CN112261304B - 一种基于帧转移ccd的定帧频成像系统曝光时长调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法，通过调整帧转移CCD的驱动时序，配合行丢弃功能，在不改变成像帧频的前提下调整系统曝光时间，无需快门。系统中CCD每个成像周期由帧频调整段(时长T1)、第一次帧转移段(时长T2)、帧丢弃段(时长T3)、补充曝光段(时长T4)、第二次帧转移段(时长T5)和帧读出段(时长T6)组成，其中包含两次帧转移，第一次转移无效曝光图像，第二次转移有效曝光图像，而且T2、T3、T5、T6固定，T1、T4之和为定值，可根据系统帧频和目标强弱进行调整：目标较强时，减小T4，增大T1，以维持成像帧频不变，反之亦然。本发明可以在定帧频模式下实现大动态范围目标成像，能有效提高系统输出图像信噪比。

Description

一种基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法

技术领域：

本发明涉及成像系统中CCD的驱动时序控制，针对目标强弱变化大的场景，基于帧转移CCD，在不改变系统成像帧频的前提下进行CCD曝光时长数字调控，实现大动态范围目标成像，可以有效提高系统输出图像的信噪比，该曝光时长调控方法适用于各种CCD成像系统设计。

背景技术：

随着户外场景或空间物质被动光谱成像探测需求的日益膨胀，光谱成像仪器需要以太阳为光源，利用待测目标漫反射或透射的部分太阳辐射作为系统输入，再经光学系统分光后进行光谱成像。

针对目标场景进行紫外-可见段被动光谱成像时多采用CCD探测器作为系统的成像传感器，当目标场景切换导致目标辐射强度变化较大的时候，就需要对系统中CCD的曝光时间进行控制，实施合适的曝光，以获得高信噪比的光谱图像，而且多数情况下并不希望成像系统的帧频发生变化，例如航拍时，如果因曝光时间调整导致系统帧频改变，不仅会影响系统成像的空间分辨率，还会给后期图像处理增加不必要的麻烦。因此，本发明提出一种基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法，可以在不改变系统成像帧频的前提下，通过调整CCD的驱动时序来改变器件曝光时间，实现大动态范围目标辐射光谱成像，提升系统输出图像的信噪比。

专利CN101790025中所提及的CCD曝光时间调节方法主要是通过改变驱动信号频率(即驱动信号脉宽)和空驱动数目实现不同曝光时间设置的，不仅不能维持帧频固定，而且当驱动信号频率调节到一定程度时，还会对输出信号质量产生影响；而专利CN104486563中所提及的CCD曝光时间调节方法主要是为了使CCD的最小曝光时间尽可能接近零，不仅不能维持系统成像帧频固定，而且多次“帧转移-电荷倾倒”势必造成系统帧频大幅降低；再者，专利CN108174116中所提及的CCD曝光时间控制方法中的有效曝光时间同样是计入成像周期的，在增大或减小有效曝光时间的同时，系统成像帧频也会随之变化，因此并不能在改变成像曝光时间的同时维持系统帧频不变，而且根据该专利权利要求1中“有效曝光期间”的描述，受电荷读出影响，系统有效曝光时间无法做到很小，因此无法适应目标辐射较强的场景。

发明内容：

基于上述背景及所存在的问题，本发明设计了一种基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法，通过调整帧转移CCD的驱动时序，配合行丢弃功能，在不改变系统成像帧频的前提下调整CCD的曝光时间，可以实现大动态范围目标辐射光谱探测，有效提高系统输出图像的信噪比，且无需快门。

该发明的主要设计思路为：利用帧转移CCD的行丢弃功能，通过调整CCD的驱动时序，在每个成像周期进行两次帧转移，第一次帧转移将无效曝光图像转移至存储区，然后通过行丢弃进行清除，第二次帧转移是将有效曝光图像转移至存储区，然后进行读出。

系统中CCD每个成像周期由帧频调整段(时长T1)、第一次帧转移段(时长T2)、帧丢弃段(时长T3)、补充曝光段(时长T4)、第二次帧转移段(时长T5)和帧读出段(时长T6)组成，其中T2、T3、T5、T6固定，T1与T4之和为定值，且可以根据系统帧频和目标强弱调整T1、T4：目标较强时，减小补充曝光时间T4，增大帧频调整时间T1，以维持系统帧频不变，反之亦然。相比仅由补充曝光段(时长T4)、帧转移段(时长T5)和帧读出段(时长T6)构成的传统帧转移CCD驱动方式，本发明不仅能在不改变系统成像帧频的前提下进行CCD曝光时长的数字调控，提高系统对目标辐射强弱场景的适应能力，还可以充分发挥帧转移CCD的灵活驱动特性，实现最小曝光时长T3，而传统驱动方式下的最小曝光时长为T6，由于T6期间对每行数据逐元读出的缘故，使得T6>>T3。

