CN105578083B - 低噪声ccd信号成像电子学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CCD像素信号处理的低噪声CCD成像电子学系统。主要解决现有电子学技术CDS获取图像的SNR低以及信息学技术获取图像的调制传递函数MTF负面效果大问题。该系统主要由信号调理电路、高速ADC采样电路和实时处理电路三部分组成。其中信号调理电路用于产生调理后的CCD信号及起始定位信号；高速ADC采样电路用于对调理后的CCD信号的过采样；实时处理电路主要用于完成对采样数据的接收、处理及处理结果的输出，实时处理电路在单片FPGA芯片中完成。本发明的具有集成度高，能对CCD信号进行实时处理的优点，可用于遥感卫星图像的获取。

Description

低噪声CCD信号成像电子学系统
技术领域
本发明属于遥感图像处理技术领域，是一种涉及CCD图像数据并行处理的成像电子学系统，适应于对图像信噪比SNR、图像的调制传递函数MTF要求高、图像数据实时性好和集成度要求高的遥感图像的处理。
背景技术
目前，国内外可见光遥感卫星的CCD相机电子学系统主要采用相关双采样CDS技术对CCD信号进行采样与模拟-数字转换处理，从而降低CCD器件的读出信号噪声。然而采用CDS结构的成像电子学系统设计存在一些固有的缺点，主要是：①除了在滤波与相关双采样CDS环节可以滤除一部分噪声外，其余电路环节还会引入诸如器件热噪声、量化噪声及干扰，造成成像质量下降；②系统所能达到的技术性能强烈依赖工程设计人员的经验及所采取的工程化设计手段，电路调试困难，性能一致性比较差；③降噪手段有限，难以对CCD图像信号进行高效的降噪处理。
除了上面的方法外，为了进一步的去除CCD图像信息中的噪声，提高图像的信噪比，还可以采用电子信息学系统的手段对成像后的二维图像进行降噪处理。该系统主要是采用各种图像滤波算法对图像数据进行滤波降噪处理来提高图像的质量。图像滤波算法主要有空域滤波法、频域滤波法和信号变换域等。对于图像中的噪声，通常被看做高频信号进行滤波处理，但由于图像的纹理和边缘等细节也同样属于高频信号，当对图像进行滤波降噪处理时也会对其产生负面的影响，造成图像的调制传递函数MTF的降低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种低噪声CCD成像电子学系统，以在大幅提高图像的信噪比SNR的同时不影响图像的调制传递函数MTF，进而提高遥感图像的质量。
本发明的技术思路是：对CCD输出的单个像元信号直接进行4～128倍率的高速过采样，根据读出信号噪声分布情况确定各个采样点的权值系数，并进行数字式CDS和权值滤波，采用数字减法操作来实现“数字式相关多采样及处理”。
根据上述思路，本发明的低噪声CCD信号成像电子学系统，包括：
信号调理电路，用于对原始CCD信号进行调理，并产生调理后的CCD信号及起始定位信号，并将调理后的CCD信号传输给高速A/D采样电路，将起始定位信号传输给实时处理电路；
高速A/D采样电路，用于对调理后的CCD信号进行高速过采样，并将采样信号传输给实时处理电路；
实时处理电路，在单片FPGA中实现，用于对起始定位信号和高速率过采样数据进行接收，根据起始定位信号从高速过采样数据中得到待处理的数据，并对该待处理数据进行实时处理后输出。
本发明具有如下优点：
1.本发明由于实时处理电路部分在单片FPGA中完成，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的集成度。
2.本发明与传统的电子学的相关双采样CDS技术比较，图像可以获得更高的信噪比SNR。
3.本发明与信息学的对成像后的二维图像进行降噪处理技术比较，即可以实时处理CCD图像信号，又可以不对图像的调制传递函数MTF产生负面影响，从而保存了图像的细致纹理和边界信息。
附图说明
图1为本发明的系统总体结构框图；
图2为本发明中的信号调理电路框图；
图3为本发明中基于并行处理技术的实时处理电路框图；
图4为本发明中基于流水线技术的实时处理电路框图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明的低噪声CCD成像电子学系统包括：信号调理电路1、高速A/D采样电路2和实时处理电路3这三个部分。信号调理电路1，用于对原始CCD信号进行调理，并产生调理后的CCD信号及起始定位信号，并将调理后的CCD信号传输给高速A/D采样电路，将起始定位信号传输给实时处理电路；高速A/D采样电路2，用于对调理后的CCD信号进行高速过采样，并将采样信号传输给实时处理电路。该实时处理电路3，在单片FPGA中实现，用于对起始定位信号和高速率过采样数据进行接收，根据起始定位信号从高速过采样数据中得到待处理的数据，并对该待处理数据进行实时处理后输出。其中：
所述高速A/D采样电路2，选用TI公司的搭载型号为ADS5404的A/D芯片的开发板，但不限于此开发板，还可选用搭载TI公司的ADS5400或Analog Device公司的AD9484等芯片的开发板。
