CN115988345A - 一种支持多自由度像移补偿功能的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空航天技术领域，提供一种支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，包括：相机控制器、多自由度像移补偿时序发生器、垂直驱动电路、支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器、水平驱动电路、前端信号处理电路、接口电路，相机控制器与多自由度像移补偿时序发生器连接，多自由度像移补偿时序发生器分别与垂直驱动电路、支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器和水平驱动电路连接，垂直驱动电路和水平驱动电路还与支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器连接，支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器与前端信号处理电路连接，前端信号处理电路与接口电路连接。本申请能够实现在不移动部件的前提下，进行横滚、俯仰、偏航及符合多自由度动态运动的片上补偿。

Description

一种支持多自由度像移补偿功能的驱动电路

技术领域

本申请涉及航天航空技术领域，具体涉及一种支持多自由度像移补偿功能的驱动电路。

背景技术

在侦察过程中，侦察机为躲避敌方雷达的监视，需要做高速低空飞行。低空高速飞行大大提高飞机自身的战场生存能力和纵深侦察监视能力，但这时航空成像的靶面上会出现严重像移，导致航空成像模糊，像移的存在极大的影响了相机成像质量，使航摄图像的分辨率明显下降。当存在像移时拍摄到的目标轮廓不清晰，目标和周围背景间存在着或大或小的过渡区，它随像移的增大而扩大，当过渡区到达一定程度时就会导致相邻两目标的成像互相交叠甚至不能分辨。侦察飞机的飞行姿态除了进行前向飞行外，还会根据技战术的需求进行调整，如：俯仰、偏航和横滚以及复合多自由度运动。对应不同的飞行姿态，影像在靶面上会留下不同的像移轨迹。因此，对载机飞行姿态产生的姿态角进行补偿具有重要意义。针对载机飞行姿态对航空相机成像性能的影响和载机飞行姿态补偿方面，国内外学者已经对此展开了相关研究。由于航空相机的用途特殊，国外研究中有关平台姿态像移补偿的相关资料保密较严，相关文献介绍有限。

目前发展起来的像移补偿方法主要从三个角度出发：一是采用电子学手段，研制具有时间延迟积分(Time Delay and Integration，TDI)功能的CCD器件，针对具体CCD器件采用电荷转移驱动技术来控制积分时间内CCD的电荷转移速度,就可以进行像移补偿；二是对图像处理算法进行研究，通过后期图像处理实现模糊图像的清晰化或纠正像旋转，但是会损失图像信息；三是采用运动控制技术，通过控制惯性稳定平台、扫描反射镜、快速反射镜等来补偿运动成像引起的像移。这种方法对结构精度、可靠性、稳定性的要求非常高。

国内外航空相机针对相机补偿方法是利用机械、光学、图像、电子式像移补偿方法，机械、光学补偿系统会大幅增加航空相机的重量及体积；图象式像移补偿方法是一种事后补偿方法，无法具有实时性。目前报道的电子式像移补偿方法主要是利用TDICCD进行前向像移补偿及阶梯式分块补偿航空异速像移，而对航空相机横滚、俯仰、偏航及以上复合的多自由度运动没有给出一个好的解决方案，严重制约了像移补偿技术及高端CCD(支持横滚、俯仰、偏航及复合多自由度动态运动片上补偿CCD)的研制。

发明内容

鉴于此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供提供一种支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，实现在不移动部件的前提下，进行横滚、俯仰、偏航及符合多自由度动态运动的片上补偿，且能够降低成像系统质量、体积、功耗和成本。

为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

一种支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，包括：相机控制器、多自由度像移补偿时序发生器、垂直驱动电路、支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器、水平驱动电路、前端信号处理电路、接口电路，所述相机控制器与所述多自由度像移补偿时序发生器连接，所述多自由度像移补偿时序发生器分别与所述垂直驱动电路、所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器和所述水平驱动电路连接，所述垂直驱动电路和所述水平驱动电路还与所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器连接，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器与所述前端信号处理电路连接，所述前端信号处理电路与所述接口电路连接。

进一步的，所述多自由度像移补偿时序发生器包括：主时序发生器、垂直电荷转移总线接口模块、垂直方向像移补偿定时控制模块、垂直方向像移时序产生模块、水平电荷转移总线接口模块、水平方向像移补偿定时控制模块、水平方向像移时序产生模块；