对本发明的具体说明如下：

1、基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法，其特征在于：系统中CCD每次成像需依次经历帧频调整段、第一次帧转移段、帧丢弃段、补充曝光段、第二次帧转移段和帧读出段，其中包含两次帧转移，第一次用于转移无效曝光图像，第二次用于转移有效曝光图像。CCD的工作时序由“帧频调整段”至“帧读出段”不断循环，以实现系统定帧频成像。

具体包括以下步骤：

1.1)帧频调整段时长T1，用于匹配系统的成像帧频，当目标较弱，增大CCD补充曝光时间T4时，需要减小帧频调整时间T1，保证T1、T4之和为定值，以维持系统帧频不变，反之亦然；T1期间CCD成像区时钟信号I、存储区时钟信号S、行丢弃信号DG和读出寄存器时钟信号R均不工作，CCD输出信号OS无有效数据；T1期间CCD成像区正常曝光，且定义该段为无效曝光，相应曝光图像将随第一次帧转移转入存储区进行清除；

1.2)第一次帧转移段时长T2固定，期间信号I、S工作，将CCD成像区电荷逐行转移至存储区，信号DG、R不工作，OS无有效输出；由于上一成像周期中帧读出段T6期间CCD成像区已经处于正常曝光，而且同样属于无效曝光，因此当前成像周期中的第一次帧转移需要将上一成像周期中帧读出段T6期间和当前成像周期中帧频调整段T1期间的累计无效曝光图像转移至CCD存储区，继而进行清除；

1.3)帧丢弃段时长T3固定，期间信号S工作，将已转移至存储区的无效曝光图像逐行转移至读出寄存器，同时信号DG工作，利用CCD的行丢弃功能逐行清除转移至读出寄存器的电荷，最终清空存储区的无效曝光图像，信号I、R不工作，OS无有效输出；T3期间CCD成像区处于正常曝光，并将该段定义为有效曝光；

1.4)补充曝光段时长T4，用于调整CCD的有效曝光时间，当目标较强时，需要减小补充曝光时间T4，同时增大帧频调整时间T1，保证T1、T4之和为定值，以维持系统帧频不变，反之亦然；T4期间信号I、S、DG、R均不工作，OS无有效输出；T4期间CCD成像区仍处于正常曝光，且属于有效曝光，因此，CCD累计有效曝光时长为T3+T4，其中补充曝光时间T4最小可为零，此时系统累计有效曝光时长最小，即为T3，该时长远小于传统驱动方式所能达到的最小曝光时长；

1.5)第二次帧转移段时长T5固定，且与T2相同，期间信号I、S工作，将帧丢弃段T3期间和补充曝光段T4期间的累计有效曝光图像由CCD成像区逐行转移至存储区，信号DG、R不工作，OS无有效输出；

1.6)帧读出段时长T6固定，期间信号S工作，将CCD存储区的有效曝光图像逐行转移至读出寄存器，同时信号R工作，将读出寄存器中的电荷逐一读出，最终读出存储区的有效曝光图像，信号I、DG不工作，OS输出有效曝光图像数据；T6期间CCD成像区处于正常曝光，该曝光结果计入下一成像周期，且属于无效曝光，将随下一成像周期中T1期间的无效曝光一起，在下一成像周期第一次帧转移时转入存储区进行清除。

本发明的优点是：

1、本发明所提出的基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法，无需快门，通过调整帧转移CCD的驱动时序，配合CCD的行丢弃功能，在每个成像周期进行两次帧转移，第一次转移无效曝光图像，第二次转移有效曝光图像，可以在不改变系统成像帧频的前提下调整CCD曝光时长；

2、本发明所提出的方法可以充分发挥帧转移CCD的灵活驱动特性，达到比传统驱动方式更小的曝光时间，提高系统对目标强弱场景的适应能力，实现大动态范围目标辐射光谱成像，有效提高系统输出图像的信噪比；

3、本发明所提出的方法可以应用于其他帧转移CCD成像系统中。

附图说明：

图1基于帧转移CCD的定帧频成像系统驱动时序示意图。

图2基于帧转移CCD的定帧频成像系统成像周期示意图。

图3帧转移CCD47-20传统成像周期示意图。

图1中，I为CCD成像区时钟信号，S为CCD存储区时钟信号，DG为CCD行丢弃信号，R为CCD读出寄存器时钟信号，OS为CCD输出信号。

具体实施方式：

下面结合附图1、2、3对本发明所提出的基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法的具体实施做进一步的说明，实施过程中所采用的帧转移CCD为E2V公司的货架产品CCD47-20，器件相关参数如表1所示。

