CN104243859B - 一种具备数字像元叠加功能的星载光谱仪ccd成像电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，该电路由A/D转换器、FPGA和存储器构成，FPGA内的CCD时序发生模块(1)产生相应的CCD光谱读写时序；Binning模块(2)接收A/D模块(5)产生的数据，同时根据主控模块(6)设置的参数n，将读取的每n行数据，逐点累加为一行，形成数字像元合并，向卫星平台转发。其中每次像元叠加开始第一行CCD数据读出时，由Binning模块(2)，将A/D的数据读出和写入存储器(3)，之后每一行读出时，Binning模块(2)同时读出存储器(3)上次存储的对应点的数值，与该点的A/D数值相加，再写回存储器(3)对应位置，直到累加次数等于主控模块(6)设置的参数n。本发明可以显著提高光谱仪信噪比。

Description

一种具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路

技术领域

本发明涉及星载差分吸收成像光谱仪CCD成像电路的技术领域，具体涉及一种具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路。

背景技术

目前国际上主要采用星载差分吸收光谱技术来完成全球痕量气体的时空分布和变化监测。作为光谱分析数据，每一个成像点的信噪比要求很高，目前是14位，即80dB以上。CCD成像点的信噪比主要受限于散弹噪声，散弹噪声可表示为根号N分之一。其中N为单点像元接收的电荷数。由此可见，提高单点像元的电荷数，即可以提高信噪比。科学级CCD正是这类N值非常大的CCD，通常用于测量领域，其特点是像元面积大，每个像元的势井深。受限于生产工艺，所有像元的面积和势井提高的幅度有限，现实的做法是把最后一个输出行的势井做得尤其深，这样，可以把其它行转移到最后一行叠加，然后依次输出。通常最后一行能够比其它行势井深4倍以上，这样就能够实现多行(一般4行到8行)合并为一行输出，称为像元合并(Binning)。这样做虽然降低了CCD成像的分辨率，但是大幅提高了信噪比。目前国外卫星上使用的差分吸收光谱仪，就是运用CCD Binning的方式来提高信噪比。然而，本文所述及的工程中，因为需进口国外航天级CCD芯片，国外厂商不提供输出级势井足够深的CCD芯片，片上像元合并的功能无法实现。为此，提出了数字像元合并的方案。即CCD逐点读出后，将读出数值做数字叠加，这个功能需要依靠CCD成像电路实现。需要解释的是，虽然逐点读出的数据可以传到地面，在地面做图像处理时做多行合并，但是因为卫星的数据传输通道有限，如果逐点读出下传到地面再叠加，卫星通讯信道将不能负担这样的大数据量。

本发明涉及一种星载差分吸收成像光谱仪，该仪器用于探测大气成分及其对应的地理分布。此类光谱仪普遍使用科学级CCD作为探测单元，本发明属于CCD成像电路的一项功能，用以不能有效实现CCD片内像元合并时，通过数字方法，依靠外围电路提高CCD输出的信噪比。

由此，研制了具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路以提高光谱仪的信噪比。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的技术问题，提出一种星载差分吸收光谱仪的数字像元合并方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明是具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：该设计由A/D模块(5)、FPGA和随机存储器(3)构成。所述CCD基于FPGA产生驱动逻辑，并且所述的CCD时序发生模块(1)、Binning模块(2)、主控模块(6)中各逻辑电路构建于同一片FPGA。FPGA内的CCD时序发生模块(1)产生相应的CCD光谱读写时序；Binning模块(2)接收A/D模块(5)产生的数据，同时根据主控模块(6)设置的参数n，将读取的每n行数据，逐点累加为一行，形成数字像元合并，向卫星平台转发。每次像元叠加开始第一行CCD数据读出时，由Binning模块(2)，将A/D的数据读出和写入存储器(3)，之后每一行读出时，Binning模块(2)同时读出存储器(3)上次存储的对应点的数值，与该点的A/D数值相加，再写回存储器(3)对应位置，直到累加次数等于主控模块(6)设置的参数n。

本发明所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：主控模块(6)设置的Binning参数n对应CCD成像的行数，CCD每n行图像叠加为一行数据输出，其中n为可变参数。该参数可根据光谱信号强弱，通过地面指令调整设置，以达到光谱最佳。

