287、DS90LV048/049)組成。但在該電路系統(tǒng)中,CCD采用單路輸出,當(dāng)使用25MHz的像素輸出頻率時(shí),最高幀頻率只能接近1fps,不能滿足某些場(chǎng)合的速度要求。此次研制任務(wù)中要求幀頻率達(dá)到3.4fps,因此需要對(duì)所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。下一節(jié)將研究提高全幀型大面陣CCD幀頻率的方法,并討論提高FTF5066M幀頻率的工程實(shí)現(xiàn)。2轉(zhuǎn)移方向控制FTF5066M具有四象限對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),4個(gè)角各有一個(gè)輸出放大器,每個(gè)象限的電荷轉(zhuǎn)移方向可以獨(dú)立控制,因此輸出通道的數(shù)量和具體使用哪個(gè)或哪些輸出放大器進(jìn)行輸出都可以靈活選擇。要達(dá)到3.4fps的幀頻率,必須采用4路輸出,且積分時(shí)間不能大于40ms,4路輸出時(shí),需要對(duì)FTF5066M的驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。2.1cd各下限輸出濾波器的轉(zhuǎn)換當(dāng)FTF5066M采用4路輸出時(shí),垂直行轉(zhuǎn)移期間,CCD圖像區(qū)電荷同時(shí)向頂部和底部的水平輸出寄存器轉(zhuǎn)移,水平像素轉(zhuǎn)移期間,兩個(gè)水平輸出寄存器的電荷同時(shí)向各自左右兩邊的輸出放大器轉(zhuǎn)移。所需的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)圖2所示的轉(zhuǎn)移方式,需要在CCD各象限的垂直、水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘輸入端接入合適相位的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘,表1給出了各象限驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的接法,其中A1~A4及C1~C3的波形如圖2所示。可見(jiàn)電荷轉(zhuǎn)移方向的改變是通過(guò)對(duì)A2和A4及C1和C2的互換實(shí)現(xiàn)的。為了產(chǎn)生4路輸出時(shí)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序,只需對(duì)SAA8103的相關(guān)寄存器進(jìn)行重新配置,改變行轉(zhuǎn)移和像素轉(zhuǎn)移的次數(shù)以及圖像行、場(chǎng)同步信號(hào)的波形,其他配置與單端輸出時(shí)相同。2.2緩沖電路設(shè)計(jì)當(dāng)采用4路輸出時(shí),需要4個(gè)高頻三極管BFR92構(gòu)成射隨器對(duì)CCD的4路模擬信號(hào)進(jìn)行輸出。這4個(gè)三極管都由TDA9991提供的20V電壓VSFD供電,同時(shí)CCD片上的4個(gè)輸出放大器也由VSFD供電,此外各種直流偏置電壓也從VSFD分壓得到,這就要求VSFD具有足夠的電壓驅(qū)動(dòng)能力。為了提高VSFD的電流驅(qū)動(dòng)能力,設(shè)計(jì)了緩沖電路對(duì)VSFD進(jìn)行緩沖。如圖3所示,使用集成運(yùn)放和功率三極管構(gòu)成電壓跟隨器對(duì)VSFD進(jìn)行放大,運(yùn)放和三極管由TDA9991的DC-DC模塊輸出的30V電壓供電。該電路不僅能有效提高VSFD的電流驅(qū)動(dòng)能力,而且能確保CCD的安全,因?yàn)殡娐份敵龆穗妷菏冀K跟隨輸入端變化,并不會(huì)改變?cè)鹊纳想姾腿ル婍樞颉?.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)4路輸出時(shí)需要4片TDA9965構(gòu)成并行通道對(duì)CCD輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行前端處理。4片TDA9965并聯(lián),所需的時(shí)序信號(hào)由SAA8103產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)兩級(jí)74ACT04轉(zhuǎn)換為4路分配到各片。為了保持各路傳輸特性的一致性,進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使各TDA9965輸入端和CCD輸出端之間的視頻信號(hào)傳輸距離大致相同,時(shí)序信號(hào)到各TDA9965的傳輸延遲應(yīng)一致,同時(shí)各通道選用同一批次的元件。