一種用于遙感衛(wèi)星中穩(wěn)像相機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)①

劉 明,侯作勛,李 馨

(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

0 引言

隨著成像傳感器分辨率的提高以及衛(wèi)星平臺(tái)復(fù)雜性和敏捷性的增強(qiáng),平臺(tái)抖動(dòng)對(duì)空間遙感相機(jī)影像成像質(zhì)量、幾何處理等方面的影響愈發(fā)顯著[1]。當(dāng)空間遙感相機(jī)工作時(shí),由于高幀頻CCD 相機(jī)的積分時(shí)間非常短,近似于凍結(jié)了圖像的低頻運(yùn)動(dòng),對(duì)于高頻分量少的擾動(dòng),仍然可以采集到清晰的圖像。當(dāng)高頻分量擾動(dòng)較大時(shí),會(huì)影響空間遙感相機(jī)的成像質(zhì)量。 空間遙感相機(jī)凝視的積分時(shí)間較長(zhǎng),為了在較長(zhǎng)的積分時(shí)間內(nèi)能夠穩(wěn)定成像,需要設(shè)計(jì)穩(wěn)像控制系統(tǒng),解決成像積分時(shí)間內(nèi)由于衛(wèi)星平臺(tái)的殘余抖動(dòng)引起的圖像模糊問(wèn)題[2-3]。

針對(duì)上述問(wèn)題,Janschek 等提出了一種采用輔助的面陣圖像傳感器和光學(xué)相關(guān)器來(lái)完成實(shí)時(shí)光軸偏移測(cè)量,利用光學(xué)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)的光軸測(cè)量,利用光學(xué)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)在光路上通過(guò)主動(dòng)光機(jī)補(bǔ)償焦平面上的運(yùn)動(dòng)圖像的穩(wěn)定成像方法[4]。 徐之海等提出采用高幀頻CCD 相機(jī)獲取光軸偏移量,再采用微位移平臺(tái)驅(qū)動(dòng)焦平面跟蹤光軸的偏移來(lái)對(duì)光軸的偏移進(jìn)行有效的補(bǔ)償[5]。

穩(wěn)像相機(jī)是獲取信息實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的輸入和核心,是穩(wěn)像系統(tǒng)的重要組成部分[6]。 本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)像相機(jī)和遙感相機(jī)使用同一光路,穩(wěn)像相機(jī)獲取光軸上的圖像,穩(wěn)像控制器計(jì)算光軸偏移量,再根據(jù)偏移量調(diào)節(jié)擺鏡,使光軸始終位于遙感相機(jī)的焦平面中心。 為了獲得較高的穩(wěn)像控制帶寬,要求穩(wěn)像相機(jī)必須具備千赫茲量級(jí)的成像幀頻,這就要求相機(jī)具備高靈敏度、低噪聲的特點(diǎn),并可以在極短曝光條件下獲取圖像信息;同時(shí)相機(jī)需要具備大面陣成像能力,以期拍攝獲得足夠大的地物場(chǎng)景,為尋找細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域開(kāi)展幀間關(guān)聯(lián)提供可能[7-9]。 綜合而言,相機(jī)需要具有大面陣、高動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲成像和動(dòng)態(tài)高幀頻開(kāi)窗成像的能力。 此外,由于穩(wěn)像相機(jī)通常和遙感相機(jī)共用一個(gè)光路,可利用面積較小,需具備輕小型的特征,這些都是穩(wěn)像相機(jī)需要攻關(guān)的技術(shù)難題[10]。

1 穩(wěn)像相機(jī)電子學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 穩(wěn)像相機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的穩(wěn)像相機(jī)采用宇航級(jí)元器件設(shè)計(jì)方案,核心元器件有CMOS 傳感器、FPGA、驅(qū)動(dòng)高精度時(shí)鐘控制芯片(CDCM7005)和SERDES 高速傳輸芯片(TLK2711),電路架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 穩(wěn)像相機(jī)電路原理框圖Fig.1 Schematic diagram of image stabilization camera circuit

FPGA 驅(qū)動(dòng)CMOS 圖像傳感器成像,CMOS 圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FPGA 預(yù)處理后直接發(fā)送至TLK2711 芯片實(shí)現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換功能;反熔絲PROM 芯片實(shí)現(xiàn)FPGA 的配置功能;B54ACS164245SARH 芯片實(shí)現(xiàn) LVTTL 電平和 LVCMOS 電平件的轉(zhuǎn)化,JSR26C31AF 芯片實(shí)現(xiàn)遙控?cái)?shù)據(jù)的接收、JSR26C32F-S 芯片實(shí)現(xiàn)遙測(cè)的發(fā)送;ZA517-40M 晶振是FPGA 的啟動(dòng)時(shí)鐘,當(dāng)FPGA 啟動(dòng)后驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘同步芯片(CDCM7005MHFG-V)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)TLK2711接口芯片和FPGA 時(shí)鐘嚴(yán)格同步。

