星載CCD相機圖像采集電路設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：以DALSA公司的CCD傳感器FTT1010M為核心，設(shè)計并實現(xiàn)了一種星載CCD相機圖像采集電路，詳細介紹了圖像傳感器FTT1010M的特性、工作模式、工作時序，并闡述了其模擬驅(qū)動電路、時序電路、電源轉(zhuǎn)換電路等圖像采集電路的設(shè)計與實現(xiàn)。經(jīng)過實際項目驗證，設(shè)計的采集電路能夠滿足各項技術(shù)要求，具有較高的實用價值。
關(guān)鍵詞：電荷耦合器件；圖像傳感器；采集電路；FTT1010M

0 引言
自從CCD(電荷耦合器件)出現(xiàn)以來，由于其分辨率高、靈敏度高、噪聲小、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，得到了很快的發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于影像傳感、衛(wèi)星監(jiān)控、空間遙感成像和對地觀測等眾多領(lǐng)域。對于一個CCD相機系統(tǒng)而言，其核心器件CCD傳感器的性能直接影響整個相機系統(tǒng)的性能，而保障其發(fā)揮優(yōu)良的設(shè)計難點在于高可靠性的驅(qū)動、偏置等與圖像采集電路相關(guān)的設(shè)計，這給設(shè)計者帶來了很大的麻煩。因此，設(shè)計出穩(wěn)定可靠的CCD圖像采集電路是保證CCD傳感器乃至CCD相機系統(tǒng)正常發(fā)揮其功能的重要條件。

1 CCD相機圖像采集電路結(jié)構(gòu)
CCD相機圖像采集電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。CCD傳感器接收前端光學(xué)系統(tǒng)的成像，偏壓電路為CCD傳感器提供必需的偏置電壓，可編程邏輯器件產(chǎn)生的時序脈沖經(jīng)過驅(qū)動電路對CCD進行控制采集，輸出保護電路可對CCD進行有效地防護保護，預(yù)處理電路對CCD輸出的帶噪模擬信號進行處理后便于后續(xù)電路使用。

2 CCD傳感器的選用
CCD傳感器分為面陣CCD傳感器和線陣CCD傳感器。線陣CCD所需要的驅(qū)動時鐘較少，驅(qū)動電路設(shè)計相對簡單，面陣CCD所需要的驅(qū)動時鐘較多，時序較為復(fù)雜，驅(qū)動電路設(shè)計也相對較難。這里我們選擇DALSA公司的一款幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD1010M，因其具有良好的抗輻射設(shè)計，是航空、航天應(yīng)用中理想的圖像傳感器，而且其分辨率為1024×1024，還具有良好的抗光暈性能，信號輸出噪聲低、動態(tài)范圍大、100％光學(xué)填充效率、電荷轉(zhuǎn)移效率高等特點，滿足項目需求。它具有的多針相工藝(MPP)還能保證它在低照度下進行工作，通過延長曝光時間來記錄非常弱的信號。這款CCD有四相感光區(qū)和存儲區(qū)電極，三相水平讀出移位寄存器電極，還有一個輸出放大器。輸出方式有雙路輸出和單路輸出兩種，
單通道輸出單色逐行掃描圖像速度可達30幀／s，并且動態(tài)范圍大于72dB，性能較為優(yōu)異。
2．1 FTT1010M結(jié)構(gòu)
FTT1010M的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

FTT1010M由感光區(qū)和存儲區(qū)構(gòu)成，感光區(qū)和存儲區(qū)都由1072H×1030V個像素組成。在感光區(qū)中，每個像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時鐘A1、A2、A3、A4覆蓋的相互連接的四個MOS電容器共同組成，它們作為感光區(qū)幀轉(zhuǎn)移控制時鐘。在1024個有效像素行的上面分別分布著6個黑行(Black Lines)，黑行其實就是被遮蔽的不參與光積分的像素行；在水平方向上，每行1072個像素中的有效像素(Active Pixels)為1024個，兩邊分布著2×20個黑像素(Black Pixels)和2×4個過渡像素(Overscan Pixels)，黑像素與黑行一樣也是被遮蔽的像素單元，這些單元都不參加光積分，沒有光電荷包產(chǎn)生，其主要作用是對CCD的輸出視頻信號進行預(yù)處理時起參考黑電平作用。過渡像素單元的作用主要是在有效像素單元與黑像素單元之間起過渡作用。
在存儲區(qū)中，每個像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時鐘B1、B2、B3、B4覆蓋的相互連接的四個MOS電容器共同組成，它們作為存儲區(qū)行轉(zhuǎn)移時鐘。在存儲區(qū)水平方向上分布著兩個串行輸出移位寄存器(Output Register)，寄存器內(nèi)部并沒有感光單元，只有用來傳輸轉(zhuǎn)移感光電荷包的遮蔽的轉(zhuǎn)移單元，每個單元相當(dāng)于被三相時鐘C1、C2、C3覆蓋，這些單元都和存儲區(qū)的像素單元相互銜接對應(yīng)。其主要作用是將輸出放大器連接到水平輸出移位寄存器上。