CN109714550A

CN109714550A - 多用途空间相机的成像控制电路及多用途空间相机

Info

Publication number: CN109714550A
Application number: CN201811539820.2A
Authority: CN
Inventors: 周鹏骥; 王晓东; 刘文光; 黄敬涛
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: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: CN109714550B

Abstract

本发明提供一种多用途空间相机的成像控制电路和多用途空间相机，其包括至少两个控制模块，各个控制模块用于独立地控制所对应的CCD图像传感器与CMOS图像传感器；控制模块包括控制单元和数传接口单元，控制单元包括CCD图像处理单元和CMOS图像处理单元，CCD图像处理单元和CMOS图像处理单元分别对CCD图像传感器和CMOS图像传感器所传输的数字图像数据进行处理和整合，以生成并行数据；数传接口单元将并行数据转化为LVDS信号传输。本发明的有益效果在于：每一片的CCD都有一套独立的处理电路，可针对各片探测器分别进行摄像参数设置，且能够最大限度降低片间串扰，提高成像信噪比。多路独立的控制电路，提高了可靠性，降低因共用处理电路而产生的负荷过重问题。

Description

多用途空间相机的成像控制电路及多用途空间相机

技术领域

本发明涉及电子应用技术领域，具体涉及一种用于空间探测的多场合、多用途的空间相机的成像控制电路，还涉及一种具有该成像控制电路的多用途空间相机。

背景技术

国内目前将对地球以外天体开展的空间探测活动称为深空探测。随着人类航天科技水平和能力的提高，深空探测的概念也会逐渐发展，换言之，深空探测领域的技术发展与深空探测概念的内含是相互促进的。

深空探测指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测，那么，自然地，执行深空探测的装置会处在复杂多变的空间环境中。复杂多变的环境对执行深空探测的装置的各个组成部分都提出了较高的功能层面和技术层面的要求。

例如用于深空探测的空间相机，随着技术的进步，在深空探测领域，对于空间相机的要求不再单一，而是需要空间相机不仅能够推扫成像，很多时候也需要空间相机能够进行凝视成像，为了使空间相机实现两种成像功能，其系统焦平面往往由TDI CCD线阵图像传感器与CMOS面阵图像传感器共同组成。另外，为了科学研究，准确分析图像包含的科学信息，更多的是需要低噪声的图像传感器，因此TDI CCD线阵图像传感器一般都是作为科学探测器进行使用，而CMOS面阵图像传感器则多是用于凝视。

在实际应用中，为了适应不同环境不同轨道的要求，需要空间相机具有大视场和高分辨率的特点，因此空间相机需要将多片TDI CCD进行拼接。然而，根据需求，很多时候都要求TDI CCD以较高的行频进行工作，这也就导致拼接的TDI CCD之间会有一定的高频耦合，这种耦合都会表现在最终形成的图像上，从而影响图像的质量。传统的空间相机的多片TDI CCD都会共用一套处理电路，很难避免相邻CCD之间的耦合噪声，同时，由于共用一套处理电路，多片拼接CCD的功耗也会集中在一套处理电路，因此热噪声较大。

因此设计一种能够避免耦合噪声和热噪声的成像控制电路及一种具有该成像控制电路的空间相机是十分必要的，也是十分迫切的。

发明内容

由于传统的空间相机的多片TDI CCD都会共用一套处理电路，很难避免相邻CCD之间的耦合噪声，同时，由于共用一套处理电路，多片拼接CCD的功耗也会集中在一套处理电路，因此热噪声较大。所以，为解决这类技术问题，本发明提供一种多用途空间相机的成像控制电路，其包括至少两个控制模块，各个所述控制模块用于独立地控制所对应的CCD图像传感器与CMOS图像传感器；单一所述控制模块包括控制单元和数传接口单元，所述控制单元包括CCD图像处理单元和CMOS图像处理单元，所述CCD图像处理单元和所述CMOS图像处理单元分别对所述CCD图像传感器和CMOS图像传感器所传输的数字图像数据进行处理和整合，以生成满足所述数传接口单元输入格式的并行数据；所述数传接口单元将并行数据转化为高速的串行LVDS信号传输。

