CN101420538B

CN101420538B - 空间多光谱线阵ccd遥感器成像电路系统

Info

Publication number: CN101420538B
Application number: CN2008102397443A
Authority: CN
Inventors: 李涛; 徐宏宇; 于双江; 苏蕾; 万旻
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: CN101420538A

Abstract

空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，包括焦面驱动单元、图像处理单元、图像合成单元、控制单元，焦面驱动单元中的CCD遥感器对地成像并将所成遥感图像的光学信号按不同光谱分段转换为电信号后送至图像处理单元；图像处理单元对电信号进行放大滤波，并将电信号经输入电平嵌位、相关双采样与暗电平去除、A/D转换后送至图像合成单元；图像合成单元对图像信号进行数据格式转换，将并行信号转换为串行信号，对串行信号和控制单元传来的输出接口的同步时钟与位时钟进行数据电平转换，将TTL电平转换为LVDS电平后输出；控制单元为其余三个单元提供时钟控制信号。本发明采用集中控制方法，可有效解决多个谱段、多个单元电路同步工作的问题。

Description

空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统

技术领域

本发明涉及一种线阵CCD成像电路系统，特别是一种用于空间观测的多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统。

背景技术

现有的光学遥感器大多为单一谱段，其成像电路系统主要包括焦面电路、驱动电路、焦面电源电路、信号放大电路、A/D转换电路。焦面单元主要作用是CCD信号读出。驱动单元主要作用是产生CCD控制时序，并输出电流能力较大的驱动信号给CCD芯片。信号放大电路对图像信号进行放大处理，调整信号幅度。A/D转换电路将模拟信号转变为数字信号。这种成像电路系统的焦面电路、A/D转换电路各自包含FPGA器件，控制信号由各自的电路板产生，之前由一个同步信号协调工作。这种系统结构在单一谱段的成像电路系统中适用，但在多个谱段的成像电路系统中，焦面电路、A/D转换电路都会随着谱段增加而增加，如果仍各自由FPGA产生各自电路的控制信号，那么各个电路、各个谱段的同步控制将变得非常苦难。实际上，由于信号的延时效应，对这么多电路进行精确同步控制基本不能实现。现有的成像电路系统，最终的输出信号为并行数据，这种方式使得传输导线数量多，电缆体积大，重量重，并且出故障的可能性也大，可靠性低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能够适用于空间多光谱线阵CCD遥感器的成像电路系统。

本发明的技术解决方案是：空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，包括焦面驱动单元、图像处理单元、图像合成单元和控制单元，其中：

焦面驱动单元：包含多个CCD遥感器，CCD遥感器对地成像并将所成遥感图像的光学信号按照不同光谱分段转换为电信号后送至图像处理单元；

图像处理单元：对传来的电信号进行放大滤波，并将所述电信号经输入电平嵌位、相关双采样与暗电平去除、A/D转换后送至图像合成单元；

图像合成单元：对传来的图像信号进行数据格式转换，将并行信号转换为串行信号，然后对串行信号和控制单元传来的输出接口的同步时钟与位时钟进行数据电平转换，将TTL电平转换为LVDS电平后输出；

控制单元：向焦面驱动单元输出CCD电荷垂直转移时钟信号和CCD电荷水平转移时钟信号，使因光子能量而感应产生的电荷从CCD像元势阱中转移到CCD芯片内寄存器中并依次输出；向图像处理单元输出双采样时钟、暗电平嵌位时钟和A/D转换时钟，双采样时钟控制图像处理单元对CCD输出的模拟图像信号和CCD暗电平信号进行采样，暗电平嵌位时钟标识出暗电平像元位置，A/D转换时钟控制A/D转换的周期；向图像合成单元输出并串转换时钟、输出接口的同步时钟、输出接口位时钟，并串转换时钟控制图像合成单元将并行数据转换为串行数据，输出接口同步时钟标识输出数据的开头、结尾，输出接口位时钟标识输出数据中每个bit数据的位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：其一、本发明焦面单元包含4个CCD的焦面驱动电路，可以使4个光谱的CCD同时成像；其二、本发明的图像处理单元包含多级滤波器，可以抑制信号噪声，提高信号质量；其三、本发明的图像处理单元具有暗电平嵌位功能，暗电平信号是CCD信号输出信号中不可避免的信号，属于无用信号，本发明图像处理单元可以将图像信号中的暗电平去除，提高信号质量；其四、本发明与现有技术相比增加了图像合成单元，将并行数据转变为串行数据，使传输导线数量减为并行数据的八分之一，大大减少了电缆数量与重量，降低了电缆故障的可能性；其五、本发明采用集中控制方法，用一个控制单元产品成像电路系统各个单元的全部控制信号，这样可以有效解决多个谱段、多个单元电路同步工作的问题，避免因延时误差导致的各电路工作顺序错误。

