CN102707220A

CN102707220A - 一种tdi-ccd器件的筛选装置及其使用方法

Info

Publication number: CN102707220A
Application number: CN2012101766875A
Authority: CN
Inventors: 李进; 金龙旭; 李国宁; 王文华; 张柯
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-10-03

Abstract

一种TDI-CCD器件的筛选装置，包括：前端单元；图像捕获单元；数据处理单元；主控计算机以及成像显示与性能分析计算机。本发明的TDI-CCD器件的筛选装置，可以在不损坏TDI-CCD的情况下，检测准备安装到焦平面上的一组TDI-CCD能否正常成像，可以检测出各片TDI-CCD中存在的盲像元、过冷像元和过热像元，根据这些异常像元数目决定TDI-CCD是否可用。

Description

一种TDI-CCD器件的筛选装置及其使用方法

技术领域

本发明属于航天TDI-CCD相机研制与精密仪器检测技术领域，涉及一种TDI-CCD器件的筛选装置及其使用方法。

背景技术

随着基于时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)成像技术的空间相机在视场和分辨率指标要求上的不断提高，单片TDI-CCD像元数已无法满足系统覆盖宽度要求，需要对多片TDI-CCD进行机械拼接组成焦面，使其总像元数满足系统要求。

在研制任务中，需要将定制的新的多片TDI-CCD安装到焦平面上。新定制的一组TDI-CCD可能会出现以下三种情况：（1）某片TDI-CCD不能正常成像；（2）某片TDI-CCD存在盲像元、过冷像元和过热像元；（3）所有TDI-CCD均可以正常成像但成像性能不完全相同。当出现情况（1）和情况（2）时就需要更换该片TDI-CCD；对于情况（3），需要将性能略差的TDI-CCD放在焦面边缘。目前研制人员通常在观察一两片正常成像后就直接将新定制的所有TDI-CCD安装到焦面上，然后进行整机定标和成像实验。由于没有对待安装的各片TDI-CCD进行筛选、分析和评价，没有对各片TDI-CCD成像性能进行全面的比较，无法做到将成像性能最好的放在焦面中间，略差的依次靠近边缘。更主要的是，如果没有对新定制的一组TDI-CCD进行筛选而直接安装，当TDI-CCD出现异常需要更换时，更换操作十分费力，且可能损坏器件，影响其他安装好的器件。另外，在安装前没有对TDI-CCD进行筛选评价，当整机实验出现成像不正常问题时也无法定位问题，增加了调试阶段的难度和工作量。

现阶段，空间相机的TDI-CCD器件安装时的筛选研究几乎为零，迫切需要一种适于空间TDI-CCD相机研制中TDI-CCD器件的筛选装置，以用来提高空间相机研制效率，以及进一步提高相机整体成像性能。

发明内容

为了解决现有TDI-CCD器件安装时的没有进行筛选，焦平面多片CCD的技术存在严重缺陷的技术问题，本发明提供了一种结构简单、操作简单方便的TDI-CCD器件的筛选装置及其使用方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种TDI-CCD器件的筛选装置，包括：