本发明所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：CCD器件内部不做像元合并，在A/D电路之后，原始数据缓存到随机存储器中(3)，由Binning模块(2)产生读写及运算控制进行数字叠加。

本发明所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：该电路的Binning模块(2)分别由移位寄存器(7)、取整寄存器(8)、回读寄存器(11)、数值累加器(10)、数据选择器(9)、存储器地址发生器(13)和数据管理器(14)构成；

Binning模块(2)工作时，首先移位寄存器(7)根据数据管理器(14)产生的时钟(12)，读取A/D模块(5)产生的数字信号。该数字信号通过数据选择器(9)被储存进随机存储器(3)内；或该数字信号被取整寄存器(8)运算后，通过数据选择器(9)被储存进随机存储器(3)内；

数据选择器(9)根据主控模块(6)设置的参数，决定输出的数据是Binning数据还是非Binning数据；

数据管理器(14)根据主控模块(6)设置的Binning参数n，驱动回读寄存器(11)读取随机存储器(3)内数据，送进数值累加器(10)，并和取整寄存器(8)的输出值累加后再储存进随机存储器(3)内；

数据管理器(14)同时产生外部随机存储器(3)的读写控制时序，并使外部存储器地址发生器(13)产生数据的读取和写入地址。

本发明所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：移位寄存器(7)位数为16位，分别对应数字信号的高8位数据和低8位数据。该移位寄存器(7)通过时钟信号(12)一个周期内的高低电平判断，分别把数据读取进来。

本发明所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：数据管理器(14)根据主控模块(6)设置的Binning参数n，驱动回读寄存器(11)读取随机存储器(3)内数据的次数由n的数值决定。

本发明的原理在于：

差分吸收成像光谱仪通常用来测量大气中痕量气体的时空分布和变化情况。由于光谱仪对CCD输出信号的信噪比要求很高，工程上这类光谱仪均采用科学级面阵CCD作为探测器，并使用像元合并的方式，通过牺牲分辨率来提高测量精度。但是，本文述及的工程是研发卫星上使用的差分吸收光谱仪，需使用航天级CCD器件。国外厂商对这个级别的器件，在输出行，没有给出足够的势井，无法做到有效的像元合并。为此，我们提出一种数字像元合并法，替代CCD上的模拟像元合并，以提高光谱仪的信噪比。为此设计了一款具备数字像元叠加功能的CCD成像电路。该电路由A/D转换器、FPGA和存储器构成，FPGA通过相应的读写时序，按需求将CCD每n行数据逐点累加为一行输出，实现数字式像元合并功能。实际使用结果证明，该设计可以显著提高光谱仪信噪比，目前已在某型号卫星上使用。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过外围硬件电路设计，实现将数字像元合并的方法，有效的解决了星载光谱仪中科学级CCD受限于国外制造商的限制，不能加深CCD输出级势井的弊端。

2、本发明通过在星上进行数字像元合并，减少了对卫星数传通道的占用。

3、本发明可以将各逻辑电路构建于一片FPGA，且与CCD成像电路位于同一片FPGA，通过对外接口获得Binning控制指令，其实施方式简单、功耗低、体积小。

4、本发明方法适于各种基于FPGA驱动的CCD成像的使用情况，尤其适合于多光谱通道系统中。

附图说明

图1为星载光谱仪中基于FPGA设计的数字Binning电路结构示意图；

图2为本发明中Binning模块内部结构示意图。

图3为采用CCD5530芯片，工作在4Binning模式下的数字像元合并示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

参见图1，本实施例中具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路的实现方式是：所述CCD成像电路产生CCD工作时序，同时接收来自CCD47-20和CCD55-30的成像数据；Binning模块按行读出每个通道的成像数据，并储存在外部存储器中；Binning模块通过主控模块接收星上指令，调整储存数据的Binning行数。

参见图2，本发明是具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，电路提供CCD47-20和CCD55-30(4)的驱动时钟并完成A/D转换；将A/D转换数据缓存后，根据载荷指令进行逐行叠加并输出至卫星平台实现数字像元合并过程。

