基于FPGA的CCD相機時序發(fā)生器的設(shè)計

1 引言

　　科學(xué)級CCD相機（Scientific grade CCD camera）是一種具有低噪聲、高靈敏度、大動態(tài)范圍和高量子效率等優(yōu)良性能的CCD相機，用于對微光信號檢測和微光成像。它在射線數(shù)字成像檢測、生物醫(yī)學(xué)工程、水下攝影、武器裝備、天文觀測、空間對地觀測等多種技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　科學(xué)級CCD相機一般由高速CCD 感光芯片、視頻信號處理器、時序控制器、時序發(fā)生器、時序驅(qū)動器、外部光學(xué)成像系統(tǒng)等部分組成，其中時序發(fā)生器性能的優(yōu)劣直接決定了相機的品質(zhì)參數(shù)。該科學(xué)級CCD相機采用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作為傳感器，本文分析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的工作過程和對驅(qū)動信號的要求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出合理的時序電路， 為了滿足在實際工作中像移速度異速匹配的要求，在時序電路的設(shè)計中時序發(fā)生部分是可調(diào)的。這種設(shè)計方案簡單、可靠、實用。在綜合比較各種硬件實現(xiàn)電路的優(yōu)缺點后，選用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA） 作為硬件設(shè)計平臺，使用VHDL 語言對驅(qū)動電路方案進(jìn)行了硬件描述，采用EDA 軟件對所設(shè)計的時序發(fā)生器成功地進(jìn)行了功能仿真。最后針對XILINX公司的可編程邏輯器件XC2VP20-FF1152進(jìn)行了適配和硬件電路調(diào)試，進(jìn)而實現(xiàn)了對整個科學(xué)級CCD 相機的控制。

　　2 TDI-CCD的工作原理及驅(qū)動分析

　　2.1 TDI-CCD工作原理簡介

　　TDI（time delay and integration）是一種能夠增加線掃描傳感器靈敏度的掃描技術(shù)。TDI-CCD是具有一種面陣結(jié)構(gòu)、線陣輸出的新型CCD，較普通的線陣CCD而言，它具有多重級數(shù)延時積分的功能。從其結(jié)構(gòu)來看，多個線陣平行排列，像元在線陣方向和級數(shù)方向呈矩形排列，像元分布示意圖如圖1所示。

　　圖1 TDI-CCD像元分布示意圖

　　圖1中，TDI-CCD的電荷累積方向是沿Y向進(jìn)行的，其推掃級數(shù)自下而上為第1級至第96級。在成像過程中，隨著相機（或景物）的運動，TDI-CCD從第96級至第1級依次感光，電荷從第96級至第1級逐級累積。最終，經(jīng)過多重延時積分積累起來的電荷包（成像數(shù)據(jù)信息）轉(zhuǎn)移到CCD水平讀出寄存器上，并從第1級經(jīng)運算放大器傳輸出去。從TDI-CCD的電性能特點可以看出，TDI-CCD為一種單方向推掃成像器件。與一般CCD相比，TDI借助了6、12、24、48、96等可變積分級數(shù)來增加曝光時間。在傳感器成像時，由于信號存儲與曝光時間是成正比的，TDI-CCD通過延長曝光時間來增加所收集到的光子，因此比一般線陣CCD具有更高的靈敏度，可用在低光照度環(huán)境下成像，同時又不會影響掃描速度。TDI-CCD具有可以不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下獲得高靈敏度這個突出特點，使其在高速、微光領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景 。

　　2.2 關(guān)于DALSA IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器

　　CCD 圖像傳感器是科學(xué)級CCD相機的關(guān)鍵組成部件， 其性能的優(yōu)劣直接影響著相機的功能和使用效果。該科學(xué)級CCD 相機選用了加拿大DALSA 公司生產(chǎn)的IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器，該TDI-CCD的像素結(jié)構(gòu) 2048×96 。像元尺寸為13μm（ H） ×13μm（ V ）、最高數(shù)據(jù)輸出頻率為20MHz 、動態(tài)范圍為1600:1 、單向、單端輸出、級數(shù)可選、具有藍(lán)光響應(yīng)增強功能的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD可以分為3個功能區(qū)，即光敏元探測區(qū)、電荷傳輸區(qū)、檢測輸出區(qū)。