1.2 高速SerDes 電路設(shè)計(jì)

FPGA 驅(qū)動(dòng)CMOS 圖像傳感器,傳感器輸出12通道并行數(shù)據(jù),FPGA 將數(shù)據(jù)進(jìn)行排序后將高四位填充0,按照16 bit 并行輸入到 SerDes 型 TLK2711芯片。 以SerDes 為物理層協(xié)議充分利用8b/10b 編解碼功能來(lái)提高可靠性,采用簡(jiǎn)單的用戶接口,為實(shí)現(xiàn)與不同上層協(xié)議的接口提供了良好的兼容性[11]。

由于SerDes 接口電路采用16 bit 數(shù)據(jù)高速并行傳輸,設(shè)計(jì)電路時(shí)需要重點(diǎn)考慮時(shí)鐘的完整性。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖2 所示,FPGA 的時(shí)鐘由外部晶振提供,再由FPGA 的時(shí)鐘控制單元DCM 產(chǎn)生時(shí)鐘輸出至SerDes 芯片。 時(shí)鐘管理單元產(chǎn)生的全局時(shí)鐘 jitter 為 150 ps,全局時(shí)鐘 skew 為 110 ps。 SerDes型 TLK2711 芯片要求鐘 jitter 小于 40 ps。 因此,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 原始SerDes 接口電路設(shè)計(jì)方案Fig.2 Original SerDes interface circuit design

本文提出一種新的設(shè)計(jì)方案,新方案采用CDCM7005 芯片實(shí)現(xiàn)FPGA 時(shí)鐘與TLK2711 時(shí)鐘的抖動(dòng)清除和同步控制。 CDCM7005 是德州儀器公司推出的一款具有低噪聲性能的時(shí)鐘同步與抖動(dòng)清除器,外部控制器可以通過(guò)其邏輯接口對(duì)其實(shí)現(xiàn)編程控制,該器件可以實(shí)現(xiàn)2.2 GHz 壓控晶體振蕩器頻率與基準(zhǔn)時(shí)鐘中同步,具有較大的應(yīng)用靈活性[12]。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案如圖3 所示,電路上電時(shí),FPGA首先接收外部晶振的時(shí)鐘進(jìn)行初始化,FPGA 啟動(dòng)后通過(guò) SPI 總線驅(qū)動(dòng) CDCM7005;CDCM7005 以外部壓控時(shí)鐘為基準(zhǔn)時(shí)鐘,以FPGA 輸出時(shí)鐘為參考時(shí)鐘,產(chǎn)生3 個(gè)同步時(shí)鐘,供2 路 TLK2711 和1 路FPGA 使用,達(dá)到3 個(gè)時(shí)鐘完全同步且抖動(dòng)較小。

圖3 改進(jìn)后SerDes 接口電路設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of improved SerDes interface circuit

1.3 高速宇航級(jí)PCB 布局設(shè)計(jì)

穩(wěn)像相機(jī)焦平面和遙感相機(jī)焦平面共用成像光路,因此穩(wěn)像相機(jī)可用電路面積較小。 為了滿足穩(wěn)像相機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)要求,需要整機(jī)除傳感器外都采用面積較大宇航級(jí)元器件。 傳統(tǒng)的CMOS 相機(jī)通常使用板間連接器連接各電路板,該方法占用面積較大,不能滿足目前的實(shí)際情況。 本方案中通過(guò)優(yōu)化PCB 布局設(shè)計(jì),將大面積的宇航級(jí)元器件合理的擺放在焦平面電路、信號(hào)處理電路和接口電路上,并將3 種電路集成在一塊剛撓板上,最大限度節(jié)省電路面積。