较佳地，所述控制单元还包括时序发生及驱动单元和电源稳压单元；所述时序发生及驱动单元用于完成对应通道上的所述CCD图像传感器与所述CMOS图像传感器的驱动时序；所述电源稳压单元为所述控制模块提供工作电源。

较佳地，各个所述控制模块共用通讯接口单元进行对外通信，所述通讯接口单元包括对外通信接口、若干接收接口电路和若干发送接口电路；所述控制单元驱动所述通讯接口单元和所述数传接口单元。

较佳地，全部所述接收接口电路的输入端共接于所述对外通信接口，每个所述接收接口电路的输出端与各自对应连接的所述控制模块连接；单一接收接口电路包括接收接口芯片和信号匹配电路，所述接收接口芯片的输入端通过所述信号匹配电路与所述对外通信接口连接，所述接收接口芯片的输出端与所述控制模块连接；

所述全部发送接口电路的输出端共接于所述对外通信接口，每个所述发送接口电路的输入端与各自对应连接的所述控制模块连接，单一所述发送接口电路包括发送接口芯片，发送接口芯片的输出端通过串联的电阻和所述对外通信接口连接，所述发送接口芯片的输入端连接到所述控制模块。

较佳地，所述信号匹配电路上设有电源、第一结点和第二结点，所述第一结点与所述接收接口芯片之间设置有第一电阻；所述第一结点与所述对外通讯接口连接；所述第一结点与所述电源之间设置有第三电阻；所述第一结点和所述第二结点之间依次设置第四电阻和第一电容；所述第二结点与所述对外通讯接口连接；第五电阻一端接地，另一端与所述第二结点连接；所述第二结点与所述接收接口芯片之间设有第二电阻。

较佳地，所述控制单元为FPGA控制单元，所述控制单元采用XC4VSX55芯片；所述接收接口芯片为DS26LV32AW-QML芯片，所述发送接口芯片为DS26LV31W-QML的低压差分芯片。

较佳地，所述数传接口单元为高速串行解串器TLK2711；所述控制单元用于将整合的图像数据编码为满足所述高速串行解串器TLK2711数据格式要求的16位数据流和相应的伴随时钟，通过所述伴随时钟对输入所述高速串行解串器TLK2711的并行数据进行8B/10B编码，所述高速串行解串器TLK2711能够按20倍原伴随时钟的频率将数据以高速差分串行LVDS形式输出。

本发明还提供一种多用途空间相机，其包括所述的一种多用途空间相机的成像控制电路。

较佳地，所述多用途空间相机其还包括与所述控制模块数量相同的所述CCD图像传感器和所述CMOS图像传感器；一组所述CCD图像传感器和所述CMOS图像传感器与对应的所述控制模块上的所述控制单元连接；所述多用途空间相机的成像控制电路通过通讯接口单元和多个数传接口单元与所述外部主控存储系统电连接。

较佳地，所述CCD图像传感器为TDI CCD图像传感器，所述控制单元还包括时序发生及驱动单元，所述时序发生及驱动单元通过CCD驱动板驱动对应通道的所述CCD图像传感器。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

本发明的有益之处在于每一片拼接的TDI CCD都有一套相对独立的处理电路，可针对各片探测器分别进行摄像参数设置，且能够最大限度降低不同探测器片间串扰，提高成像信噪比。另外独立划分的多路控制电路，提高了处理电路整体的可靠性，避免了因共用处理电路而产生的负荷过重问题，减少了热噪声。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中多用途空间相机的成像控制电路的结构示意图；

图2为本发明实施例1中接收接口电路的结构示意图；

图3为本发明实施例2中多用途空间相机的成像控制电路的结构示意图；

图4为本发明实施例2中接收接口电路的结构示意图。

附图标记：

CCD图像传感器2、CMOS图像传感器3、CCD驱动板4、外部主控存储系统5、控制单元10、CCD图像处理单元11、CMOS图像处理单元12、时序发生及驱动单元13、数传接口单元15、电源稳压单元14、通讯接口单元16、对外通信接口17、接收接口芯片18、信号匹配电路19、控制模块100、第一结点191和第二结点192。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例1