由于CCD信号像元周期频率通常为5MHz到20MHz，随着采样点数的增加所需A/D的采样率也在增加，所以本系统中的A/D采样电路需要有很高的采样率，高速A/D采样电路属于模拟电路，而且对电路指标要求很高，本实例选择的高速A/D所产生的数据是双数据速率的低压差分信号DDR LVDS类型，通过相应的专用的连接线将A/D产生的数据传输到FPGA中。
所述的信号调理电路1结构如图2所示。
所述实时处理电路3的结构有两种实施例分别如图3和图4所示。
参照图2，所述信号调理电路1，包括放大器11、电压比较器14、电源电路15和两个放大器组，原始CCD输入信号通过放大器11进行输入阻抗匹配后分成两路信号，一路通过第一放大器组12后输出调理后CCD信号，另一路依次通过第二放大器组13和电压比较器14，在电压比较器14内将放大后的输入信号与设定的阈值进行比较后输出起始定位信号；电源电路15分别与每个放大器和电压比较器连接，用于为其提供电源。其中，由放大器11实现的射级跟随器对输入信号进行输入阻抗匹配，第一放大器组12由多个放大器和滤波器件组成，主要完成对信号的跟随滤波功能，第二放大器组13由多个放大器和滤波器件组成，主要完成对信号的放大跟随滤波的功能，通过滤波器件进一步减少了信号中噪声的干扰。
CCD信号是一个三阶的模拟信号，在一个像元周期内对应了三个不同的电平，即复位电平、参考电平和像素电平。对CCD信号的参考电平和像素电平分别进行多次的采样，实现该系统的需要对所有高速采样位置严格定位，起始定位信号为采样CCD信号的位置确定提供了定序基准，保证了采样点位置的严格定位。
参照图3，所述实时处理电路3的第一实施例是采用可基于并行处理技术实现。其包括串行输入并行输出型双页面数据存储器(31)、并行输出型单页面数据存储器(32)、乘法器组(33)、加法器组(34)和除法器(35)，该并行输出型单页面数据存储器(32)中存有权值系数；待处理的采样数据通过双页面数据存储器(31)缓存后输入给乘法器组(33)，权值系数通过并行输出型单页面数据存储器(32)输入给乘法器组(33)，乘法器组(33)对这两组数据进行相乘后依次通过加法器组(34)和除法器(35)处理，输出处理后的CCD信号。
在该结构中，采用双页面数据存储器31以乒乓操作的方式来实现CCD信号采样数据的缓存任务，且双页面数据存储器31与权值系数单页面数据存储器32均采用D触发器DFF的构建实现，乘法器组33是由多个乘法器共同组成的。乘法器组33中的乘法器的个数与整个系统的采样点数有关，即个数与采样点数相等；加法器组34是由多个加法器共同组成，加法器的个数由得到的乘法器的结果个数决定，通过将加法器分层，最终得到所有乘法器输出值的总和。在FPGA中通常将除法器用移位器实现，相对于除法器而言，移位器占用更少的资源，且有更短的运行时间，例如除法器实现除以8的功能时，可以通过移位器的右移3位实现。
参照图4，所述实时处理电路3的第二实施例是采取基于流水线技术实现。其包括待处理数据先进先出队列36、权值系数先进先出队列37、乘法器38、累加器39、除法器40和5个D触发器。待处理的数据通过待处理数据先进先出队列36后，再通过第一D触发器41输入给乘法器38，权值系数通过权值系数先进先出队列37后，再经过第二D触发器42输入给乘法器38，乘法器对这两个数据进行相乘后再通过第三D触发器43、累加器39、第四D触发器44、除法器40、第五D触发器45进行处理，输出处理后的CCD信号。其中第一D触发器41、第二D触发器42、第三D触发器43、第四D触发器44和第五D触发器45是FPGA实现流水线功能时在级与级之间加入的D触发器，用于保证每一级的操作在同一时间同时执行。累加器39用于求取所有乘法器输出结果的总和，除法器将累加器39得到的结果除以采样点数计算得到处理后的CCD信号。
该结构所采用的流水线技术是四级流水线。其中待处理数据先进先出队列36、权值系数先进先出队列37、第一D触发器41和第二D触发器42组成流水线的第一级，第一级完成权值系数和CCD像元的待处理数据的准备工作；乘法器38和第三D触发器43组成流水线的第二级，第二级完成待处理数据与加权系数相乘；累加器39和第四D触发器44组成流水线第三级，第三级实现累加的功能；除法器40和第五D触发器45组成流水线第四级，第四级完成除法处理与结果输出。
本发明的效果可以通过以下实验验证：
1.系统仿真实验条件：
该实验中的实时处理电路3采用的是基于并行处理技术实现，高速A/D工作时钟频率为200MHz，CCD信号为单一灰度值图像其灰度值Pix为512和1024，CCD时钟频率为5MHz，且CCD的三阶比例为1：2：2，参考电平的采样点的权值系数为1，像素电平的采样点的权值系数为-1。对CCD信号在参考电平和像素电平各采样数SR为1，2，4，6，8，10，其中各采1次的情况等效为相关双采样CDS。
2仿真内容与结果
将上述的CCD信号直接输入到本发明系统中，通过比较不同采样点数下输出的处理后CCD信号的信噪比SNR，进而对该系统的效果进行验证，并统计运用在上述条件下得到的单一灰度图像的信噪比SNR，结果如表1。
表1 仿真结果
从上表1中可以看到出，本发明可以有效提高CCD信号的信噪比SNR，且随着采样点数的增加信噪比也在逐渐增大。

