CN111031197A - 低干扰噪声的lmccd成像系统 - Google Patents

Abstract

低干扰噪声的LMCCD成像系统，涉及一种低干扰噪声的LMCCD成像系统，解决现有LMCCD成像中，由于线阵和面阵探测器在同一焦面位置，容易出现相互干扰的问题，成像控制器产生线阵和面阵所需的时序信号，分别经线阵的水平驱动器、线阵的垂直驱动器、面阵的水平驱动器和面阵的垂直驱动器后，送入线阵探测器和面阵成像探测器；线阵探测器和面阵成像探测器输出的模拟图像数据，分别经线阵视频处理器和面阵视频处理器视频处理后送入成像控制器；将线阵和面阵采用同源时钟控制，避免拍频干扰；通过地层隔离和单点接地减小相互的回流交叠；通过减小驱动电路的上升和下降沿时间，减小电磁发射；通过保证线阵和面阵的消隐期相同，避开驱动信号的跳变干扰正在转移的信号。

Description

低干扰噪声的LMCCD成像系统

技术领域

本发明涉及一种低干扰噪声的LMCCD成像系统，具体涉及一种针对航天应用的低干扰噪声的LMCCD成像系统。

背景技术

LMCCD(Line-Matrix Array CCD)相机的原理是在三线阵探测器相机的基础上，在正视线阵探测器的四角增加四片小面阵构成线阵面阵混合配置的相机。LMCCD影像的EFP(equivalent frame photo)法，像点的选取是在正视影像上完成，应用影像匹配方法，求得面阵探测器影像的同名点，并计算其在该EFP时刻的真框幅坐标，并在EFP时刻增加了连接点真像平面坐标作为观测值，使航线中诸多三角锁模型得到较好的整合，提高平差高程精度。但由于线阵和面阵探测器在同一焦面位置，容易出现相互干扰。

发明内容

本发明为解决现有LMCCD成像中，由于线阵和面阵探测器在同一焦面位置，容易出现相互干扰的问题，提供一种低干扰噪声的LMCCD成像系统。

低干扰噪声的LMCCD成像系统，包括成像控制器、线阵探测器、四片面阵探测器、线阵的水平驱动器、线阵的垂直驱动器、面阵的水平驱动器、面阵的垂直驱动器、线阵的视频处理器和面阵的视频处理器；

所述成像控制器产生线阵和面阵所需的时序信号，分别经线阵的水平驱动器、线阵的垂直驱动器、面阵的水平驱动器和面阵的垂直驱动器后，送入线阵探测器和面阵成像探测器；所述线阵探测器和面阵成像探测器输出的模拟图像数据，分别经线阵视频处理器和面阵视频处理器视频处理后送入成像控制器；

所述线阵探测器每行的电荷转移的分段数n段完成，满足如下条件：

式中，t_{line_min}为线阵探测器的最小行周期长度，t_{transfer_line_min}为线阵探测器转移一行电荷所需的最短时间，t_{transfer_horizontal_line}为线阵水平转移一行电荷所需的最短时间，，t_{transfer_horizontal_area}为面阵读出阶段水平转移一行电荷所需的最短时间，n_{area_line_new}为面阵新的读出阶段读出的行数，n_{area_line_average}为面阵读出阶段连续读出n行的重复次数；n_{area_line_new}-n_{area_line}为增加的空扫行数，t_{transfer_area}为面阵转移一行所需的时间，n_{area_line}为面阵探测器的行数；

所述线阵探测器的行周期和面阵探测器的单级TDI积分时间长度对应关系为：

式中，t_line为线阵探测器的行周期长度，t_area为面阵探测器的单级TDI积分时间长度，a_line为线阵探测器的像元尺寸，a_area为面阵探测器的像元尺寸。

本发明的有益效果：本发明所述的LMCCD成像系统，具有以下优点：

1、将线阵和面阵采用同源时钟控制，二者之间存在固定的相位，可避免拍频干扰；

2、通过地层隔离和单点接地减小相互的回流交叠，通过减小驱动电路的上升和下降沿时间，从而减小电磁发射，避免线阵和面阵间相互干扰；

3、通过保证线阵和面阵的消隐期相同，有效电荷转移期间无驱动信号跳变；避开驱动信号的跳变干扰正在转移的信号；通过DCM等精细的相位调整，寻找最佳的采样位置，避免出现干扰的位置，从而避免或者减小干扰。

附图说明

图1为本发明所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统的结构图；

图2为线阵读出行和面阵的读出行的对应关系图；

图3为驱动器的驱动电路原理图；

图4为本发明所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统的线路板的地网络配置图；

图5为本发明所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统中成像控制器的精细的相位调整原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，低干扰噪声的LMCCD成像系统，包括成像控制器、线阵探测器、四片面阵探测器、线阵的水平驱动器、线阵的垂直驱动器、面阵的水平驱动器、面阵的垂直驱动器、线阵的视频处理器和面阵的视频处理器；成像控制器产生线阵和面阵所需的时序信号，分别经水平和垂直驱动器驱动后，送入线阵和面阵成像探测器。线阵和面阵成像探测器输出的模拟图像数据，分别经线阵和面阵视频处理器视频处理后送入成像控制器。