前端单元，用来输出TDI-CCD器件的视频信号；

图像捕获单元，与前端单元相连，用来接收前端单元输出的视频信号，并对该视频信号进行存储；

数据处理单元，与图像捕获单元相连，用来计算各种CCD成像性能指标；

主控计算机，分别与图像捕获单元和数据处理单元控制相连，用来控制图像捕获单元工作和向数据处理单元发送操作指令；

成像显示与性能分析计算机，与数据处理单元相连，可在数据处理单元收到主控计算机发送的操作指令时启动工作，评价CCD性能。

上述技术方案中的筛选装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化配置；

步骤2：CCD成像捕获，由主控计算机控制图像捕获单元进行图像采集；

步骤3：CCD成像检测，读取图像捕获单元通过图像采集存储的图像数据，建立图像库；

步骤4：CCD成像性能分析，数据处理单元接收到主控计算机发送的操作指令，启动成像显示与性能分析计算机工作；所述显示与性能分析计算机对图像库中的图像数据进行分析。

上述技术方案中，步骤4中，显示与性能分析计算机对图像库中的图像数据进行分析时，判断CCD饱和度差异是否小于5%：如果是则合格，否则不合格。

本发明的有益效果是：

1、本发明的TDI-CCD器件的筛选装置，可以在不损坏TDI-CCD的情况下，检测准备安装到焦平面上的一组TDI-CCD能否正常成像，可以检测出各片TDI-CCD中存在的盲像元、过冷像元和过热像元，根据这些异常像元数目决定TDI-CCD是否可用。

2、本发明的TDI-CCD器件的筛选装置，仅处理数字域的图像数据就可以得出TDI-CCD各个成像性能指标结果，根据TDI-CCD成像性能指标结果全面地评价TDI-CCD性能。可以比较各片TDI-CCD成像性能，排出TDI-CCD成像性能优略表，最终决定TDI-CCD在焦平面安装的位置。从而可以为空间相机焦面安装TDI-CCD及研制过程中整机调试阶段提高效率，同时使整机的工作性能达到最优。

3、本发明的TDI-CCD器件的筛选装置，采用主控计算机设置工作方式的办法，使得TDI-CCD成像性能测试简单方便（操作简单方便），应用范围大，评价TDI-CCD性能全面。

附图说明

图1是本发明的TDI-CCD器件的筛选装置的一种具体实施方式的装置结构框图。

图2是图1所示具体实施方式中的TDI-CCD器件的筛选装置的使用方法流程图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1和图2显示本发明的TDI-CCD器件的筛选装置的一种具体实施方式。参见图1，其包括前端单元1，图像捕获单元2，数据处理单元3，主控计算机4，成像显示与性能分析计算机5。前端单元1与图像捕获单元2相连；图像捕获单元2与数据处理单元3相连；成像显示与性能分析计算机5与数据处理单元3相连；主控计算机4分别与图像捕获单元2和数据处理单元3控制相连。前端单元1用来输出TDI-CCD器件的视频信号；图像捕获单元2与前端单元1相连，用来接收前端单元1输出的视频信号，并对该视频信号进行存储。数据处理单元3与图像捕获单元2相连，用来计算各种CCD成像性能指标。主控计算机4，分别与图像捕获单元2和数据处理单元3控制相连，用来控制图像捕获单元2工作和向数据处理单元3发送操作指令。成像显示与性能分析计算机5与数据处理单元3相连，可在数据处理单元3收到主控计算机2发送的操作指令时启动工作，评价CCD性能。

具体的说：

前端单元1包括：TDI-CCD座，负载偏置电路，前置预放器，视频信号接口，CCD驱动信号和供电接口。安装在TDI-CCD座的CCD接收到从CCD驱动信号和供电接口中发来正确的工作电压和驱动时序后，输出CCD视频模拟信号，模拟视频信号经前置预放器预处理后变为符合视频处理器要求输入的视频信号，然后从视频信号接口输入到图像捕获单元2中。

图像捕获单元2包括：主CCD驱动电路，备CCD驱动电路，10位视频处理器，12位视频处理器，RS232串行接口单元，Camera Link协议接口单元，FPGA处理器1#，分布式供电单元，电源接口，图像LVDS发送单元，外部程序存储器，图像缓存器，图像存储器。FPGA处理器1#产生的CCD工作时序经过主CCD驱动电路提升电压后变换为符合CCD工作要求的时序输入到CCD驱动信号和供电接口中；分布式供电单元产生的CCD工作电压也输入到CCD驱动信号和供电接口中。10位视频处理器接收到正确的CCD模拟视频信号，对视频信号进行去直流、相关双采样、放大和A/D转换后变为数字图像数据。数字图像数据经乒乓操作的图像缓存器存入图像存储器中。待摄取15分钟图像后，存储的图像经图像LVDS发送单元输入到数据处理单元3中。