附图说明

图1为本发明成像电路系统的组成原理框图；

图2为本发明成像电路系统中图像处理单元的电路图；

图3为本发明成像电路系统中图像合成单元的电路图；

图4为本发明成像电路系统中控制单元的电路图；

图5为本发明成像电路系统中控制单元FPGA的信号流程图。

具体实施方式

本发明包括焦面驱动单元、图像处理单元、图像合成单元和控制单元，如图1所示。焦面驱动单元中的CCD遥感器对地成像并将所成遥感图像的光学信号按照不同光谱分段转换为电信号后送至图像处理单元。图像处理单元对传来的电信号进行放大滤波，并将所述电信号经输入电平嵌位、模数转换后送至图像合成单元。图像合成单元对传来的信号进行数据格式转换，将并行8bit信号转换为串行8bit信号，再对串行信号进行数据电平转换，将TTL电平转换为LVDS电平，最后输出。控制单元向焦面驱动单元输出CCD电荷垂直转移时钟信号和CCD电荷水平转移时钟信号，使CCD像元势阱中的电荷转移到CCD芯片内寄存器中，然后再依次输出。控制单元还输出图像处理单元控制时钟信号，包括相关双采样时钟、A/D转换时钟、暗电平嵌位时钟。在各个时钟控制下，图像处理单元对CCD输出的模拟图像信号和CCD暗电平信号进行采样，将去除暗电平信号后的真实图像信号转换为8bit并行数字信号。控制单元还输出图像合成单元的并串转换时钟，输出接口同步时钟与输出接口位时钟。并串转换时钟控制图像合成单元将8bit并行数据转换为8bit串行数据，输出接口同步时钟标识了输出数据的开头、结尾，输出接口位时钟标识了输出数据中每个bit数据的位置。

如图2所示，本发明图像处理单元由输入端201和八个输出端202～209、第一放大器231、第二放大器232、A/D集成电路233、电阻R₁～R₁₂、电容C₁组成。图像处理单元的输入端201通过电阻R₂与第一放大器231的正向输入端相连，图像处理单元的输入端201还通过电阻R₁与参考电位相连，第一放大器231的负向输入端通过电阻R₃与参考电位相连，第一放大器231的负向输入端还通过电阻R₄与其输出端相连，第一放大器231的输出端通过电阻R₅、电阻R₇与第二放大器232的正向输入端相连，电阻R₆的一端与电阻R₅和电阻R₇的公共端相连，电阻R₆的另一端接地，第二放大器232的负向输入端通过电阻R₈与参考电位相连，第二放大器232的负向输入端还通过电阻R₉与其输出端相连，第二放大器232的输出端依次经电阻R₁₀、电容C₁、电阻R₁₂与A/D集成电路233的输入端相连，电容C₁和电阻R₁₂的公共端通过电阻R₁₁接参考电位，A/D集成电路233的输出端作为图像处理单元的输出端。

本发明图像处理单元中，放大滤波电路由两级放大滤波器组成，第一放大器231与电阻R₁～R₅共同构成第一级放大滤波器，第二放大器232与电阻R₆～R₁₀构成第二级放大滤波器。实际电路设计中，第一级放大滤波器的电阻R₃、电阻R₄和可分别取不同阻值，阻值范围在300Ω～3KΩ之间。R₃与R₄的相对比值决定第一放大器对输入信号放大的倍数，具体关系为信号放大倍数＝(R₃+R₄)/R₃。另外，根据R₄取值不同，使得放大滤波器带宽不同，可以滤除信号中不同频率范围的噪声。第二级放大滤波器的电阻R₈、电阻R₉与第一级放大滤波器的电阻R₃、电阻R₄的取值和原理相同。两级放大滤波器组合在一起，可以实现对信号中两个频率段的噪声的滤波。

