CN113452937A - 自适应驱动信号星载ccd高光谱成像电路及方法 - Google Patents

自适应驱动信号星载ccd高光谱成像电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路及方法，解决现有成像仪CCD成像电路帧频较低，无法实现星载成像仪高光谱分辨率的问题。电路包括FPGA、CCD探测器、模拟视频信号放大器、AD转换器、高速串行图像输出端口以及带测温模块的CCD时序驱动器；FPGA产生CCD驱动信号；CCD时序驱动器将CCD驱动信号进行放大并传输给CCD探测器；CCD探测器根据放大驱动信号动作输出模拟视频信号；模拟视频信号放大器将模拟视频信号放大，并传输给AD转换器；AD转换器将放大的模拟视频信号转换为数字视频信号并传输给FPGA；FPGA对数字视频信号进行编码重构，通过高速串行图像输出端口输出；测温模块实时监测CCD时序驱动器的温度，将温度反馈给FPGA，FPGA根据温度实时调整CCD驱动信号。

Description

自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路及方法
技术领域
本发明涉及星载高光谱成像仪，具体涉及一种具备驱动信号时序自适应延迟的星载CCD高光谱成像电路及方法。
背景技术
传统CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)成像电路用于凝视成像相机，其帧频通常低于100FPS，水平驱动信号速率低，且AD采样位置较宽。
为了提高星载高光谱成像仪的光谱分辨率，需要高帧频成像电路，传统低帧频的成像仪CCD成像电路无法满足高光谱分辨率要求。以及卫星平台连续高速运动，在到达目标上空后需要立即成像，传统CCD成像电路需要开机预热才可达到最佳成像状态，会导致错过目标，或者成像存在偏差，而无法适用于星载应用场景。
发明内容
为了解决现有成像仪CCD成像电路帧频较低，无法实现星载成像仪高光谱分辨率，以及无法适用于星载应用场景的技术问题，本发明提供了一种自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路及方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路，其特殊之处在于：包括FPGA、CCD探测器、模拟视频信号放大器、AD转换器、高速串行图像输出端口以及带测温模块的CCD时序驱动器；
所述FPGA用于产生CCD驱动信号；
所述CCD时序驱动器用于将CCD驱动信号进行放大，产生放大驱动信号并传输给CCD探测器；
所述CCD探测器根据放大驱动信号动作，输出模拟视频信号；
所述模拟视频信号放大器用于将CCD探测器输出的模拟视频信号放大，并传输给AD转换器；
所述AD转换器用于将放大的模拟视频信号转换为数字视频信号并传输给FPGA；
所述FPGA用于对数字视频信号进行编码重构，并通过高速串行图像输出端口输出；
所述测温模块用于实时监测CCD时序驱动器的温度，并将温度反馈给FPGA，FPGA根据温度实时调整所述CCD驱动信号，使CCD探测器一直处于最佳工作状态。
进一步地，所述FPGA产生的CCD驱动信号包括垂直驱动信号FA1、FA2、FA3、TR、FB1、FB2、FB3，以及水平驱动信号FC1、FC2、SUM、RET；
所述CCD时序驱动器包括感光区垂直驱动FA1、FA2、FA3、TR驱动器，存储区垂直驱动FB1、FB2、FB3驱动器，以及水平驱动FC1、FC2、SUM、RET驱动器；
所述水平驱动FC1、FC2、SUM、RET驱动器均设有独立的所述测温模块，用于采集对应的水平驱动FC1、FC2、SUM、RET驱动器温度，并将温度反馈给FPGA，FPGA根据温度实时调整水平驱动信号FC1、FC2、SUM、RET的相位；
所述CCD探测器采用高速帧转移型CCD探测器，其分辨率2048×256，单位像元尺寸16μm×16μm，最高帧频1500fps，最大行转移速率6MHz，最大帧转移速率35MHz，具备32路读出通道。