数据处理单元3包括：图像LVDS接收单元，外部程序存储器，图像缓存器，图像存储器，RS422串行接口单元，USB协议单元，FPGA处理器2#，数据存储器，程序存储器，DSP处理器。图像LVDS接收单元接收的图像数据经乒乓操作的图像缓存器存入图像存储器中。DSP处理器读取图像存储器中的图像数据进行计算各种CCD成像性能指标，并将计算结果通过USB协议单元传输到CCD成像显示和性能分析软件上，以便比较多片CCD性能差异性。

主控计算机4通过RS232串行接口单元向图像捕获单元2注入操作指令、工作参数以及接收返回的工程参数，控制整个图像捕获单元2装置的工作；通过RS422串行接口单元向数据处理单元3发送操作指令，控制相应CCD成像性能指标计算的开启。

性能分析计算机5包括图像显示软件和CCD性能分析比较软件。图像显示软件接收由Camera Link协议接口单元传来的图像，图像显示软件可以看到CCD各像元经光电转换的数码值大小和数码值的灰度显示，可以直观地判断CCD能否正常成像和各像元差异。CCD性能分析比较软件接收数据处理单元3计算的各项CCD成像性能指标，全面地评价CCD性能。同时比较待拼接在焦面上各片CCD器件性能，最终筛选出性能一致且成像性能满足指标要求的CCD器件。

本发明的TDI-CCD器件的筛选装置的使用方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

（步骤201）初始化配置。装置上电后，启动主控计算机4，主控计算机4启动时需要设置通讯参数，主控计算机与CCD图像捕获单元、数据处理单元约定的通讯参数为：串行通讯波特率为125Kbps，低位在前，高位在后，数据格式为1位起始位，8位数据位，1位奇校验位，1位停止位。主控计算机向FPGA处理器1#中注入驱动电路和视频处理器类型选择参数。FPGA处理器1#根据参数使能主驱动电路和10bit视频处理器，然后向主控计算机E返回操作成功参数。主控计算机根据CCD工作和驱动电路所需的时序电压和工作电压，设置电压参数并注入FPGA处理器1#中，FPGA处理器1#控制分布式供电单元中数字电位计进行调整。待调整后，装置下电，初始化配置完成。由于焦平面安装的是一组同类型的CCD器件，因此初始化工作只需一次。初始化完成后开始评价每片CCD成像及其性能。

（步骤202）CCD成像捕获。根据CCD成像性能指标设置相应光照模式后，将第一片CCD（1#CCD）轻放置于TDI-CCD座中。装置上电，启动主控计算机，主控计算机首先设置摄像模式参数，然后向CCD捕获单元中注入设置的参数，主要发送参数为：CCD输出通道，CCD级数，增益，偏置和行转移量。这些参数决定FPGA处理器1#程序执行、驱动电路工作和视频处理器导入参数等的模式。参数注入的格式为：指令的帧格式是：7E7EH（帧头）+66H(控制码)+信息码+校验码，参数数据均以十六进制表示。校验码用来检测通讯是否正常，控制软件发送指令时会生成校验码称为发送校验码，FPGA接收到指令数据后对指令数据也计算校验码，称为接收校验码，当发送校验码和接收校验码异或全为0表示通讯正常，并在接收回显区显示通讯正常指示。信息码包括：（1）左右通道增益参数，采用2字节表示，其中D15～D10为未定义位，默认值为000000，D9～D0为10位增益值（0~1023），0~1023对应增益-6dB～42dB，每步4LSB，增益参数信息码计算方法为：N=INT[(A-1.67)/0.161](1.67<A<43),A为十进制增益数，将N转换为十六进制即为信息码。（2）左右通道偏置参数，采用1字节表示，其中D7～D4为未定义位，默认值为0000，D3～D0设置偏置值（0～15），0~15对应偏置0～60LSB（每步4LSB）。（3）积分级数和通道输出选择参数，采用1字节表示，其中D4～D3设置通道输出，D0～D2为积分级数。（4）行转移量控制参数，采用2字节表示，行频设置根据所测相机工作的指标进行设置即可。

