高速多光譜TDICCD成像電路系統(tǒng)

鄭亮亮，張貴祥，金 光

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所小衛(wèi)星技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林長春130033）

高速多光譜TDICCD成像電路系統(tǒng)

鄭亮亮*，張貴祥，金 光

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所小衛(wèi)星技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林長春130033）

為實現(xiàn)多光譜TDICCD的高速高信噪比成像，利用可空間應(yīng)用的多光譜TDICCD傳感器研制出了高性能成像電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為核心邏輯單元，帶有RS422外圍通信控制接口，并采用CAMERALINK接口輸出圖像數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具有動態(tài)推掃成像的能力，可同時輸出全色和彩色兩種模式的圖像數(shù)據(jù)。利用灰度條紋的靶標(biāo)對傳感器的3個多光譜（R、G、B）感光區(qū)標(biāo)定白平衡，利用彩色條紋的靶標(biāo)對系統(tǒng)進行成像測試，在驅(qū)動頻率為15 MHz的情況下，系統(tǒng)單片CCD輸出的圖像數(shù)據(jù)率達到1.2 Gbps。試驗結(jié)果表明，獲取全色圖像的信噪比達到了53.56 dB，各多光譜圖像的信噪比較高的也在40 dB以上，滿足空間對地高分辨多光譜遙感成像的技術(shù)指標(biāo)要求，對高速空間多光譜遙感相機的研制具有借鑒意義。

多光譜，高速成像；TDICCD，成像電路，信噪比

1 引 言

多光譜探測技術(shù)是新一代光電探測技術(shù)，其興起于20世紀80年代，90年代后形成了研發(fā)熱潮，至今仍在迅速發(fā)展之中。多光譜時間延遲積分光電耦合器件（Time Delangand Interation Charge Couple Device，TDICCD）相機是在拍照曝光過程中同時用幾個譜段對同一景物進行推掃成像的相機，因此其既能獲取目標(biāo)的圖像信息，又能獲取目標(biāo)的光譜信息。目前已廣泛應(yīng)用于資源考察、農(nóng)業(yè)、森林、水文和地質(zhì)勘查、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害調(diào)查以及測繪制圖等方面。多光譜CCD相機還可以提高地物目標(biāo)的精細觀測水平和解譯分析能力，獲得比常規(guī)方法更豐富的圖像信息，從而增強了人們對目標(biāo)的認知能力［1-8］。

為了獲得更多的圖像信息，往往要求空間遙感相機具有較高的分辨率指標(biāo)；而實現(xiàn)高分辨率的技術(shù)指標(biāo)，成像電路系統(tǒng)就要求TDICCD在高速的驅(qū)動頻率下工作；但較高的驅(qū)動頻率會使電子學(xué)系統(tǒng)的工作噪聲加大，降低系統(tǒng)所拍圖像的信噪比，嚴重時噪聲甚至?xí)蜎]圖像信號。因此，如何在較高工作頻率下獲得高信噪比的圖像是高分辨率空間相機所面臨的一個關(guān)鍵技術(shù)難點。

為解決上述問題，本文分析了影響高速成像系統(tǒng)圖像信噪比的電路噪聲，并提出了相應(yīng)的解決措施，包括：合理設(shè)計系統(tǒng)電子學(xué)的拓撲結(jié)構(gòu)，縮短高速信號回流路徑，提高高速信號的信號完整性，有效的電源隔離與濾波等。最后，系統(tǒng)利用具有紅、綠、藍和全色4個成像譜段的多光譜TDI CCD傳感器，研制了具有較高信噪比指標(biāo)的高速多光譜成像電路系統(tǒng)。

2 多光譜TDICCD傳感器技術(shù)

多光譜TDICCD傳感器技術(shù)不同于傳統(tǒng)的單一寬波段全色傳感器技術(shù)，其包含了多個光譜譜段的感光單元，結(jié)合了成像技術(shù)與光譜測量技術(shù)，獲取的信息不僅包括二維空間信息，還包含隨波長分布的光譜輻射信息。多光譜TDICCD傳感器充分利用地物在不同光譜區(qū)的反射特征來獲得多個光譜譜段的遙感圖像。豐富的目標(biāo)光譜信息結(jié)合空間影像極大地提高了目標(biāo)探測的準確性，擴展了傳統(tǒng)探測器技術(shù)的功能［9-10］。