进一步地，所述FPGA采用Xilinx公司V5系列XQ5VFX130T型FPGA；
所述CCD时序驱动器采用ISL7457型；
所述CCD模拟视频信号放大器采用LMH6720；
所述AD转换器采用AD7004模数转换器。
进一步地，所述测温模块为测温电阻。
同时，本发明还提供了一种自适应驱动信号星载CCD高光谱成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)FPGA产生CCD驱动信号，CCD时序驱动器将CCD驱动信号放大；
2)测温模块实时检测CCD时序驱动器的温度，FPGA根据测温模块检测到的温度，实时调整其产生的CCD驱动信号，使CCD时序驱动器输出相应调整的放大驱动信号；
3)放大驱动信号驱动CCD探测器工作，产生模拟视频信号；
4)模拟视频信号放大器将CCD探测器输出的模拟视频信号放大；
5)AD转换器将放大后的模拟视频信号转换为数字视频信号并传输给FPGA；
6)FPGA对数字视频信号进行编码重构，并通过高速串行图像输出端口输出。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明成像电路由FPGA、CCD探测器、模拟视频信号放大器、AD转换器和CCD时序驱动器组成，该成像电路最高帧频可达1500fps，同时CCD时序驱动器内增加测温模块，对CCD时序驱动器进行实时温度，实现驱动信号时序的自适应调整，可抵消星载高光谱成像仪冷机开机或星上温控条件变化带来的CCD驱动信号时序变化，从而保证成像质量温度稳定性。
2、本发明对CCD时序驱动器的每个水平驱动器进行分别实时温度反馈并补偿相位延迟，可实现每路驱动信号的独立精确控制，确保CCD探测器工作在最佳状态。
附图说明
图1是本发明自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路原理示意图；
图2是本发明自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路结构示意图；
图3是光谱成像仪获取图像示意图，其中，a为复原的图像，图b为反演出的光谱曲线；
图4是本发明CCD时序驱动器输出信号相位与温度关系示意图；
图5是本发明实施例水平驱动FC1、FC2、SUM、RET驱动器与FPGA、CCD探测器的原理关系示意图；
图6是传统CCD驱动信号温漂时示波器波形图；
图7是本发明实施例对CCD时序驱动器进行实时温度监控，CCD驱动信号补偿后示波器波形图；
图8是传统CCD驱动信号温漂时成像效果图；
图9是本发明实施例对CCD时序驱动器进行实时温度监控，CCD驱动信号补偿后成像效果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，本发明一种自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路，由CCD探测器、FPGA、模拟视频信号放大器、AD转换器、高速串行图像输出端口以及带有测温模块的CCD时序驱动器组成。
FPGA的输出与CCD时序驱动器的输入相连，CCD时序驱动器的输出与CCD探测器的输入相连，CCD探测器的输出与模拟视频信号放大器的输入相连，模拟视频信号放大器的输出与AD转换器的输入相连，AD转换器的输出与FPGA的输入相连；高速串行图像输出端口接FPGA的信号输出端；测温模块用于监测CCD时序驱动器的温度，并将温度反馈给FPGA。
FPGA负责产生CCD探测器所需的CCD驱动信号，并根据测温模块获取的温度和CCD时序驱动器输出信号相位与温度关系，对CCD驱动信号进行预处理；CCD时序驱动器负责将FPGA端输出的CCD驱动信号放大，产生放大驱动信号并输送给CCD探测器，驱动CCD探测器工作，CCD探测器工作输出模拟视频信号；模拟视频信号放大器将CCD探测器输出的模拟视频信号放大，并传输给AD转换器；AD转换器负责将放大的模拟视频信号转换为数字视频信号并传输给FPGA；FPGA对AD转换器输出的数字视频信号进行编码重构产生串行图形信号，并通过高速串行图像输出端口输出。