主控计算机4每次注入参数和命令后，FPGA执行成功均会返回执行成功指示参数。摄像模式参数注入成功后，主控计算机发送CCD上电命令、摄像命令。为了保护CCD安全主控计算机必须严格按照：采集图像时，先CCD上电命令然后摄像命令的执行顺序；停止采集图像时，先停止摄像命令后CCD下电命令的执行顺序。指令的帧格式是：7E7EH（帧头）+控制码+校验码，指令数据均以十六进制表示。控制码包括：CCD电压上电控制码为22H，CCD电压下电控制码为33H，CCD开始摄像控制码为44H，CCD停止摄像控制码为55H。FPGA处理器1#接收到CCD上电命令后，选通分布式供电单元中提供CCD作电压的相应LM2941芯片组，然后返回参数7E7E22H；FPGA处理器1#接收到摄像命令后，选通分布式供电单元中提供CCD时序电压的相应LM2941和LM2991芯片组，同时向主驱动电路发送CCD工作时序，然后返回参数7E7E44H。CCD在正确的工作电压和工作时序下，输出模拟视频信号，模拟视频信号经视频处理器转换为数字图像数据。同时，FPGA处理器1#将图像数据写入图像数据存储器中，待图像存储10分钟后，FPGA处理器1#向主控计算机返回存储结束指示参数。主控计算机收到存储结束指示参数后，执行停止摄像命令、CCD下电命令，CCD停止工作，此时开始执行CCD成像性能分析阶段。

（步骤203）CCD成像检测。CCD成像检测阶段完成存储的图像数据传输到图像显示软件，并保存为RAW格式图像，建立各片CCD图像库。启动图像显示软件，并导入采集参数。主控计算机发送图像显示命令，FPGA处理器1#接收到图像显示命令后，读取存储到图像存储器中的图像数据，并通过CameraLink协议单元传输到图像显示软件。图像显示软件显示图像，同时将图像保存为RAW格式图像，建立该片CCD的图像库。根据图像来判断CCD能否正常成像。例如，当CCD在LED灯的峰值波长为650nm下成像时，如果图像全为黑，不能正常显示，说明该片CCD不能正常成像，不能安装到焦面上。如果图像显示正常，说明CCD可以正常成像。另外，通过在图像显示软件上观察图像各列（对应CCD各像元）的数码值，分析CCD各像元成像特性。当建立图像库后，进入CCD成像性能分析阶段。

（步骤204）CCD成像性能分析。图像数据在主控计算机控制下将图像转存入数据处理单元中。主控计算机根据当前测试CCD成像性能指标发送异常像元检测命令和13个成像性能指标计算命令。数据处理单元中DSP处理器根据相应命令计算相应成像性能指标，并将计算结果通过USB传输到CCD成像性能分析软件上。待1#CCD所有成像性能指标测试完后，安装2#CCD采用同样的操作流程进行测试，依次类推，直到69片CCD测试完成（假设共有69片CCD）。此时，CCD成像性能分析软件保存了69片CCD成像性能测试结果，然后进行统计分析，进而比较各片CCD成像性能差异，最终排列出CCD性能优略表，筛选出高性能和性能一致的CCD器件，以供相机研制人员在安装焦面时使用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种TDI-CCD器件的筛选装置，其特征在于，包括：

前端单元，用来输出TDI-CCD器件的视频信号；

2.如权利要求1所述的筛选装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化配置；

3.如权利要求2所述的使用方法，其特征在于，步骤4中，显示与性能分析计算机对图像库中的图像数据进行分析时，判断CCD饱和度差异是否小于5%：如果是则合格，否则不合格。