图1为本发明实施例1中多用途空间相机的成像控制电路的结构示意图。如图1所示，本发明实施例1提供一种多用途空间相机的成像控制电路，其包括通讯接口单元16和控制模块100，控制模块100通过通讯接口单元16进行通信。

所述控制模块100包括控制单元10和数传接口单元15。控制单元10通过数传接口单元15对外传输图像数据。

所述控制单元10为FPGA控制单元，其包括CCD图像处理单元11、CMOS图像处理单元12和时序发生及驱动单元13。时序发生及驱动单元13分别与CCD图像传感器2和CMOS图像传感器3电连接。所述时序发生及驱动单元13用于对完成对应通道上的CCD图像传感器2与CMOS图像传感器3的驱动时序。优选地，时序发生及驱动单元13通过CCD驱动板4驱动CCD图像传感器2。

CCD图像传感器2优选为TDI CCD图像传感器。CCD图像处理单元11与CCD图像传感器2电连接，CMOS图像处理单元12和CMOS图像传感器3电连接。

CCD图像传感器2输出的图像数据输入对应的控制单元10内，即CCD图像传感器2输出的图像数据输入对应CCD图像处理单元11内。进一步，CCD图像传感器2输出的图像数据先输入视频处理单元以执行量化，然后再输入对应的控制单元10内。

CMOS图像传感器3输出的图像数据输入对应的控制单元10内，即CMOS图像传感器3输出的图像数据输入对应的CMOS图像处理单元12内。

CCD图像处理单元11和CMOS图像处理单元12分别对CCD图像传感器2和CMOS图像传感器3所传输的数字图像数据进行处理和整合，从而共同生成满足数传接口单元15输入格式的16位并行数据；所述数传接口单元15将16位的并行数据转化为高速的串行LVDS信号传输出到外部主控存储系统5中。

所述控制模块100还包括电源稳压单元14，电源稳压单元14为所述控制模块100提供工作电源。

控制模块100中的控制单元10是整个成像控制电路的中枢，所述控制单元10为FPGA控制单元，该FPGA控制单元优选采用的是XILINX公司Virtex-4系列产品中的XC4VSX55芯片。控制单元10完成的主要功能是为CCD图像传感器2与CMOS图像传感器3提供驱动信号，并对两者的输出数据分别进行整合，另外，控制单元10还驱动各外部接口，即控制单元10驱动通讯接口单元16，控制单元10还驱动数传接口单元15。

数传接口单元15内包括高速串行解串器TLK2711。控制单元10将整合的图像数据编码为满足TLK2711数据格式要求的16bit数据流和相应的伴随时钟，伴随时钟对输入的并行数据进行8B/10B编码，然后按20倍原伴随时钟的频率将数据以高速差分串行(LVDS)输出的方式传送出去，这里输出端的TLK2711主要是进行数据高速并串转化功能。

TLK2711是一个1.6到2.7Gbps的高速串化解串器，主要完成数据的高速串并转换功能，带宽高达1.6Gbps。内部主要集成了串并和并串转换单元、时钟合成与恢复单元、编码解码、comma检测单元、伪随机序列发生和验证单元记忆锁相环。TLK2711的对外接口采用同轴电缆传输高速LVDS信号，其同轴电缆具有50欧姆阻抗，能够匹配前后端线路，减少误码的发生，同时PCB设计中，也要保证PCB的线上传输阻抗，以避免传输线上的信号反弹、振荡等信号完整性问题。

图2为本发明实施例1中接收接口电路的结构示意图；如图2所示，本发明实施例1中，所述通讯接口单元16包括对外通信接口17、接收接口电路和发送接口电路。接收接口电路包括接收接口芯片18和信号匹配电路19。接收接口芯片18的输入端通过信号匹配电路19与对外通信接口17连接，接收接口芯片18的输出端与控制模块100连接。优选地，接收接口芯片18的选择型号为DS26LV32AW-QML。