表1E2V帧转移CCD47-20相关参数

本发明所提出的基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法中CCD47-20的驱动时序示意如图1所示，图中I代表CCD47-20成像区时钟信号Iφ1、Iφ2、Iφ3，S代表CCD47-20存储区时钟信号Sφ1、Sφ2、Sφ3，DG为CCD47-20行丢弃信号，R代表CCD47-20读出寄存器时钟信号Rφ1、Rφ2、Rφ3，OS为CCD47-20输出信号，图中省略CCD47-20输出Reset信号。

图2为基于帧转移CCD47-20的定帧频成像系统成像周期示意图，结合图1和图2可以看出系统中CCD47-20的每个成像周期由帧频调整段、第一次帧转移段、帧丢弃段、补充曝光段、第二次帧转移段和帧读出段组成，其中包含两次帧转移，第一次帧转移将无效曝光图像转移至存储区，然后通过行丢弃进行清除，第二次帧转移是将有效曝光图像转移至存储区，然后进行读出。相比CCD47-20的传统成像驱动周期，如图3所示，定帧频成像系统的成像周期增加了帧频调整段、帧转移段和帧丢弃段。

首先，帧频调整段时长T1，用于匹配系统的成像帧频，当目标较弱，增大CCD补充曝光时间T4时，需要减小帧频调整时间T1，保证T1、T4之和为定值，以维持系统帧频不变，反之亦然；T1期间CCD成像区时钟信号I、存储区时钟信号S、行丢弃信号DG和读出寄存器时钟信号R均不工作，CCD输出信号OS无有效数据；T1期间CCD成像区正常曝光，且定义该段为无效曝光，相应曝光图像将随第一次帧转移逐行转入存储区，然后进行清除。

第一次帧转移段时长T2，期间信号I、S驱动CCD成像区电荷逐行转移至存储区，信号DG、R不工作，OS无有效输出；由于上一成像周期中帧读出段T6期间CCD成像区已经处于正常曝光，而且同样属于无效曝光，因此当前成像周期中的第一次帧转移需要将上一成像周期中帧读出段T6期间和当前成像周期中帧频调整段T1期间的累计无效曝光图像转移至存储区，然后进行清除。

帧丢弃段时长T3，期间信号S工作，驱动已转移至存储区的无效曝光图像逐行转移至读出寄存器，同时将信号DG置高，利用CCD的行丢弃功能逐行清除转移至读出寄存器的电荷，最终清空存储区的无效曝光图像，信号I、R不工作，OS无有效输出；T3期间CCD成像区处于正常曝光，并将该段定义为有效曝光。

补充曝光段时长T4，用于调整CCD的有效曝光时间，当目标较强时，需要减小补充曝光时间T4，同时增大帧频调整时间T1，保证T1、T4之和为定值，以维持系统帧频不变，反之亦然；T4期间信号I、S、DG、R均不工作，OS无有效输出；T4期间CCD成像区仍处于正常曝光，且该段属于有效曝光，因此，系统中CCD的累计有效曝光时长为T3+T4，其中补充曝光时间T4最小可为零，此时系统累计有效曝光时长最小，即为T3，该时长远小于传统驱动方式所能达到的最小曝光时长。

第二次帧转移段时长T5，与T2相同，期间信号I、S工作，将帧丢弃段T3期间和补充曝光段T4期间的累计有效曝光图像由CCD成像区逐行转移至存储区，信号DG、R不工作，OS无有效输出。

帧读出段时长T6，期间信号S工作，驱动CCD存储区的有效曝光图像逐行转移至读出寄存器，同时信号R工作，将读出寄存器中的电荷逐一读出，最终读出存储区的有效曝光图像，信号I、DG不工作，OS输出有效曝光图像数据；T6期间CCD成像区处于正常曝光，该曝光结果计入下一成像周期，且属于无效曝光，将随下一成像周期中T1期间的无效曝光一起，在下一成像周期第一次帧转移时转入存储区进行清除。

至此，系统完成一次成像，CCD成像周期T＝T1+T2+T3+T4+T5+T6，其中，T2、T3、T5和T6仅受到相关驱动信号的脉宽影响，相关驱动信号脉宽的设置不仅影响CCD的成像质量，同时也影响系统曝光时长的调节范围，系统设计初期即需要综合考虑成像质量、成像帧频，以及曝光时长调节范围，以确定CCD相关驱动信号的脉宽，由此T2、T3、T5、T6得以固定；而且T1与T4之和需为定值，从而保证系统成像周期固定以维持系统帧频不变，然后根据系统成像帧频和目标辐射强弱分别设置T1、T4：目标辐射较强时，需要减小补充曝光时间T4，同时增大帧频调整时间T1，反之亦然。