Claims (2)

1.一种低噪声CCD信号成像电子学系统，其特征在于，包括：
信号调理电路(1)，用于对原始CCD信号进行调理，并产生调理后的CCD信号及起始定位信号，并将调理后的CCD信号传输给高速A/D采样电路(2)，将起始定位信号传输给实时处理电路(3)；该电路包括放大器(11)、电压比较器(14)、电源电路(15)和两个放大器组，原始CCD输入信号通过放大器(11)进行输入阻抗匹配后分成两路信号，一路通过第一放大器组(12)后输出调理后CCD信号，另一路依次通过第二放大器组(13)和电压比较器(14)，在电压比较器(14)内将放大后的输入信号与设定的阈值进行比较后输出起始定位信号；电源电路(15)分别与每个放大器和电压比较器连接，用于为其提供电源，其中，由放大器(11)实现的射级跟随器对输入信号进行输入阻抗匹配，第一放大器组(12)由多个放大器和滤波器件组成，主要完成对信号的跟随滤波功能，第二放大器组(13)由多个放大器和滤波器件组成，主要完成对信号的放大跟随滤波的功能，通过滤波器件进一步减少了信号中噪声的干扰；
高速A/D采样电路(2)，用于对调理后的CCD信号进行高速过采样，并将采样信号传输给实时处理电路(3)；
实时处理电路(3)，基于并行处理技术实现，用于对起始定位信号和高速率过采样数据进行接收，根据起始定位信号从高速过采样数据中得到待处理的数据，并对该待处理数据进行实时处理后输出，其包括串行输入并行输出型双页面数据存储器(31)、并行输出型单页面数据存储器(32)、乘法器组(33)、加法器组(34)和除法器(35)，该并行输出型单页面数据存储器(32)中存有权值系数；待处理的采样数据通过双页面数据存储器(31)缓存后输入给乘法器组(33)，权值系数通过并行输出型单页面数据存储器(32)输入给乘法器组(33)，乘法器组(33)对这两组数据进行相乘后依次通过加法器组(34)和除法器(35)处理，输出处理后的CCD信号。
2.一种低噪声CCD信号成像电子学系统，其特征在于，包括：
信号调理电路(1)，用于对原始CCD信号进行调理，并产生调理后的CCD信号及起始定位信号，并将调理后的CCD信号传输给高速A/D采样电路(2)，将起始定位信号传输给实时处理电路(3)；该电路包括放大器(11)、电压比较器(14)、电源电路(15)和两个放大器组，原始CCD输入信号通过放大器(11)进行输入阻抗匹配后分成两路信号，一路通过第一放大器组(12)后输出调理后CCD信号，另一路依次通过第二放大器组(13)和电压比较器(14)，在电压比较器(14)内将放大后的输入信号与设定的阈值进行比较后输出起始定位信号；电源电路(15)分别与每个放大器和电压比较器连接，用于为其提供电源，其中，由放大器(11)实现的射级跟随器对输入信号进行输入阻抗匹配，第一放大器组(12)由多个放大器和滤波器件组成，主要完成对信号的跟随滤波功能，第二放大器组(13)由多个放大器和滤波器件组成，主要完成对信号的放大跟随滤波的功能，通过滤波器件进一步减少了信号中噪声的干扰；
高速A/D采样电路(2)，用于对调理后的CCD信号进行高速过采样，并将采样信号传输给实时处理电路(3)；
实时处理电路(3)，采用基于四级流水线技术的实现电路，用于对起始定位信号和高速率过采样数据进行接收，根据起始定位信号从高速过采样数据中得到待处理的数据，并对该待处理数据进行实时处理后输出，其包括待处理数据先进先出队列(36)、权值系数先进先出队列(37)、乘法器(38)、累加器(39)、除法器(40)和5个D触发器；待处理的数据通过待处理数据先进先出队列(36)后通过第一D触发器(41)输入给乘法器(38)，权值系数通过权值系数先进先出队列(37)后经过第二D触发器(42)输入给乘法器(38)，乘法器对这两个数据进行相乘后依次通过第三D触发器(43)、累加器(39)、第四D触发器(44)、除法器(40)、第五D触发器(45)进行处理，输出处理后的CCD信号。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105872318B (zh) * 2016-04-29 2018-10-02 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种可增强ccd相机调制传递函数的方法及电路