本实施方式中，所述的面阵的帧读出周期t_{area_frame}包含了电荷清除阶段t_sub，TDI积分阶段t_TDI，读出阶段t_read；t_{transfer_area_min}为面阵读出阶段读出一行电荷所需的最短时间，n_{area_line}为面阵读出阶段读出的行数。

t_{area_frame}＝t_sub+t_TDI+t_read

t_read＝n_{area_line}×t_{transfer_area_min}

本实施方式中，所述线阵探测器每行的电荷转移，不是一次连续完成的，而是分n段满足如下条件：

式中，t_{line_min}为线阵的最小行周期长度，t_{transfer_line_min}为线阵转移一行电荷所需的最短时间，t_{transfer_horizontal_line}为线阵水平转移一行电荷所需的最短时间，t_{transfer_area_min}为面阵读出阶段读出一行电荷所需的最短时间，t_{transfer_horizontal_area}为面阵读出阶段水平转移一行电荷所需的最短时间，n_{area_line_new}为面阵新的读出阶段读出的行数，(n_{area_line_new}-n_{area_line})为增加的空扫行数。t_{transfer_area}为面阵转移一行所需的时间，n_{area_line}为面阵探测器的行数；

所述线阵探测器的行周期和面阵探测器的单级TDI积分时间长度对应关系为：

式中，t_line为线阵的行周期长度，t_area为面阵的单级TDI积分时间长度，a_line为线阵的像元尺寸，a_area为面阵的像元尺寸，n_{area_line_average}为面阵读出阶段连续读出n行的重复次数。

结合图2说明本实施方式，本实施方式中，线阵读出行和面阵的读出行的对应关系为：线阵的电荷转移的首段启动，由外部的线阵行周期Ext_H上升沿脉冲启动；剩下的n-1段读出由面阵的启动信号来产生，最后剩下的时间为线阵电荷转移后的水平转移消隐阶段；线阵和面阵读出1行的转移时间都由水平转移的消隐阶段和水平转移阶段组成。

结合图3说明本实施方式，本实施方式中，驱动器的内部均包含三态驱动控制、推拉驱动管V1和V2及内部等效电容C_int；驱动器内部的三态驱动控制连接在V1和V2的栅极，V1的源级接驱动的高电平电源VH，V2的源级接驱动的高电平电源VL，V1和V2的漏极连接在一起，接内部的等效电容，同时连接外部的串联电阻Rs，外部的串联电阻Rs的另一端通过负载电容Cload接地。对于水平驱动，要求驱动器的内部等效电容值C_int小于30pF，外部负载电容的串联电阻Rs小于50欧；驱动器的水平驱动的上升和下降沿时间满足如下条件,

式中，r_on为驱动器内部MOSFETV1和V2的导通电阻，C_{load_line}为线阵驱动器的负载电容值，C_{load_area}为面阵驱动器的负载电容值，f_{horizontal_line}为线阵探测器的水平转移时钟频率，f_{horizontal_area}为面阵探测器的水平转移时钟频率。

所述线阵的垂直驱动器和面阵的垂直驱动器的驱动要求为：设置驱动器的内部等效电容值C_int小于100pF，外部的负载电容串联电阻大于1k欧。

本实施方式中，面阵探测器和线阵探测器的水平转移时钟频率相同，而且有固定的相位关系；

f_{horizontal_line}＝f_{horizontal_area}，

式中，

为线阵的水平转移时钟的初始相位，

为面阵的水平转移时钟的初始相位，

为恒定的相位值，取值范围0～2π。

结合图4说明本实施方式，本实施方式所述的LMCCD成像系统，整个线路板的地网络控制，分为信号地、线阵驱动地和面阵驱动地；面阵的驱动电源和信号的参考平面仅为面阵驱动地，各层面阵驱动地通过层间过孔连接在一起；线阵的驱动电源和信号的参考平面仅为线阵驱动地，各层线阵驱动地通过层间过孔连接在一起；非驱动的信号和电源的参考平面仅为信号地，各层信号地通过层间过孔连接在一起最后在电源输入端进行单点接地。

结合图5说明本实施方式，本实施方式中的成像控制器采用精细的相位控制，具体为：使用DCM进行相位偏移，DCM输入的时钟clk_in频率f_{clk_in}为像素时钟clk_pix频率f_{clk_pix}的q倍，占空比为50％；输出的时钟clk_out频率f_{clk_out}与像素时钟频率相等，输出的相位可调，占空比小于1/4，q为大于0的整数。

f_{clk_in}＝f_{clk_ref}＝qf_{clk_out}＝qf_{clk_pix}≥f_{dcm_min}

式中，f_{clk_ref}为DCM的反馈时钟频率，f_{dcm_min}为允许输入的最小时钟频率。

本实施方式中，线阵和面阵探测器主要为E2V公司的线阵传感器和安森美公司的KAI-0340；驱动器采用TI公司的54AC04和intersil公司的ISL7457；(3)成像控制器采用Xilinx公司的Virtex 5FPGA；视频处理器采用ADI公司的AD9979。

Claims (7)