穩(wěn)像相機(jī)需要+2.2 VA、+3.5 VA、+3.3 VA、+1.5 VD、+3.3 VD 和+2.5 VD 等 6 路二次電,焦平面電路板上圖像傳感器對(duì)電壓精度要求較高,在焦面電路上采用6 路LDO 實(shí)現(xiàn)電源供電,在PCB 布局過(guò)程中,LDO 就近放置于傳感器供電引腳,LDO芯片轉(zhuǎn)化電壓后就近給圖像傳感器供電;信號(hào)處理電路板需要+1.5 VD、+3.3 VD 和+2.5 VD,接口電路板需要+3.3 VD 和+2.5 VD,焦平面電路電路板轉(zhuǎn)化后的電源輸送至信號(hào)處理電路和接口電路。 進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)電源層進(jìn)行詳細(xì)劃分,盡量將供電相同的芯片放在一個(gè)供電條帶上,電源層上下需要設(shè)置地層,減少電源層對(duì)高速信號(hào)的干擾,穩(wěn)像相機(jī)PCB 的布局和電源走向如圖4 所示。

圖4 高速宇航級(jí)PCB 布局圖Fig.4 Layout of high speed Aerospace PCB

1.4 穩(wěn)像相機(jī)軟件設(shè)計(jì)

穩(wěn)像相機(jī)工作時(shí)首先進(jìn)入全畫幅成像模式,搜索到特定目標(biāo)后,進(jìn)入閉環(huán)控制成像模式。 穩(wěn)像相機(jī)接收全畫幅的成像指令后,FPGA 配置CMOS 圖像傳感器分辨率為1 280×1 024,并根據(jù)遙控指令要求配置圖像傳感器曝光時(shí)間、增益以及是否打開(kāi)片上FPN 校正。 FPGA 能夠根據(jù)遙控指令設(shè)置的幀頻定時(shí)生成曝光觸發(fā)信號(hào),驅(qū)動(dòng)CMOS 圖像傳感器根據(jù)設(shè)定的曝光時(shí)間完成全局曝光,并按照傳感器預(yù)設(shè)的視頻輸出時(shí)序?qū)σ曨l進(jìn)行接收和采集[13-14]。

穩(wěn)像相機(jī)閉環(huán)控制成像模式與全畫幅工作模式基本相同,但在穩(wěn)像相機(jī)閉環(huán)控制模式下,FPGA 需要根據(jù)遙控指令的調(diào)整開(kāi)窗位置。 由于傳感器以SLOT 為基本單元讀取數(shù)據(jù),一個(gè)SLOT 讀取24 個(gè)像元,在開(kāi)窗采集時(shí),一行32 個(gè)像元可能需要2 或3 個(gè)SLOT 完成讀取,具體數(shù)量同開(kāi)窗位置有關(guān)。FPGA 應(yīng)根據(jù)遙控指令設(shè)置的開(kāi)窗起始位置,計(jì)算讀取一行數(shù)據(jù)涉及的SLOT 數(shù)量并及時(shí)調(diào)整CMOS傳感器的配置參數(shù)。

FPGA 對(duì)于從CMOS 圖像傳感器采集到的原始視頻流進(jìn)行預(yù)處理,要求剔除掉幀開(kāi)始、行開(kāi)始、幀結(jié)束、行結(jié)束、灰/黑校正列數(shù)據(jù)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)、列不一致定校正以及同步訓(xùn)練數(shù)據(jù),僅保留有效視頻圖像數(shù)據(jù)。 將有效視頻圖像數(shù)據(jù)按照行列遞增逐點(diǎn)掃描方式進(jìn)行重排,對(duì)重排后的數(shù)據(jù)存入 FPGA 上SRAM 構(gòu)建的 FIFO 進(jìn)行緩存。 當(dāng) FPGA 接收到待機(jī)指令后,不再驅(qū)動(dòng)CMOS 圖像傳感器,此時(shí)將不輸出視頻圖像。

2 測(cè)試與試驗(yàn)

2.1 幀頻測(cè)試

在穩(wěn)像相機(jī)閉環(huán)控制成像模式下對(duì)幀頻和成像時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)要求穩(wěn)像相機(jī)在接收成像指令后需要10 ms 后進(jìn)入32×32@2 000 fps 的閉環(huán)成像模式。 如圖5 所示,CH2 通道為穩(wěn)像相機(jī)狀態(tài)信號(hào),低電平時(shí)表示接收到成像指令開(kāi)始成像;CH1通道為圖像2711 接口輸出狀態(tài)信號(hào),高電平有效,示波器顯示其頻率為2 000 Hz。 實(shí)際測(cè)試得相機(jī)在接收指令 2. 7 ms 后開(kāi)始成像, 圖像幀頻為2 000 fps,滿足要求。

圖5 穩(wěn)像相機(jī)32×32@2 000 fps 工作時(shí)示波器測(cè)試圖Fig.5 Image stabilization camera 32×32@2 000 fps oscillograph test chart at work