可用于空間環(huán)境的某型號多光譜TDICCD傳感器由1個全色感光區(qū)和3個多光譜（R、G、B）感光區(qū)組成，因此其具備全色圖像和彩色圖像的輸出功能，其組成如圖1所示。全色感光區(qū)有8個圖像輸出端口，多光譜感光區(qū)每個譜段對應(yīng)一個圖像輸出端口。

圖1 多光譜CCD傳感器組成框圖Fig.1 Block diagram ofmultispectral CCD

該傳感器由于具有多個感光譜段，每個多光譜譜段的感光范圍如表1所示，同時每個譜段都有相應(yīng)的驅(qū)動時序信號，以實現(xiàn)對該區(qū)域感光像元的轉(zhuǎn)移與讀出，因此滿足TDICCD工作要求的驅(qū)動時序信號種類較多，相互時序關(guān)系要求也較復(fù)雜。TDICCD各譜段要求的驅(qū)動時序如圖2所示，共有46路驅(qū)動信號，其中高頻、低頻信號各23路。

表1 某型號多光譜TDICCD各譜段感光范圍Tab.1 Sensitization range ofmultispectral CCD（nm）

圖2 多光譜TDICCD傳感器工作時序圖Fig.2 Driving schedule ofmultispectral CCD

3 高速成像電路系統(tǒng)設(shè)計

3.1 高速成像系統(tǒng)電路噪聲分析

CCD成像電路中直接影響圖像信噪比的主要信號包括：CCD驅(qū)動信號、各種偏置電源和模擬視頻信號。這3種信號由于各有特點，所以對成像的影響效果會不同。

CCD驅(qū)動信號具有頻率高、壓擺大等特點，因此容易對弱信號造成干擾，同時由于驅(qū)動信號較多，其信號間的串?dāng)_也不可忽視，而對于單路的驅(qū)動信號，當(dāng)工作頻率較高時，其PCB走線會表現(xiàn)出傳輸線效應(yīng)，不合理的端接會產(chǎn)生信號反射的問題［11］。

偏置電源主要是指為CCD正常工作所需提供的電源，因此如果偏置電源上存在較大噪聲，則將直接影響CCD的工作性能。

CCD輸出的模擬視頻信號為幅值在2 V以內(nèi)的高頻信號，該信號較容易受驅(qū)動信號等強信號的串?dāng)_影響，同時由于其工作頻率高，還需要注意反射噪聲的干擾。

視頻處理電路是成像電路中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要特別注意。該電路的主要功能是將模擬視頻信號進行數(shù)字量化處理，屬于模擬與數(shù)字結(jié)合的混合電路，因此該電路工作的穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)輸出圖像的信噪比。如對于某型號具有12位量化精度的視頻處理器，其輸出端的均方根量化噪聲最小為0.85 LSB，最大的信噪比可達73.66 dB，而如果由于某些設(shè)計原因造成該電路工作不穩(wěn)定，量化噪聲為100 LSB，則此時的信噪比將降低到32 dB。

3.2 高速成像電路系統(tǒng)設(shè)計方案

針對上述對高速成像電路的噪聲分析，為使系統(tǒng)獲得高信噪比的性能指標(biāo)，提出如下解決方案，如表2所示。

表2 高速成像系統(tǒng)電路設(shè)計方案Tab.2 Design scheme of high-speed imaging system

對于視頻處理電路的設(shè)計，首先應(yīng)提供穩(wěn)定的供電電源與基準的地平面，以防止由于基準變化引起圖像上的波動噪聲；其次對于同時存在多路視頻處理電路的情況，應(yīng)注意將各路的參考基準電壓相連，保持同一量化基準，同時還要對多路間的視頻處理電路進行隔離處理，以防止相互間的串?dāng)_影響。

3.3 高速成像電路系統(tǒng)詳細設(shè)計

成像電路系統(tǒng)包括二次電源、三次偏置電源、通信控制接口、視頻處理單元、圖像數(shù)據(jù)發(fā)送、CCD驅(qū)動時序和視頻信號預(yù)處理等功能模塊，如圖3所示。

圖3 TDICCD成像電路系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of CCD imaging circuit system