该电路由A/D模块5、FPGA和随机存储器3构成。FPGA内的CCD时序发生模块1产生相应的CCD光谱读写时序；Binning模块2接收A/D模块5产生的数据，同时根据主控模块6设置的参数n，将读取的每n行数据，逐点累加为一行，形成数字像元合并，向卫星平台转发。

主控模块6设置的Binning参数n对应CCD成像的行数，CCD每n行图像叠加为一行数据输出，其中n为可变参数。该参数可根据光谱信号强弱，通过地面指令调整设置，以达到光谱最佳。

CCD器件内部不做像元合并，在A/D电路之后，原始数据缓存到随机存储器中3，由Binning模块2产生读写及运算控制进行数字叠加。

所述CCD基于FPGA产生驱动逻辑，并且所述的CCD时序发生模块1、Binning模块2、主控模块6中各逻辑电路构建于同一片FPGA。

每次像元叠加开始第一行CCD数据读出时，由Binning模块2，将A/D的数据读出和写入存储器3，之后每一行读出时，Binning模块2同时读出存储器3上次存储的对应点的数值，与该点的A/D数值相加，再写回存储器3对应位置，直到累加次数等于主控模块6设置的参数n。

该电路的Binning模块2分别由移位寄存器7、取整寄存器8、回读寄存器11、数值累加器10、数据选择器9、存储器地址发生器13和数据管理器14构成。

Binning模块2工作时，首先移位寄存器7根据数据管理器14产生的时钟12，读取A/D模块5产生的数字信号。该数字信号通过数据选择器9被储存进随机存储器3内；或该数字信号被取整寄存器8运算后，通过数据选择器9被储存进随机存储器3内。

数据选择器9根据主控模块6设置的参数，决定输出的数据是Binning数据还是非Binning数据。

数据管理器14根据主控模块6设置的Binning参数n，驱动回读寄存器11读取随机存储器3内数据，送进数值累加器10，并和取整寄存器8的输出值累加后再储存进随机存储器3内。

数据管理器14同时产生外部随机存储器3的读写控制时序，并使外部存储器地址发生器13产生数据的读取和写入地址。

移位寄存器7位数为16位，分别对应数字信号的高8位数据和低8位数据。该移位寄存器7通过时钟信号12一个周期内的高低电平判断，分别把数据读取进来。

数据管理器14根据主控模块6设置的Binning参数n，驱动回读寄存器11读取随机存储器3内数据的次数由n的数值决定。

下面结合图3对本发明进行详细说明。

根图3所示，以E2V公司的CCD55-30作为本实施例中光谱仪使用的CCD芯片，并且本实施例工作在4Binning模式下。CCD55-30的像元数为1256×576，其中1286为每行的像元数，作为本星载差分吸收光谱仪的光谱维，576为行数，作为卫星飞行方向成像的空间维。因此本发明的CCD数字Binning成像电路产生的图像数据是在卫星的飞行方向进行Binning，每4行Binning成一行，也就是说CCD的576行成像数据，最终下传的应该是144行图像数据。

首先电路加电工作时，CCD时序模块1产生CCD55-30(4)的曝光时序和A/D模块(5)读取时序，把CCD产生的光谱信号按行读进Binning模块2等待处理。Binning模块2读取每个像元数据的同时，通过取整寄存器8，对数据进行右移处理，产生取整数据，存储进外部随机存储器3中。该取整数据可在Binning模式下，通过对存储器的回读被使用。

主控模块6得到卫星注数指令，设定Binning模块2工作在4Binning模式下。Binning模块2由于被设定在4Binning模式下，在储存每个取整数据的同时，会从外部随机存储器3中回读上一个通过数值累加器10，产生的累加值，进行累加，再继续储存进外部随机存储器3中。如此来回循环4次，即产生由CCD输出的4行数字信号Binning成所需的1行数字信号。

整个Binning过程的时序控制由数据管理器14完成。数据管理器14同时产生外部随机存储器3的读写地址，选通信号以及读写时钟信号，以协调数值累加器10从外部随机存储器3中进行数据回读和累加处理。

数据管理器14的主要功能通过设定一个计数器来完成，本实施例中设定计数器LineReadOutCounter位数为15位，计数长度由一行数据的长度确定。CCD55-30一行数据长度为20576bits。