信号匹配电路19上设有电源、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1以及第一结点191和第二结点192。第一结点191与接收接口芯片18之间设置有第一电阻R1。第一结点191与对外通讯接口17连接。第一结点191与电源之间设置有第三电阻R3。第一结点191和第二结点192之间依次设置第四电阻R4和第一电容C1。第二结点192与对外通讯接口17连接。第五电阻R5一端接地，另一端与第二结点192连接。第二结点192与接收接口芯片18之间设有第二电阻R2。

发送接口电路包括发送接口芯片，发送接口芯片的输出端通过串联的50欧姆电阻和对外通信接口17连接。发送接口芯片的输入端连接到控制模块100。优选地，发送接口芯片的选择型号为DS26LV31W-QML的低压差分芯片。

本发明实施例1还提供一种包括上述多用途空间相机的成像控制电路的多用途空间相机，所述多用途空间相机还包括CCD图像传感器2、CMOS图像传感器3和外部主控存储系统5，CCD图像传感器2和CMOS图像传感器3均与控制单元10连接。所述多用途空间相机的成像控制电路通过数传接口单元15和通讯接口单元16与外部主控存储系统5电连接。

实施例2

图3为本发明实施例2中多用途空间相机的成像控制电路的结构示意图。如图3所示，本发明实施例2提供一种多用途空间相机的成像控制电路，其包括通讯接口单元16和若干控制模块100，若干控制模块100共用通讯接口单元16进行对外通信。

本实施例中优选地，控制模块100数量为3个，各控制模块100独立地与所对应的CCD图像传感器2与CMOS图像传感器3连接。CCD图像传感器2与CMOS图像传感器3的数量与控制模块100的数量匹配。

控制模块100与对应连接的CCD图像传感器2与CMOS图像传感器3协同工作，若干控制模块100独立工作，互不干扰。

所述控制单元10为FPGA控制单元，其包括CCD图像处理单元11、CMOS图像处理单元12和时序发生及驱动单元13。时序发生及驱动单元13分别与对应通道的CCD图像传感器2和CMOS图像传感器3电连接。所述时序发生及驱动单元13用于对完成对应通道上的CCD图像传感器2与CMOS图像传感器3的驱动时序。优选地，时序发生及驱动单元13通过CCD驱动板4驱动对应通道的CCD图像传感器2。

CCD图像传感器2优选为TDI CCD图像传感器。

CCD图像处理单元11与CCD图像传感器2电连接，CMOS图像处理单元12和CMOS图像传感器3电连接。

本发明的有益之处在于每一片拼接的TDI CCD都有一套相对独立的处理电路，可针对各片探测器分别进行摄像参数设置，且能够最大限度降低不同探测器片间串扰，提高成像信噪比。另外独立划分的三路电路，提高了控制电路整体的可靠性，避免了因共用处理电路而产生的负荷过重问题，减少了热噪声。

图4为本发明实施例2中接收接口电路的结构示意图；如图4所示，本发明实施例2中，所述通讯接口单元16包括对外通信接口17、若干接收接口电路和若干发送接口电路。若干接收接口电路共用一个对外通信接口17，若干发送接口电路共用一个对外通信接口17。

全部接收接口电路的输入端共接于对外通信接口17，每个接收接口电路的输出端与各自对应连接的控制模块100连接。单一接收接口电路包括接收接口芯片18和信号匹配电路19。接收接口芯片18的输入端通过信号匹配电路19与对外通信接口17连接，接收接口芯片18的输出端与控制模块100连接。优选地，接收接口芯片18的选择型号为DS26LV32AW-QML。

全部发送接口电路的输出端共接于对外通信接口17，每个发送接口电路的输入端与各自对应连接的控制模块100连接。单一发送接口电路包括发送接口芯片，发送接口芯片的输出端通过串联的50欧姆电阻和对外通信接口17连接。发送接口芯片的输入端连接到控制模块100。优选地，发送接口芯片的选择型号为DS26LV31W-QML的低压差分芯片。

本发明实施例2还提供一种包括上述多用途空间相机的成像控制电路的多用途空间相机，所述多用途空间相机还包括与控制模块100数量相同的CCD图像传感器2和CMOS图像传感器3。一组CCD图像传感器2和CMOS图像传感器3与对应的控制模块100上的控制单元10连接。所述多用途空间相机还包括外部主控存储系统5。所述多用途空间相机的成像控制电路通过通讯接口单元16和多个数传接口单元15与外部主控存储系统5电连接。