由圖3可知，成像電路系統(tǒng)由3種電路板組成，即CCD驅(qū)動預(yù)放板、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）主控板和二次電源板，3種電路板采用疊層結(jié)構(gòu)方式安裝，每兩塊電路板之間均采用板間連接器傳輸信號。

系統(tǒng)的最底層電路板為系統(tǒng)二次電源板，其主要功能是將輸入的一次直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)工作所需要的各種二次電源，具體電源種類包括：+18、+12、+5和-5 V等。因此該電路板主要由多種DC/DC模塊組成。

中間層的電路板為系統(tǒng)的核心控制單元，由大規(guī)模邏輯陣列器件FPGA實現(xiàn)對成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與邏輯控制。其主要功能包括：與外部控制器的數(shù)據(jù)通信，包括接收各種控制指令、成像配置參數(shù)，并將當(dāng)前的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)返回；輸出多路精確控制的高頻TDICCD驅(qū)動時序，從而使CCD的各感光像元進行有序的行間轉(zhuǎn)移和電荷讀出；對CCD各種偏置電源模塊進行分步使能控制，按順序輸出滿足CCD要求的各種偏置電源；接收CCD輸出的模擬視頻信號，利用高速高集成度的視頻處理器進行數(shù)字量化處理，并將量化后的圖像數(shù)據(jù)進行緩存；將整合后的圖像數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的圖像傳輸格式通過低電壓差分信號（LVDS）接口輸出至圖像快視系統(tǒng)，從而顯示所拍圖像。

最頂層板為TDICCD的驅(qū)動與預(yù)處理電路板，由于系統(tǒng)的驅(qū)動頻率較高，因此采用了剛?cè)岚逍问皆O(shè)計。該部分主要由多片驅(qū)動器組成，其主要功能是將輸入的原始驅(qū)動信號進行功率放大，輸出滿足CCD工作要求的各種驅(qū)動時序信號和偏置電源，同時利用運算放大器將CCD輸出的模擬視頻信號進行射隨處理，以減小CCD輸出視頻信號的輸出阻抗，利于后續(xù)模擬視頻信號的進一步數(shù)字量化處理。

系統(tǒng)的TDICCD工作行頻為25 kHz，其對應(yīng)的像素讀出頻率高達15 MHz，若模擬視頻信號的灰度量化位數(shù)為10 bits，則單片CCD輸出圖像的數(shù)據(jù)率最高時達到了1.2 Gb/s。

成像系統(tǒng)的圖像輸出接口采用一種基于物理層LVDS的傳輸技術(shù)的Cameralink接口。為了保證全色和多光譜圖像的有效輸出，系統(tǒng)設(shè)計了兩對Cameralink接口，其中一對接口用于全色圖像數(shù)據(jù)的輸出，其具有Medium（（4×10）bit）輸出模式和Full（（8×8）bit）輸出模式，另外一對接口用于彩色圖像數(shù)據(jù)的輸出，具有Base（（3×8）bit RGB）輸出模式，Medium（（3×10）bit RGB）和Medium（（3×12）bit RGB）輸出模式。

4 實驗結(jié)果與分析

多光譜CCD成像系統(tǒng)在進行成像測試之前，首先需要對系統(tǒng)的各個多光譜譜段進行顏色校正，以獲得目標(biāo)的真實色彩。本系統(tǒng)采用算法簡單、易實現(xiàn)的白平衡法［12］進行3個譜段的響應(yīng)校正，即利用灰度靶標(biāo)對傳感器的3個多光譜譜段進行白平衡標(biāo)定，理論上系統(tǒng)所拍攝圖像的R、G、B 3個通道的統(tǒng)計平均值應(yīng)該相等，因此需要調(diào)整3個多光譜圖像輸出抽頭的偏置和增益，使各光譜對灰度目標(biāo)的響應(yīng)趨于一致，從而將3個譜段的圖像數(shù)據(jù)融合后，獲得較真實的彩色圖像。

在暗室內(nèi)利用彩色靶標(biāo)對系統(tǒng)進行成像測試，通過微調(diào)鏡頭焦距后，靶標(biāo)可以清晰地投射到傳感器的感光面上，系統(tǒng)將同時輸出采集到的灰度圖像和彩色圖像，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實時采集的圖像Fig.4 Acquired images in real time