所述相机控制器与所述垂直电荷转移总线接口模块、所述水平电荷转移总线接口模块、所述主时序产生模块连接，所述水平电荷转移总线接口模块与水平方向像移补偿定时控制模块连接，所述水平方向像移补偿定时控制模块与所述水平方向像移时序产生模块连接，所述垂直电荷转移总线接口模块与所述垂直方向像移补偿定时控制模块连接，所述垂直方向像移补偿定时控制模块与所述垂直方向像移时序产生模块连接，所述垂直方向像移时序产生模块与所述垂直驱动电路连接，所述水平方向像移时序产生模块与所述水平驱动相连接。

进一步的，所述主时序产生模块用于产生航空相机不进行像移补偿时候所需水平驱动时序、垂直驱动时序；所述垂直电荷转移总线接口模块用于接收所述相机控制器传来的垂直方向像移补偿时间间隔信息；所述垂直方向像移补偿定时控制模块用于在曝光期间根据时间间隔信息产生定时脉冲，并且根据垂直工作状态产生垂直像移补偿所需触发信号及时序切换信号；所述垂直方向像移时序产生模块根据定时脉冲产生垂直方向像移补偿驱动时序；所述水平电荷转移总线接口模块用于接收所述相机控制器传来的水平方向像移补偿时间间隔信息；所述水平方向像移补偿定时控制模块用于在曝光期间根据时间间隔信息产生定时脉冲，并且根据水平工作状态产生水平像移补偿所需触发信号及时序切换信号；所述水平方向像移时序产生模块根据定时脉冲产生水平方向像移补偿驱动时序。

进一步的，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器用于对航空相机多自由度像移进行补偿。

进一步的，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器具有以行和列排列的像素，所有像素在行和列方向以相同或者不同的速率传送像素信息，驱动电路可在行和列的方向控制电荷沿着行和列方向分别驱动电荷进行电荷转移。

进一步的，所述相机控制器根据接收到的飞机及探测器信息用于航空相机多自由度像移补偿的任务参数并将任务参数发送给所述多自由度像移补偿时序发生器。

进一步的，所述前端信号处理电路将所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器输出的模拟信号进行相关双采样、可控增益放大、暗电平箝位补偿和模数转换；所述接口电路负责将模数转换器产生的数字图像信号从相机输出，并提供与上位机进行通信的接口。

进一步的，所述相机控制器利用单片机开发，所述多自由度像移补偿时序发生器利用FPGA开发，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器为定制化探测器，所述垂直驱动电路、所述水平驱动电路利用专用芯片开发，所述前端信号处理电路利用专用芯片开发，所述接口电路利用专用芯片开发。

本申请采用上述技术方案具备下述效果：

本申请的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，包括：相机控制器、多自由度像移补偿时序发生器、垂直驱动电路、支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器、水平驱动电路、前端信号处理电路、接口电路，能够实现在不移动部件的前提下，进行横滚、俯仰、偏航及符合多自由度动态运动的片上补偿，且能够降低成像系统质量、体积、功耗和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请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，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的航空相机多自由度运动像移原理示意图及靶面上像移示意图；

图2为本申请实施例提供的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路；

图3为本申请实施例提供的支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器内部构造图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

航空多自由度像移产生原因：

在侦察过程中，侦察机为躲避敌方雷达的监视，需要做高速低空飞行。低空高速飞行大大提高飞机自身的战场生存能力和纵深侦察监视能力，但这时航空成像的靶面上会出现严重像移，导致航空成像模糊，像移的存在极大的影响了相机成像质量，使航摄图像的分辨率明显下降。当存在像移时拍摄到的目标轮廓不清晰，目标和周围背景间存在着或大或小的过渡区，它随像移的增大而扩大，当过渡区到达一定程度时就会导致相邻两目标的成像互相交叠甚至不能分辨。侦察飞机的飞行姿态除了进行前向飞行外，还会根据技战术的需求进行调整，如：俯仰、偏航和横滚以及复合多自由度运动。对应不同的飞行姿态，影像在靶面上会留下不同的像移轨迹，如图1所示。

实施例1

如图2所示，本申请实施例提供一种支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，包括：相机控制器、多自由度像移补偿时序发生器、垂直驱动电路、支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器、水平驱动电路、前端信号处理电路、接口电路，所述相机控制器与所述多自由度像移补偿时序发生器连接，所述多自由度像移补偿时序发生器分别与所述垂直驱动电路、所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器和所述水平驱动电路连接，所述垂直驱动电路和所述水平驱动电路还与所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器连接，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器与所述前端信号处理电路连接，所述前端信号处理电路与所述接口电路连接。

所述相机控制器用于根据接收到的飞机参数如飞行高度、飞行速度、俯仰角、偏航角、横滚角及探测器参数如焦距、CCD像元大小、CCD相位数，用于航空相机多自由度像移补偿的任务参数如工作模式并将以上参数发送给多自由度像移补偿时序发生器。