為了對(duì)每個(gè)通道的增益、帶寬、箝位電平等參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立控制,4片TDA9965通過(guò)4個(gè)獨(dú)立的3-Wire總線接口接收配置數(shù)據(jù)。雖然系統(tǒng)控制器只設(shè)計(jì)了兩個(gè)3-Wire總線接口,但時(shí)序發(fā)生器SAA8103本身具有3個(gè)3-Wire接口,因此剛好夠用。TDA9991和2片TDA9965的配置數(shù)據(jù)由系統(tǒng)控制器傳送給SAA8103進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),另外2片TDA9965的配置數(shù)據(jù)由系統(tǒng)控制器直接發(fā)送。2.4ra-專(zhuān)業(yè)接口設(shè)計(jì)CCD采用4路輸出時(shí)共產(chǎn)生4×12bit的并行圖像數(shù)據(jù),Base模式的Camera-Link接口已不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?設(shè)計(jì)中采用Medium模式,只需在系統(tǒng)中增加一片ChannelLink芯片DS90CR287即可,其時(shí)鐘及同步信號(hào)輸入端與系統(tǒng)原有的DS90CR287并聯(lián),同樣要注意使二者的走線長(zhǎng)度大致相等。2.5圖像輸出編碼對(duì)比經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后,所設(shè)計(jì)的大面陣CCD驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)能支持CCD從4個(gè)輸出放大器同時(shí)輸出信號(hào)電荷,其系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在該電路系統(tǒng)中,當(dāng)使用25MHz的像素時(shí)鐘時(shí),FTF5066M轉(zhuǎn)移輸出一幀電荷所需的時(shí)間約為293.1ms,因此最高幀頻率可達(dá)3.4fps,比單路輸出時(shí)提高2.5倍,完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)實(shí)際電路系統(tǒng)進(jìn)行了拍攝實(shí)驗(yàn),獲得了清晰的圖像,每路輸出圖像的信噪比與單路輸出時(shí)持平。但將每路圖像在拼接成一幅完整圖像后能明顯地觀察出圖像由4塊小圖拼接而成,拼接處灰度的跳變比較明顯,即出現(xiàn)了“接縫噪聲”,如圖5所示,該系統(tǒng)中全幀型面陣CCDFTF5066M采用4個(gè)象限同時(shí)輸出,由于各象限驅(qū)動(dòng)器件的驅(qū)動(dòng)能力存在差異,各象限輸出的信號(hào)所采用的視頻信號(hào)處理器件的參數(shù)并不完全相同,以及CCD視頻信號(hào)的傳輸路徑存在差異等,這些因素使4個(gè)象限的傳輸特性不可能完全一致,導(dǎo)致各象限輸出圖像之間存在響應(yīng)非均勻性。為了把4個(gè)象限的圖像校正為一致,必須對(duì)這些差別進(jìn)行量化,這將在下一節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。3sdf5066m非均勻響應(yīng)的檢測(cè)和修正3.1積分球的組成和結(jié)構(gòu)面陣CCDFTF5066M響應(yīng)非均勻性檢測(cè)系統(tǒng)是由積分球(Integratingsphere)、硅探測(cè)器(Silicondetector)、面陣CCD(ArrayCCD)、CCD圖像采集(CCDimageacquisition)、高速圖像采集卡(High-speedimageacquisitioncard)和上位機(jī)(PC)幾個(gè)部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。積分球由球體、照明燈組和硅探測(cè)器組成,它模擬在不同太陽(yáng)天頂角和地物反射率的情況下,地面輻射照度和天空后向散射形成的總輻射照度。在積分球光源出口處輸出為均勻光,通過(guò)調(diào)節(jié)積分球內(nèi)燈的個(gè)數(shù)來(lái)控制出口處輸出光源輻射照度的大小,用標(biāo)定過(guò)的輻射照度計(jì)測(cè)積分球出光口處輻射照度,并與積分球內(nèi)設(shè)置的硅探測(cè)器相比較,確定積分球內(nèi)監(jiān)控用的硅探測(cè)器輸出電壓與輻射照度之間的關(guān)系。在非均勻性檢測(cè)過(guò)程中,可以用積分球內(nèi)設(shè)置的硅探測(cè)器輸出電壓計(jì)算積分球光源出口處的輻射照度,檢測(cè)時(shí)將面陣CCD及其后續(xù)處理電路放置在積分球出口處,使面陣CCD感光面正對(duì)積分球出口。由于文中采用的全幀型面陣CCD,所以在面陣CCDFTF5066M前端要加上機(jī)械快門(mén),機(jī)械快門(mén)的曝光時(shí)間通過(guò)CCD的響應(yīng)靈敏度來(lái)計(jì)算,文中后面的實(shí)驗(yàn)均是在曝光時(shí)間為1.4ms的條件下進(jìn)行的。