本发明图像处理单元中，电容C₁和电阻R₁₁共同构成一个简单的低通滤波器，作用是消除信号中的原有直流成分，只保留交流成分。而信号的直流成分则由A/D集成电路TDA8783输入端直流分量决定，从而实现了对信号的电平嵌位功能。A/D集成电路TDA8783将输入的信号进行采样和A/D转换，输出并行8bit数据。

如图3所示，本发明图像合成单元由八个输入端301～308、四个输出端309～312、并串转换芯片331、第一差分电平转换器332、第二差分电平转换器333、电阻R₁～R₈组成。并串转换芯片331的输入端作为图像合成单元的输入端，并串转换芯片331的输出端依次经电阻R₃₁和电阻R₃₂接参考电位，电阻R₃₁和电阻R₃₂的公共端经电阻R₃₃接至第一差分电平转换器332的输入端，第一差分电平转换器332的正向输出端经电阻R₃₅输出，第一差分电平转换器332的负向输出端经电阻R₃₆输出。

本发明图像合成单元中，并串转换芯片331将输入的并行8bit信号转变为串行8bit信号输出，输出频率为输入频率的8倍。第一差分电平转换器332和第二差分电平转换器333将串行信号进行电平转换，将TTL电平信号转变为LVDS信号电平输出。两个差分电平转换器功能相同，互相为备份，可以提高电路可靠性。

如图4所示，本发明控制单元由输入正端401、输入负端402、八个输出端403～410、时钟接收芯片431、FPGA432、八个缓冲器433～440、电阻R₄₁、电阻R₄₂、电阻R₄₃组成。控制单元的输入正端401通过电阻R₄₁与时钟接收芯片431的正向输入端连接，控制单元的输入负端402通过电阻R₄₂与时钟接收芯片431的负向输入端连接，时钟接收芯片431输出端经过电阻R₄₃与FPGA432连接，FPGA432的CCD电荷垂直转移时钟、CCD电荷水平转移时钟、双采样时钟、暗电平嵌位时钟、A/D转换时钟，并串转换时钟、输出接口同步时钟、输出接口位时钟的信号输出端通过缓冲器433～440分别连至控制单元的八个输出端403～410。

时钟接收芯片431接收差分时钟信号并输入到FPGA432，为其提供基准时钟；FPGA432根据基准时钟计数器进行计数，计数器计到指定的节拍设置信号的状态量，由此产生八路控制信号，CCD电荷垂直转移时钟信号和CCD电荷水平转移时钟信号输出至焦面驱动单元，双采样时钟、暗电平嵌位时钟、A/D转换时钟输出至图像处理单元，并串转换时钟、输出接口同步时钟、输出接口位时钟输出至图像合成单元；缓冲器433～440对FPGA432产生的八路时钟信号进行缓冲驱动。

FPGA432的采用Actel公司A1280反熔丝型高可靠FPGA。其首先将基准时钟输入信号生成模块，信号生成模块由一个计数器组成，计数器按指定的积分时间循环计数，达到相应计数值后，设置相应信号的状态，其中CCD电荷水平转移时钟和CCD电荷垂直转移时钟由计数器的低2位产生，图像处理单元的双采样时钟、A/D转换时钟、暗电平嵌位时钟，图像合成单元的并串转换时钟、输出数据同步时钟、输出数据位时钟信号分别由计数器高6位产生。这样，全部时钟信号由一个计数器产生，一方面节省了FPGA的计数器资源，另一方面也有利于像元的稳定。信号生成模块分为主份、备份两个信号生成模块，两个信号生成模块功能相同，互为备份。主份、备份两个信号生成模块输出后通过主备输出选择模块，由外部输出的主备程序控制信号(高电平选择主份、低电平选择备份)选择主份时钟信号或者备份时钟信号输出。其中CCD电荷垂直转移时钟信号和CCD电荷水平转移时钟信号经过输出时序调整模块输出至焦面，而双采样时钟、暗电平嵌位时钟、A/D转换时钟、并串转换时钟、输出数据同步时钟、输出数据位时钟等六个信号直接输出，如图5所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，其特征在于包括：焦面驱动单元、图像处理单元、图像合成单元和控制单元，其中：