利用局部標(biāo)準差法［13］分析上述所采集圖像的信噪比，將圖像分割成多個具有一定大小的均勻區(qū)域，分別計算各區(qū)域內(nèi)的局部標(biāo)準差作為局部噪聲大小，并選擇眾數(shù)最多的那個區(qū)間的局部標(biāo)準差作為整個圖像的平均噪聲值。具體計算公式如下：

式中：pi是圖像子塊中第i個像素的灰度值，n是圖像子塊中所有像素的總數(shù)。

利用式（1）分析灰度圖像的信噪比，在8 bits灰度深度的條件下，圖像的平均灰度值為160，其信噪比達到了53.56 dB。

彩色圖像包含了3個感光譜段的信息，而不同譜段在不同的目標(biāo)、光照等條件下，其響應(yīng)會不同，因此3個譜段的信噪比也不盡相同［14］。3個多光譜譜段合成的彩色圖像如圖4（b）所示。分別提取圖中的各譜段灰度圖像，對應(yīng)的圖像如圖5所示。

利用式（1）分別計算圖5中3個光譜譜段在不同灰度響應(yīng)條件下的信噪比，信噪比結(jié)果如表3所示。

圖5 RGB 3譜段對應(yīng)的灰度圖像Fig.5 Monochrome images of RGB spectra

表3 3譜段信噪比計算結(jié)果Tab.3 SNR results of RGB spectra（dB）

從圖5和表3中可以看出，由于藍色譜段的響應(yīng)相對較弱，因此其信噪比偏低。但從表2計算結(jié)果可知，各多光譜譜段的信噪比均大于20 dB，滿足航天相機的信噪比使用要求。

5 結(jié) 論

由于多光譜CCD傳感器具有諸多優(yōu)點，本文利用可空間應(yīng)用的某型號多光譜TDICCD傳感器研制出了具有灰度圖像和彩色圖像兩種輸出模式的高速成像電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用合理的電子學(xué)設(shè)計，通過白平衡標(biāo)定、靶標(biāo)成像測試等試驗證明：在15 MHz的高速驅(qū)動頻率下，捕獲全色圖像的信噪比達到了53.56 dB，各多光譜圖像中較高譜段的信噪比在40 dB以上。因此，系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)計的成像功能，滿足實際的使用需求，對空間高速高分辨率多光譜遙感相機的研制具有一定的借鑒意義。

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High-speed imaging circuit system for multispectral TDICCD

ZHENG Liang-liang*，ZHANG Gui-xiang，JIN Guang
（National&Local United Engineering Research Center of Small Satellite Technology，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：adqe@163.com

To complete high speed and high Signal-to-Noise Ratio（SNR）imaging of amultispectral TDICCD，a high-performance imaging circuit system is designed on amultispectral TDICCD sensorwhich can be applied to space.The system is composed of a Field Programming Gate Array（FPGA）to be a kernel logic part，a RS422 communication interface，and an output interface of CAMERALINK，which is capable of outputting the photos under a dynamic scan in two outputmodes ofmonochrome and colored image data.A targetwith grey stripes is used to calibrate the white balance on threemultispectral regions（R，G，B）and the imaging test for this system is carried out using colored stripe target.The output image data rate reaches 1.2 Gbps under adriving frequency of 15 MHz.The SNRs ofmonochrome and colored images are up to 53.56 dB.The system meets the specification of space observation with high resolution onmultispectral sensors and provides a support for the design of high-speed multispectral cameras in space.

multispectra；high-speed imaging；TDICCD；imaging circuit；Signal-to-noise Ratio（SNR）

TN386.5

A

10.3788/CO.20130606.0939

鄭亮亮（1982—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，助理研究員，2005年、2007年于南京航空航天大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)遙感器成像技術(shù)方面的研究。E-mail：adqe@163.com

張貴祥（1982—），男，四川成都人，博士，副研究員，2004年于中國礦業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2009年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)遙感器信號處理與傳輸技術(shù)的研究。E-mail：zhang_gui_ xiang@126.com

金 光（1958—），男，吉林長春人，研究員，博士生導(dǎo)師，1982年于長春光學(xué)精密機械學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，1991年、2001年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所分別獲碩士、博士學(xué)位，主要從事光學(xué)儀器總體、機載與星載光學(xué)儀器方面的研究。E-mail：jing@ ciomp.ac.cn

1674-2915（2013）06-0939-07

2013-08-17；

2013-11-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（No.2012AA121502）