面陣CCD輸出的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)CCD圖像采集部分轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào),數(shù)字視頻信號(hào)通過(guò)高速圖像采集卡傳送到PC機(jī)上,由PC機(jī)測(cè)試軟件完成非均勻性檢測(cè)與校正,并對(duì)校正算法的性能進(jìn)行分析。3.2面陣sdftf5065m的標(biāo)定結(jié)果非均勻性檢測(cè)首先進(jìn)行面陣CCD的標(biāo)定,標(biāo)定就是在積分球出口處輸出多個(gè)不同等級(jí)輻射照度的均勻光,拍攝并存儲(chǔ)多幅圖像,測(cè)量面陣CCD的響應(yīng)線性度,然后根據(jù)面陣CCD的響應(yīng)線性度選擇非均勻性校正方法。面陣CCD響應(yīng)度可以由靈敏度和暗電流信號(hào)進(jìn)行表征,可簡(jiǎn)單地表示為:式中:A表示面陣CCD的靈敏度;φk表示積分球出口處輻射照度;k表示選取標(biāo)定點(diǎn)的個(gè)數(shù),這里選取m個(gè)標(biāo)定點(diǎn);表示在輻射照度為φk時(shí)面陣CCD所有像元輸出信號(hào)的平均值;表示面陣CCD所有像元暗電流信號(hào)的平均值。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定是在機(jī)械快門(mén)的曝光時(shí)間為1.4ms、視頻信號(hào)處理的增益為9dB、偏置為0的條件下進(jìn)行的,選取了8個(gè)標(biāo)定點(diǎn),分別對(duì)面陣CCDFTF5066M的4個(gè)象限進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果如表2所示。對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行擬合,得到的響應(yīng)度曲線如圖7所示。從圖中可以看出,4個(gè)象限的響應(yīng)線性度都很好,線性擬合的可信度達(dá)到了0.9994,這說(shuō)明面陣CCDFTF5066M的驅(qū)動(dòng)電路工作正常。其中,縱坐標(biāo)為圖像灰度值,由于采集的數(shù)字圖像表示為8位,所以圖像灰度等級(jí)為0~255,橫坐標(biāo)為輻射照度(W/㎡)。面陣CCDFTF4052M4個(gè)象限的響應(yīng)度曲線擬合公式為:通過(guò)公式統(tǒng)計(jì),4個(gè)象限靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到了3.6535。顯然,這樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差已經(jīng)影響了4個(gè)象限響應(yīng)度的一致性,文中采用的校正方法是將UL、LL和LR三個(gè)象限的響應(yīng)度曲線向UR象限的曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移。UL、LL和LR3個(gè)象限需要更改的增益和偏置的理論計(jì)算值和實(shí)際值見(jiàn)表3。根據(jù)實(shí)際值校正后,分別對(duì)UL、LL和LR3個(gè)象限再次標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果如表4所示。面陣CCDFTF4052M的響應(yīng)度曲線擬合如圖8所示。對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行擬合,校正后面陣CCDFTF4052M4個(gè)象限的響應(yīng)度曲線擬合公式為:通過(guò)公式統(tǒng)計(jì),校正后4個(gè)象限靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)偏差減小到0.2796,標(biāo)準(zhǔn)偏差降低到原來(lái)的1/13左右。同時(shí),校正后對(duì)圖5采集的分辨率標(biāo)板圖像進(jìn)行了重新拍攝,如圖9所示,從圖中可以看出,4個(gè)象限的響應(yīng)非均勻性得到了很好的改善。4全幀型面陣sdft5065m非均勻性檢測(cè)系統(tǒng)文中首先給出了面陣CCDFTF5066M的基本驅(qū)動(dòng)電路,研究了提高全幀型面陣CCD幀頻率的一般方法,分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn);采用4路并行輸出技術(shù)將FT5066M的最高幀頻率提高到了3.4fps,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,針對(duì)4路輸出