2.2 成像試驗(yàn)

根據(jù)系統(tǒng)要求,搭建了系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái),如圖6 所示,將典型地物圖像微縮底片放置在平行光管前,調(diào)節(jié)光源亮度,光束經(jīng)過(guò)平行光管后由擺鏡反射至穩(wěn)像相機(jī)焦平面?zhèn)鞲衅?信號(hào)發(fā)生器輸出任意的信號(hào)擾動(dòng)擺鏡,模擬光學(xué)系統(tǒng)主光軸抖動(dòng)。 穩(wěn)像相機(jī)工作時(shí)首先進(jìn)入1 280×1 024@50 fps 全畫幅搜索模式,當(dāng)選取到合適的場(chǎng)景后,進(jìn)入32×32@2 000 fps閉環(huán)控制模式。 進(jìn)入閉環(huán)控制模式后,穩(wěn)像控制器根據(jù)穩(wěn)像圖像計(jì)算像元的偏移量,擺鏡根據(jù)偏移量進(jìn)行調(diào)整,使光軸一直處于遙感相機(jī)中心,消除成像積分時(shí)間內(nèi)由于光軸抖動(dòng)引起的圖像模糊,達(dá)到遙感相機(jī)穩(wěn)像的目的。

圖6 穩(wěn)像系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境示意圖Fig.6 Schematic diagram of image stabilization system test environment

穩(wěn)像相機(jī)首先進(jìn)入1 280×1 024@50 fps 全畫幅工作模式成像圖如圖7 所示,當(dāng)穩(wěn)像相機(jī)搜索到目標(biāo)后進(jìn)入閉環(huán)模式,在穩(wěn)像相機(jī)工作期間,遙感相機(jī)在閉環(huán)前和閉環(huán)后成像裝情況如圖8 所示,遙感相機(jī)在穩(wěn)像相機(jī)進(jìn)入閉環(huán)模式后,成像分辨率得到大幅度提升,同時(shí)驗(yàn)證了穩(wěn)像相機(jī)和穩(wěn)像系統(tǒng)有效。

圖7 穩(wěn)像相機(jī)全幀工作拍攝圖片F(xiàn)ig.7 Full frame working pictures of image stabilization camera

圖8 遙感相機(jī)不同時(shí)刻成像圖Fig.8 Image of remote sensing camera at different times

3 結(jié)論

本文介紹了遙感衛(wèi)星中穩(wěn)像相機(jī)電子學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。 穩(wěn)像相機(jī)焦平面和遙感相機(jī)焦平面共用成像光路,因此穩(wěn)像相機(jī)可用電路面積較小。 本方案通過(guò)優(yōu)化PCB 布局設(shè)計(jì),將大面積的宇航級(jí)元器件合理的擺放在焦平面電路、信號(hào)處理電路和接口電路上,并將3 種電路集成在一塊剛撓板上,最大限度節(jié)省電路面積。 實(shí)際測(cè)試得穩(wěn)像相機(jī)最大外包落為114 mm×58 mm×69 mm、質(zhì)量697 g、功耗小于6 W;為了獲得較高的穩(wěn)像控制帶寬,要求穩(wěn)像相機(jī)必須具備千赫茲量級(jí)的成像幀頻,這就要求相機(jī)具備高靈敏度、低噪聲的特點(diǎn),并可以在極短曝光條件下獲取圖像信息;同時(shí)相機(jī)需要具備大面陣成像能力,以期拍攝獲得足夠大的地物場(chǎng)景,為尋找細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域開(kāi)展幀間關(guān)聯(lián)提供可能。 根據(jù)穩(wěn)像方案需求和傳感器的特性,將穩(wěn)像相機(jī)設(shè)計(jì)成具有1 280×1 024 @ 50 fps 全 畫幅 搜 索 模 式 和 32 × 32@2 000 fps 閉環(huán)控制模式。 在穩(wěn)像測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試得到以下結(jié)論:穩(wěn)像相機(jī)在全幀頻模式下成像清晰;遙感相機(jī)在穩(wěn)像相機(jī)進(jìn)入32×32@2 000 fps 閉環(huán)模式后,圖像分辨率得到大幅度提升,滿足工程應(yīng)用要求。

該穩(wěn)像相機(jī)的電子學(xué)設(shè)計(jì)方法可以廣泛應(yīng)用于遙感衛(wèi)星中。 該穩(wěn)像相機(jī)具有1 280×1 024@50 fps全畫幅搜索模式,也可執(zhí)行天基監(jiān)視和對(duì)地遙感等任務(wù)。