本实施例成像电路具体结构如图2所示，CCD探测器采用Sarnoff公司的高速帧转移型CCD探测器NSX 1.5，该探测器分辨率2048×256，单位像元尺寸16um×16um，最高帧频1500fps，最大行转移速率6MHz，最大帧转移速率35MHz，具备32路读出通道。
该CCD探测器NSX 1.5需要垂直驱动信号FA1、FA2、FA3、TR、FB1、FB2、FB3以及水平驱动信号FC1、FC2、SUM、RET共11路驱动信号，则FPGA选用Xilinx公司V5系列XQ5VFX130T型FPGA，可配合FPGA软件输出11路CCD驱动信号。相应的，CCD时序驱动器包括感光区垂直驱动FA1驱动器、感光区垂直驱动FA2驱动器、感光区垂直驱动FA3驱动器、感光区垂直驱动TR驱动器、存储区垂直驱动FB1驱动器、存储区垂直驱动FB2驱动器、存储区垂直驱动FB3驱动器、水平驱动FC1驱动器、水平驱动FC2驱动器、水平驱动SUM驱动器、水平驱动RET驱动器共11个驱动器，且每个驱动器均采用ISL7457驱动器(ISL7457型运放)，CCD驱动信号经过ISL7457驱动器放大，输出给CCD探测器，该ISL7457驱动器具备40MHz最快时钟频率，满足CCD探测器高速探测要求。
模拟视频信号放大器采用LMH6720运放，CCD探测器输出的模拟视频信号经过LMH6720运放放大，输出给AD转换器。该LMH6720运放具备400MHz带宽，1800V/us压摆率，满足CCD输出高速模拟视频信号要求。
AD转换器采用AD7004模数转换器，进行AD转换并将转换后的结果传输给FPGA进行数据格式整理发送。该AD7004模数转换器具备72MHz带宽，14bit量化精度，-3dB～+6dB相关双采样精度，满足CCD高速模拟视频信号处理要求。
本实施例CCD高光谱成像电路最高帧频可达1500fps，传统CCD成像电路难以达到。CCD在高帧频下工作时，其水平驱动信号速率高，AD采样位置窄，对驱动信号相位精度具有更高要求。在成像电路冷机开机或星上热控环境变化时，CCD时序驱动器受温度变化影响会发生温漂，导致CCD水平驱动信号相位发生变化，进而影响AD采样位置，导致图像质量下降。由于星载高光谱成像仪搭载于连续高速运动平台，在到达目标上空后需要立即成像，但传统成像仪CCD成像电路由于驱动器温漂需要开机预热才可达到最佳成像状态，会导致错过目标，或者成像质量下降。水平驱动信号相位决定模拟视频信号相位，模拟视频信号周期28ns，可供AD采样的宽度只有不到1ns，稍微偏离都会导致采样点超出最佳采样范围，导致图像质量下降，具体来说就是图8中所示的竖纹，因此为了实现高帧频成像，需要亚ns级别的水平驱动信号精度。
由于传统成像仪CCD成像电路帧频低，水平驱动信号速率低，AD采样位置较宽，故不需要亚ns级的水平驱动信号精度。由于模拟视频信号采样位置宽，驱动器即使发生ns级别温漂，采样点依然落在采样范围内。以及传统CCD成像电路通常应用于地面设备中，由于地面设备对实时性要求不高，如果开机后等待驱动器缓慢升温，达到热平衡状态后驱动信号相位不再变化，即开机调试设备参数后才开始采数，采集有用数据时系统基本已经达到热平衡，也可克服温漂问题。但其不适用于星载应用场景，卫星属于连续高速运动平台，在到达目标上空后需要立即成像，不可能原地等待，等待预热会导致错过目标，所以需要实时调整驱动信号相位，保证高光谱成像仪时刻处于最佳成像状态。
通常CCD成像电路从冷机开机到热平衡，水平驱动信号会位移约1.6ns，如此之大的驱动信号位移根本无法满足高帧频成像需求。光谱成像仪获取的图像信噪比直接决定了复原出来的光谱曲线精度，开机阶段驱动器温漂导致信噪比下降会直接影响到反演出的谱线精度，进而降低物质分类识别精度，如3图所示，其中，图a为复原的图像，图b为反演出的光谱曲线，图b中，A为温漂图像反演结果，B为热平衡后图像反演结果，从图中清晰可见，CCD时序驱动器温漂将直接影响复原光谱曲线精度，故本发明使用相位补偿来弥补CCD时序驱动器温漂造成的影响。