1.低干扰噪声的LMCCD成像系统，包括成像控制器、线阵探测器、四片面阵探测器、线阵的水平驱动器、线阵的垂直驱动器、面阵的水平驱动器、面阵的垂直驱动器、线阵的视频处理器和面阵的视频处理器；

所述成像控制器产生线阵和面阵所需的时序信号，分别经线阵的水平驱动器、线阵的垂直驱动器、面阵的水平驱动器和面阵的垂直驱动器后，送入线阵探测器和面阵成像探测器；所述线阵探测器和面阵成像探测器输出的模拟图像数据，分别经线阵视频处理器和面阵视频处理器视频处理后送入成像控制器；其特征是：

所述线阵探测器每行的电荷转移的分段数n段完成，满足如下条件：

式中，t_{line_min}为线阵探测器的最小行周期长度，t_{transfer_line_min}为线阵探测器转移一行电荷所需的最短时间，t_{transfer_horizontal_line}为线阵水平转移一行电荷所需的最短时间，，t_{transfer_horizontal_area}为面阵读出阶段水平转移一行电荷所需的最短时间，n_{area_line_new}为面阵新的读出阶段读出的行数，n_{area_line_average}为面阵读出阶段连续读出n行的重复次数；n_{area_line_new}-n_{area_line}为增加的空扫行数，t_{transfer_area}为面阵转移一行所需的时间，n_{area_line}为面阵探测器的行数；

所述线阵探测器的行周期和面阵探测器的单级TDI积分时间长度对应关系为：

式中，t_line为线阵探测器的行周期长度，t_area为面阵探测器的单级TDI积分时间长度，a_line为线阵探测器的像元尺寸，a_area为面阵探测器的像元尺寸。

2.根据权利要求1所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统，其特征在于：所述面阵探测器的帧读出周期t_{area_frame}包含电荷清除阶段t_sub，TDI积分阶段t_TDI和读出阶段t_read；用下式表示为：

t_{area_frame}＝t_sub+t_TDI+t_read

t_read＝n_{area_line}×t_{transfer_area_min}

式中，t_{transfer_area_min}为面阵探测器读出阶段读出一行电荷所需的最短时间，n_{area_line}为面阵读出阶段读出的行数。

3.根据权利要求1所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统，其特征在于：所述线阵探测器读出行和面阵探测器的读出行的对应关系为：

所述线阵探测器的电荷转移的首段启动通过外部的线阵行周期Ext_H上升沿脉冲启动；剩下的n-1段读出通过面阵探测器的启动信号产生，最后剩下的时间为线阵电荷转移后的水平转移消隐阶段；线阵和面阵每行读出的转移时间由均由水平转移的消隐阶段和水平转移阶段组成。

4.根据权利要求1所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统，其特征在于：所述线阵的水平驱动器和面阵的水平驱动器的驱动要求为：设定驱动器的内部等效电容值C_int小于30pF，外部的负载电容串联电阻小于50欧；驱动器的水平驱动的上升和下降沿时间满足如下条件：

式中，r_on为驱动器内部MOSFETV1和V2的导通电阻，C_{load_line}为线阵驱动器的负载电容值，C_{load_area}为面阵驱动器的负载电容值，f_{horizontal_line}为线阵探测器的水平转移时钟频率，f_{horizontal_area}为面阵探测器的水平转移时钟频率。

所述线阵的垂直驱动器和面阵的垂直驱动器的驱动要求为：设置驱动器的内部等效电容值C_int小于100pF，外部的负载电容串联电阻大于1k欧。

5.根据权利要求1所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统，其特征在于：所述面阵探测器和线阵探测器的水平转移时钟频率相同，且有固定的相位关系，采用下式表示为：

式中，f_{horizontal_line}为线阵探测器的水平转移时钟频率，f_{horizontal_area}为面阵探测器的水平转移时钟频率，

为线阵探测器的水平转移时钟的初始相位，

为面阵探测器的水平转移时钟的初始相位，

为恒定的相位值。

6.根据权利要求1所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统，其特征在于：对LMCCD成像系统的线路板的地网络控制，分为信号地、线阵驱动地和面阵驱动地；面阵探测器的驱动电源和信号的参考平面为面阵驱动地，各层面阵驱动地通过层间过孔连接；线阵探测器的驱动电源和信号的参考平面为线阵驱动地，各层线阵驱动地通过层间过孔连接；非驱动的信号和电源的参考平面为信号地，各层信号地通过层间过孔连接，最后在电源输入端进行单点接地。

7.根据权利要求1所述的低干扰噪声的LMCCD成像系统，其特征在于：所述成像控制器采用DCM进行相位偏移，DCM输入的时钟clk_in频率为像素时钟clk_pix频率的q倍，占空比为50％；DCM输出的时钟clk_out频率与像素时钟频率相等，DCM输出时钟的相位可调，占空比小于1/4，q为大于0的整数；

f_{clk_in}＝f_{clk_ref}＝qf_{clk_out}＝qf_{clk_pix}≥f_{dcm_min}

式中，f_{clk_ref}为DCM的反馈时钟频率，f_{dcm_min}为允许输入的最小时钟频率。

Images