根据上述实施过程，可知定帧频成像系统的有效曝光时长为T3+T4，而图3所示的传统成像周期中系统有效曝光时长为T6+T4，当补充曝光时间T4为零时，两者均能达到相应的最小曝光时长，即定帧频光谱成像系统的最小曝光时长为T3，传统成像周期中系统最小曝光时长为T6，其中T3期间仅需将CCD存储区电荷逐行转移至读出寄存器，然后直接进行整行丢弃，并不需要将寄存器中的电荷逐元读出，相比之下，T6期间不仅需要将存储区电荷逐行转移至读出寄存器，还需要将寄存器中的电荷逐元读出，使得T3<<T6，因此，本发明所提出的帧转移CCD驱动方法可以实现更小的曝光时长，而且同时维持成像帧频不变。

本发明所提出的基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法在不改变系统成像帧频的前提下调整CCD的曝光时间，提高了成像系统对目标强弱场景的适应能力，实现大动态范围目标辐射光谱成像，可以有效提高系统输出图像的信噪比，充分发挥帧转移CCD的灵活驱动特性。

Claims (1)

1.一种基于帧转移CCD的定帧频成像系统曝光时长调控方法，其特征在于方法如下：

成像系统中CCD每次成像需依次经历帧频调整段、第一次帧转移段、帧丢弃段、补充曝光段、第二次帧转移段和帧读出段，其中包含两次帧转移，第一次用于转移无效曝光图像，第二次用于转移有效曝光图像，CCD的工作时序由“帧频调整段”至“帧读出段”不断循环，以实现系统定帧频成像；

具体包括以下步骤：

1)帧频调整段时长T1，用于匹配系统的成像帧频，当目标较弱，增大CCD补充曝光时间T4时，需要减小帧频调整时间T1，保证T1、T4之和为定值，以维持系统帧频不变，反之亦然；T1期间CCD成像区时钟信号I、存储区时钟信号S、行丢弃信号DG和读出寄存器时钟信号R均不工作，CCD输出信号OS无有效数据；T1期间CCD成像区正常曝光，且定义该段为无效曝光，相应曝光图像将随第一次帧转移转入存储区进行清除；

2)第一次帧转移段时长T2固定，期间信号I、S工作，将CCD成像区电荷逐行转移至存储区，信号DG、R不工作，OS无有效输出；由于上一成像周期中帧读出段T6期间CCD成像区已经处于正常曝光，而且同样属于无效曝光，因此当前成像周期中的第一次帧转移需要将上一成像周期中帧读出段T6期间和当前成像周期中帧频调整段T1期间的累计无效曝光图像转移至CCD存储区，继而进行清除；

3)帧丢弃段时长T3固定，期间信号S工作，将已转移至存储区的无效曝光图像逐行转移至读出寄存器，同时信号DG工作，利用CCD的行丢弃功能逐行清除转移至读出寄存器的电荷，最终清空存储区的无效曝光图像，信号I、R不工作，OS无有效输出；T3期间CCD成像区处于正常曝光，并将该段定义为有效曝光；

4)补充曝光段时长T4，用于调整CCD的有效曝光时间，当目标较强时，需要减小补充曝光时间T4，同时增大帧频调整时间T1，保证T1、T4之和为定值，以维持系统帧频不变，反之亦然；T4期间信号I、S、DG、R均不工作，OS无有效输出；T4期间CCD成像区仍处于正常曝光，且属于有效曝光，因此，CCD累计有效曝光时长为T3+T4，其中补充曝光时间T4最小可为零，此时系统累计有效曝光时长最小，即为T3，该时长远小于传统驱动方式所能达到的最小曝光时长；

5)第二次帧转移段时长T5固定，且与T2相同，期间信号I、S工作，将帧丢弃段T3期间和补充曝光段T4期间的累计有效曝光图像由CCD成像区逐行转移至存储区，信号DG、R不工作，OS无有效输出；

6)帧读出段时长T6固定，期间信号S工作，将CCD存储区的有效曝光图像逐行转移至读出寄存器，同时信号R工作，将读出寄存器中的电荷逐一读出，最终读出存储区的有效曝光图像，信号I、DG不工作，OS输出有效曝光图像数据；T6期间CCD成像区处于正常曝光，该曝光结果计入下一成像周期，且属于无效曝光，将随下一成像周期中T1期间的无效曝光一起，在下一成像周期第一次帧转移时转入存储区进行清除。

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