控制单元：向焦面驱动单元输出CCD电荷垂直转移时钟信号和CCD电荷水平转移时钟信号，使因光子能量而感应产生的电荷从CCD像元势阱中转移到CCD芯片内寄存器中并依次输出；向图像处理单元输出双采样时钟、暗电平嵌位时钟和A/D转换时钟，双采样时钟控制图像处理单元对CCD输出的模拟图像信号和CCD暗电平信号进行采样，暗电平嵌位时钟标识出暗电平像元位置，A/D转换时钟控制A/D转换的周期；向图像合成单元输出并串转换时钟、输出接口的同步时钟、输出接口位时钟，并串转换时钟控制图像合成单元将并行数据转换为串行数据，输出接口同步时钟标识输出数据的开头、结尾，输出接口位时钟标识输出数据中每个bit数据的位置；所述的控制单元包括时钟接收芯片(431)、FPGA(432)和八个缓冲器(433～440)；时钟接收芯片(431)接收差分时钟信号并输入到FPGA(432)，为FPGA提供基准时钟；FPGA(432)计数器根据基准时钟进行计数，计数器按指定的积分时间循环计数，达到相应计数值后，设置相应信号的状态，其中CCD电荷水平转移时钟和CCD电荷垂直转移时钟由计数器的低2位产生，图像处理单元的双采样时钟、A/D转换时钟、暗电平嵌位时钟，图像合成单元的并串转换时钟、输出数据同步时钟、输出数据位时钟信号分别由计数器高6位产生，由此产生八路控制信号；八个缓冲器(433～440)对FPGA(432)产生的八路时钟信号进行缓冲驱动。

2.根据权利要求1所述的空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，其特征在于：所述的焦面驱动单元中的CCD遥感器的个数与光学信号按照光谱分段的段数相等。

3.根据权利要求1所述的空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，其特征在于：所述的图像处理单元包括第一放大器(231)、第二放大器(232)、A/D集成电路(233)，图像处理单元的输入端(201)通过电阻R₂与第一放大器(231)的正向输入端相连，图像处理单元的输入端(201)还通过电阻R₁与参考电位相连，第一放大器(231)的负向输入端通过电阻R₃与参考电位相连，第一放大器(231)的负向输入端还通过电阻R₄与其输出端相连，第一放大器(231)的输出端通过电阻R₅、电阻R₇与第二放大器(232)的正向输入端相连，电阻R₆的一端与电阻R₅和电阻R₇的公共端相连，电阻R₆的另一端接地，第二放大器(232)的负向输入端通过电阻R₈与参考电位相连，第二放大器(232)的负向输入端还通过电阻R₉与其输出端相连，第二放大器(232)的输出端依次经电阻R₁₀、电容C₁、电阻R₁₂与A/D集成电路(233)的输入端相连，电容C₁和电阻R₁₂的公共端通过电阻R₁₁接参考电位，A/D集成电路(233)的输出端作为图像处理单元的输出端。

4.根据权利要求3所述的空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，其特征在于：A/D集成电路(233)为TDA8783。

5.根据权利要求3所述的空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，其特征在于：所述的图像处理单元还可包含多级放大器，用于对电信号进行放大滤波。

6.根据权利要求1或3所述的空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，其特征在于：所述的图像合成单元包括并串转换芯片(331)和第一差分电平转换器(332)；并串转换芯片(331)的输入端作为图像合成单元的输入端，并串转换芯片(331)的输出端依次经电阻R₃₁和电阻R₃₂接参考电位，电阻R₃₁和电阻R₃₂的公共端经电阻R₃₃接至第一差分电平转换器(332)的输入端，第一差分电平转换器(332)的正向输出端经电阻R₃₅输出，第一差分电平转换器(332)的负向输出端经电阻R₃₆输出。

7.根据权利要求6所述的空间多光谱线阵CCD遥感器成像电路系统，其特征在于：所述的图像合成单元还包括第二差分电平转换器(333)，第二差分电平转换器(333)与第一差分电平转换器(332)互为备份。