由于CCD时序驱动器是一种模拟器件，其工作性能会受到温度的影响，驱动器输出信号相位与温度关系如图4所示。但在冷机启动或热控偏差等温度出现变化的情况下，CCD时序驱动器输出的信号会出现相位误差，从而导致CCD探测器成像质量下降。
本实施例CCD探测器的4路水平驱动信号FC1、FC2、SUM、RET为35.71MHz高速信号，会受到CCD时序驱动器温漂影响，7路垂直驱动信号为5.95MHz低速信号不受驱动器温漂影响，因此本实施例在水平驱动信号FC1、FC2、SUM、RET所对应的水平驱动FC1驱动器、水平驱动FC2驱动器、水平驱动SUM驱动器、水平驱动RET驱动器进行温控，如图5所示，由于四路FC1、FC2、SUM、RET信号占空比不一样，可能存在升温速率不一致情况，因此本实施例水平驱动FC1驱动器、水平驱动FC2驱动器、水平驱动SUM驱动器、水平驱动RET驱动器均设有独立的测温模块，FC1、FC2、SUM、RET 4路水平信号独立控制更加精确，在FPGA软件中根据各自温度独立控制驱动信号相位延迟，确保CCD探测器工作在最佳状态。本实施例测温模块可采用测温电阻。
本实施例加入对CCD时序驱动器温度监控的温度模块，实现驱动信号相位自适应延迟功能，根据水平驱动器温度，实时调整FPGA产生的CCD驱动信号相位，保证AD采样点落在模拟视频信号最佳采样范围内。通过测温模块监控CCD时序驱动器的温度变化，FPGA对输出的CCD驱动信号时序进行自适应调整，可抵消星载上温控条件变化带来的CCD驱动信号时序变化，从而保证成像质量温度稳定性。具体为：当FPGA通过测温模块监控到CCD时序驱动器的温度升高时，相应增加CCD驱动信号延迟；当FPGA通过测温模块监控到CCD时序驱动器的温度下降时，相应减小CCD驱动信号延迟。
CCD时序驱动器输出信号相位与温度关系是通过实验获取，在地面实验室用热真空柜，模拟星上热控环境。将CCD时序驱动器与示波器相连，实时监测CCD水平驱动信号相位。冷机开机后，记录CCD时序驱动器的温度，同时记录CCD水平驱动信号相位，获得温度与相位关系如下表1，并将温度与相位关系写入FPGA软件。在FPGA软件中，根据实时测得的CCD时序驱动器的温度，调整FPGA输出的CCD驱动信号，例如当测温模块检测到CCD时序驱动器温度为26.3℃时，根据表1，得出对应AD主时钟域CCD水平驱动信号相位为2.57ns，则该数值距离热平衡状态相差2.57-1.24＝1.33ns，其中，1.24ns为热平衡状态的相位，则给FC1、FC2、SUM、RET信号左移1.33ns，即可抵消CCD时序驱动器温漂影响，使CCD成像电路工作在最佳状态。
表1温度与相位关系
开机时刻 温度 AD主时钟与CCD水平驱动信号相位差
0s 17.5℃ 2.92ns
5s 21.6℃ 2.76ns
10s 26.3℃ 2.57ns
15s 32.9℃ 2.31ns
20s 39.2℃ 2.06ns
25s 45.1℃ 1.82ns
30s 49.7℃ 1.64ns
35s 52.8℃ 1.52ns
40s 54.1℃ 1.46ns
45s 55.5℃ 1.40ns
50s 56.8℃ 1.35ns
55s 58.1℃ 1.29ns
60s 59.4℃ 1.24ns
65s 59.5℃ 1.24ns
70s 59.5℃ 1.24ns
本实施例在传统成像仪CCD成像电路的基础上，增加了温度反馈功能，实现驱动信号时序的自适应调整，保证CCD探测器一直工作在最佳状态，进而保证成像质量和精度。本实施例成像电路可应用于星载中，当卫星到达指定目标上空时，数据立即可用，避免由于成像仪自身未达到最佳状态而错过重要目标数据，能保证光谱成像仪在设备使用全程都达到最佳成像质量，对于星载或靶场等实时性要求高的应用场合，能起到积极作用。
图6、图7分别为高光谱成像仪冷机开机后，未补偿和经过本申请方法补偿后的三路关键信号示波器测量结果。三路信号分别标注①、②、③，①为AD工作主时钟，②为AD器件的帧同步信号，③为CCD器件下的FC1驱动。设计目标要求FC1驱动与AD主时钟相位差1.24ns，在冷机状态下，未补偿的FC1驱动与AD主时钟相差2.92ns，与设计值存在偏差；补偿后相差1.24ns，与设计值一致，可见本发明有效的补偿了CCD时序驱动器温漂带来的影响。