以上仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本发明中各部件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种多用途空间相机的成像控制电路，其特征在于，其包括至少两个控制模块，各个所述控制模块用于独立地控制所对应的CCD图像传感器与CMOS图像传感器；单一所述控制模块包括控制单元和数传接口单元，所述控制单元包括CCD图像处理单元和CMOS图像处理单元，所述CCD图像处理单元和所述CMOS图像处理单元分别对所述CCD图像传感器和CMOS图像传感器所传输的数字图像数据进行处理和整合，以生成满足所述数传接口单元输入格式的并行数据；所述数传接口单元将并行数据转化为高速的串行LVDS信号传输。

2.如权利要求1所述的多用途空间相机的成像控制电路，其特征在于，所述控制单元还包括时序发生及驱动单元和电源稳压单元；所述时序发生及驱动单元用于完成对应通道上的所述CCD图像传感器与所述CMOS图像传感器的驱动时序；所述电源稳压单元为所述控制模块提供工作电源。

3.如权利要求1所述的多用途空间相机的成像控制电路，其特征在于，各个所述控制模块共用通讯接口单元进行对外通信，所述通讯接口单元包括对外通信接口、若干接收接口电路和若干发送接口电路；所述控制单元驱动所述通讯接口单元和所述数传接口单元。

4.如权利要求3所述的多用途空间相机的成像控制电路，其特征在于，全部所述接收接口电路的输入端共接于所述对外通信接口，每个所述接收接口电路的输出端与各自对应连接的所述控制模块连接；单一接收接口电路包括接收接口芯片和信号匹配电路，所述接收接口芯片的输入端通过所述信号匹配电路与所述对外通信接口连接，所述接收接口芯片的输出端与所述控制模块连接；

5.如权利要求4所述的多用途空间相机的成像控制电路，其特征在于，所述信号匹配电路上设有电源、第一结点和第二结点，所述第一结点与所述接收接口芯片之间设置有第一电阻；所述第一结点与所述对外通讯接口连接；所述第一结点与所述电源之间设置有第三电阻；所述第一结点和所述第二结点之间依次设置第四电阻和第一电容；所述第二结点与所述对外通讯接口连接；第五电阻一端接地，另一端与所述第二结点连接；所述第二结点与所述接收接口芯片之间设有第二电阻。

6.如权利要求4或5所述的多用途空间相机的成像控制电路，其特征在于，所述控制单元为FPGA控制单元，所述控制单元采用XC4VSX55芯片；所述接收接口芯片为DS26LV32AW-QML芯片，所述发送接口芯片为DS26LV31W-QML的低压差分芯片。

7.如权利要求1-5任一项所述的多用途空间相机的成像控制电路，其特征在于，所述数传接口单元为高速串行解串器TLK2711；所述控制单元用于将整合的图像数据编码为满足所述高速串行解串器TLK2711数据格式要求的16位数据流和相应的伴随时钟，通过所述伴随时钟对输入所述高速串行解串器TLK2711的并行数据进行8B/10B编码，所述高速串行解串器TLK2711能够按20倍原伴随时钟的频率将数据以高速差分串行LVDS形式输出。

8.一种多用途空间相机，其特征在于，其包括如权利要求1-7任一项所述的多用途空间相机的成像控制电路。

9.如权利要求8所述的多用途空间相机，其特征在于，其还包括与所述控制模块数量相同的所述CCD图像传感器和所述CMOS图像传感器；一组所述CCD图像传感器和所述CMOS图像传感器与对应的所述控制模块上的所述控制单元连接；所述多用途空间相机的成像控制电路通过通讯接口单元和多个数传接口单元与所述外部主控存储系统电连接。

10.如权利要求8或9所述的多用途空间相机，其特征在于，所述CCD图像传感器为TDICCD图像传感器，所述控制单元还包括时序发生及驱动单元，所述时序发生及驱动单元通过CCD驱动板驱动对应通道的CCD图像传感器。