主控模块6得到卫星注数指令，设定Binning模块2工作在4Binning模式下时，本实施例设定LineCounter计数器作为行计数。数据管理器14以LineCounter最低两位为状态机，产生4个状态，对数据进行操作。状态操作如下：

1.当LineCounter[1:0]＝00时，数据管理器14产生时序回读外部随机存储器3的数据，并和第一个取整数据进行累加，再写入外部随机存储器3；

2.当LineCounter[1:0]＝01时，数据管理器14产生时序回读外部随机存储器3的数据，并和第二个取整数据进行累加，再写入外部随机存储器3；

3.当LineCounter[1:0]＝10时，数据管理器14产生时序回读外部随机存储器3的数据，并和第三个取整数据进行累加，再写入外部随机存储器3；

4.当LineCounter[1:0]＝11时，数据管理器14产生时序回读外部随机存储器3的数据，并和第四个取整数据进行累加，再写入外部随机存储器3；

本实施例中4Binning模式下的操作过程，必须通过设定3个16位的中间变量寄存器来完成数据的回读和累加转换。

本发明未详细阐释的技术内容采用本领域的公知技术。

Claims (5)

1.一种具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：该电路包括A/D模块（5）、FPGA和随机存储器（3）；所述的星载光谱仪CCD成像电路基于FPGA产生驱动逻辑，并且星载光谱仪CCD成像电路的时序发生模块（1）、Binning模块（2）、主控模块（6）中各逻辑电路构建于同一片所述的FPGA，该FPGA内的时序发生模块（1）产生相应的CCD光谱读写时序；Binning模块（2）接收 A/D模块（5）产生的数据，同时根据主控模块（6）设置的Binning参数n，将读取的每n行数据，逐点累加为一行，形成数字像元合并，向卫星平台转发实现数字像元合并过程；具体的，每次像元叠加开始第一行CCD数据读出时，由Binning模块（2），将A/D模块（5）产生的数据读出和写入随机存储器（3），之后每一行读出时，Binning模块（2）同时读出随机存储器（3）上次存储的对应点的数值，与该点的A/D数值相加，再写回随机存储器（3）对应位置，直到累加次数等于主控模块（6）设置的Binning参数n；

该电路的Binning模块（2）包括移位寄存器（7）、取整寄存器（8）、回读寄存器（11）、数值累加器（10）、数据选择器（9）、外部存储器地址发生器（13）和数据管理器（14）；

Binning模块（2）工作时，首先移位寄存器（7）根据数据管理器（14）产生的时钟（12），读取A/D模块（5）产生的数字信号，该数字信号通过数据选择器（9）被储存进随机存储器（3）内；或该数字信号被取整寄存器（8）运算后，通过数据选择器（9）被储存进随机存储器（3）内；

数据选择器（9）根据主控模块（6）设置的Binning参数n，决定输出的数据是Binning数据还是非Binning数据；

数据管理器（14）根据主控模块（6）设置的Binning参数n，驱动回读寄存器（11）读取随机存储器（3）内数据，送进数值累加器（10），并和取整寄存器（8）的输出值累加后再储存进随机存储器（3）内；

数据管理器（14）同时产生随机存储器（3）的读写控制时序，并使外部存储器地址发生器（13）产生数据的读取和写入地址。

2.根据权利要求1所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：主控模块（6）设置的Binning参数n对应CCD成像的行数，CCD每n行图像叠加为一行数据输出，其中n为可变参数，该参数可根据光谱信号强弱，通过地面指令调整设置，以达到光谱最佳。

3.根据权利要求1所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：CCD器件内部不做像元合并，在A/D模块（5）之后，原始数据缓存到随机存储器中（3），由Binning模块（2）产生读写及运算控制进行数字叠加。

4.根据权利要求1所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：移位寄存器（7）位数为16位，分别对应数字信号的高8位数据和低8位数据，该移位寄存器（7）通过时钟（12）一个周期内的高低电平判断，分别把数据读取进来。

5.根据权利要求1所述的具备数字像元叠加功能的星载光谱仪CCD成像电路，其特征是：数据管理器（14）根据主控模块（6）设置的Binning参数n，驱动回读寄存器（11）读取随机存储器（3）内数据的次数由n的数值决定。