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4412190A (en) * 1981-11-05 1983-10-25 Rca Corporation Apparatus for processing CCD output signals
US5796361A (en) * 1996-09-25 1998-08-18 Exar Corporation CCD signal digitizing integrated circuit
CN2872468Y (zh) * 2005-08-05 2007-02-21 重庆大学 一种数据采集接口
CN101097129A (zh) * 2007-07-13 2008-01-02 重庆大学 用于高速位移测量的ccd数据采集与处理装置
CN102223470A (zh) * 2011-06-13 2011-10-19 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种ccd相机图像信号处理方法及系统
CN102694997A (zh) * 2011-03-24 2012-09-26 张天飞 一种基于FPGA和Camera Link协议接口的通用数据采集传输板设计
CN103473213A (zh) * 2013-09-12 2013-12-25 中国科学院半导体研究所 用于光学向量-矩阵乘法器并行信息加载和提取的系统
CN204100994U (zh) * 2014-06-26 2015-01-14 中国地震灾害防御中心 一种二相线阵ccd数据采集与处理系统
CN104423294A (zh) * 2013-09-06 2015-03-18 冉骏 基于数字信号处理的高速ccd信号采集单元

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4412190A (en) * 1981-11-05 1983-10-25 Rca Corporation Apparatus for processing CCD output signals
US5796361A (en) * 1996-09-25 1998-08-18 Exar Corporation CCD signal digitizing integrated circuit
CN2872468Y (zh) * 2005-08-05 2007-02-21 重庆大学 一种数据采集接口
CN101097129A (zh) * 2007-07-13 2008-01-02 重庆大学 用于高速位移测量的ccd数据采集与处理装置
CN102694997A (zh) * 2011-03-24 2012-09-26 张天飞 一种基于FPGA和Camera Link协议接口的通用数据采集传输板设计
CN102223470A (zh) * 2011-06-13 2011-10-19 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种ccd相机图像信号处理方法及系统
CN104423294A (zh) * 2013-09-06 2015-03-18 冉骏 基于数字信号处理的高速ccd信号采集单元
CN103473213A (zh) * 2013-09-12 2013-12-25 中国科学院半导体研究所 用于光学向量-矩阵乘法器并行信息加载和提取的系统
CN204100994U (zh) * 2014-06-26 2015-01-14 中国地震灾害防御中心 一种二相线阵ccd数据采集与处理系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FPGA设计中关键问题的研究;李刚强，田赋，易克初;《集成电路应用》;20031231(第06（6）期);68-71 *

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