图8、图9为高光谱成像仪冷机开机时，对积分球拍摄的图像，图8的CCD驱动信号未经补偿，图9采用了本发明补偿方案。由图8可见未补偿图像存在明显竖条纹，而经过补偿后图9中竖条纹消失，可见本发明可实时有效提升CCD成像电路图像质量。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (5)

1.一种自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路，其特征在于：包括FPGA、CCD探测器、模拟视频信号放大器、AD转换器、高速串行图像输出端口以及带测温模块的CCD时序驱动器；
所述FPGA用于产生CCD驱动信号；
所述CCD时序驱动器用于将CCD驱动信号进行放大，产生放大驱动信号并传输给CCD探测器；
所述CCD探测器根据放大驱动信号动作，输出模拟视频信号；
所述模拟视频信号放大器用于将CCD探测器输出的模拟视频信号放大，并传输给AD转换器；
所述AD转换器用于将放大的模拟视频信号转换为数字视频信号并传输给FPGA；
所述FPGA用于对数字视频信号进行编码重构，并通过高速串行图像输出端口输出；
所述测温模块用于实时监测CCD时序驱动器的温度，并将温度反馈给FPGA，FPGA根据温度实时调整所述CCD驱动信号，使CCD探测器一直处于最佳工作状态。
2.根据权利要求1所述自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路，其特征在于：
所述FPGA产生的CCD驱动信号包括垂直驱动信号FA1、FA2、FA3、TR、FB1、FB2、FB3，以及水平驱动信号FC1、FC2、SUM、RET；
所述CCD时序驱动器包括感光区垂直驱动FA1、FA2、FA3、TR驱动器，存储区垂直驱动FB1、FB2、FB3驱动器，以及水平驱动FC1、FC2、SUM、RET驱动器；
所述水平驱动FC1、FC2、SUM、RET驱动器均设有独立的所述测温模块，用于采集对应的水平驱动FC1、FC2、SUM、RET驱动器温度，并将温度反馈给FPGA，FPGA根据温度实时调整水平驱动信号FC1、FC2、SUM、RET的相位；
所述CCD探测器采用高速帧转移型CCD探测器，其分辨率2048×256，单位像元尺寸16μm×16μm，最高帧频1500fps，最大行转移速率6MHz，最大帧转移速率35MHz，具备32路读出通道。
3.根据权利要求2所述自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路，其特征在于：所述FPGA采用Xilinx公司V5系列XQ5VFX130T型FPGA；
所述CCD时序驱动器采用ISL7457型；
所述CCD模拟视频信号放大器采用LMH6720；
所述AD转换器采用AD7004模数转换器。
4.根据权利要求1至3任一所述自适应驱动信号星载CCD高光谱成像电路，其特征在于：所述测温模块为测温电阻。
5.一种自适应驱动信号星载CCD高光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)FPGA产生CCD驱动信号，CCD时序驱动器将CCD驱动信号放大；
2)测温模块实时检测CCD时序驱动器的温度，FPGA根据测温模块检测到的温度，实时调整其产生的CCD驱动信号，使CCD时序驱动器输出相应调整的放大驱动信号；
3)放大后的驱动信号驱动CCD探测器工作，产生模拟视频信号；
4)模拟视频信号放大器将CCD探测器输出的模拟视频信号放大；
5)AD转换器将放大后的模拟视频信号转换为数字视频信号并传输给FPGA；
6)FPGA对数字视频信号进行编码重构，并通过高速串行图像输出端口输出。
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