所述多自由度像移补偿时序发生器用于生成所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器所需的水平驱动时序及垂直驱动时序，产生多自由度像移补偿时候水平电荷转移所需水平驱动时序、垂直电荷转移所需垂直驱动时序；水平驱动电路用于对接收到的水平时序信号及水平方向电荷转移驱动时序进行放大、平移，产生将水平时序放大为足够电压和电流驱动能力的驱动电平信号，在进行多自由度像移补偿时，驱动水平电荷进行移动，补偿像移在像面水平方向的像移分量；垂直驱动电路用于对接收到的垂直时序信号及垂直方向驱动时序进行放大平移，产生将垂直时序放大为足够电压和电流驱动能力的驱动电平信号，在进行多自由度像移补偿时，驱动垂直电荷进行转移，补偿多自由度像移在像面垂直方向的分量。

具体的，所述多自由度像移补偿时序发生器包括：主时序发生器、垂直电荷转移总线接口模块、垂直方向像移补偿定时控制模块、垂直方向像移时序产生模块、水平电荷转移总线接口模块、水平方向像移补偿定时控制模块、水平方向像移时序产生模块；所述相机控制器与所述垂直电荷转移总线接口模块、所述水平电荷转移总线接口模块、所述主时序产生模块连接，所述水平电荷转移总线接口模块与水平方向像移补偿定时控制模块连接，所述水平方向像移补偿定时控制模块与所述水平方向像移时序产生模块连接，所述垂直电荷转移总线接口模块与所述垂直方向像移补偿定时控制模块连接，所述垂直方向像移补偿定时控制模块与所述垂直方向像移时序产生模块连接，所述垂直方向像移时序产生模块与所述垂直驱动电路连接，所述水平方向像移时序产生模块与所述水平驱动相连接。

需要说明的是，所述主时序产生模块用于产生航空相机不进行像移补偿时候所需水平驱动时序、垂直驱动时序。所述垂直电荷转移总线接口模块用于接收所述相机控制器传来的垂直方向像移补偿时间间隔信息；所述垂直方向像移补偿定时控制模块用于在曝光期间根据时间间隔信息产生定时脉冲，并且根据垂直工作状态产生垂直像移补偿所需触发信号及时序切换信号；所述垂直方向像移时序产生模块根据定时脉冲产生垂直方向像移补偿驱动时序，将时序输入至垂直驱动电路，垂直驱动电路对垂直驱动信号进行放大，驱动电荷在垂直方向进行转移，补偿像移在像面垂直转移方向的分量。所述水平电荷转移总线接口模块用于接收所述相机控制器传来的水平方向像移补偿时间间隔信息；所述水平方向像移补偿定时控制模块用于在曝光期间根据时间间隔信息产生定时脉冲，并且根据水平工作状态产生水平像移补偿所需触发信号及时序切换信号；所述水平方向像移时序产生模块根据定时脉冲产生水平方向像移补偿驱动时序，将时序输入至水平驱动电路，水平驱动电路对水平驱动信号进行放大，驱动电荷在水平方向进行转移，补偿像移在像面水平转移方向的分量。

所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器用于对航空相机多自由度像移进行补偿。如图3所示，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器具有以行和列排列的像素，所有像素在行和列方向以相同或者不同的速率传送像素信息，驱动电路可在行和列的方向控制电荷沿着行和列方向分别驱动电荷进行电荷转移。

需要说明的是，曝光时候，包含景物信息的电荷被采集到阵列的像素上，首先根据每个列的速度将电荷从在列方向一个像素移动到另一个像素上，列方向移动完毕，再根据每行的速度将电荷在行方向从一个像素移动到另一个像素上。曝光结束后，将包含景物信息的电荷顺序从阵列读出到寄存器，读取的图像信号由寄存器送至前端信号处理电路，当图像信号读出结束后，阵列便可以进行下一次曝光。因为飞机运动产生的像移在像面沿水平及垂直方向可以进行分解，如果电荷在驱动时钟驱动下在行和列方向与水平及垂直方向像移同步，可补偿水平方向及垂直方向的像移分量，因此便可以消除飞机多自由度运动如横滚、俯仰、偏航所产生的像移。

所述前端信号处理电路将所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器输出的模拟信号进行相关双采样、可控增益放大、暗电平箝位补偿和模数转换；所述接口电路为Cameralink接口，所述接口电路负责将模数转换器产生的数字图像信号从相机输出，并提供与上位机进行通信的接口。

所述相机控制器可选用单片机STM32F103ZET6开发，多自由度像移补偿时序发生器可利用FPGA开发板ZYNQ7000开发，水平驱动电路利用专用芯片74ACT04开发，垂直驱动电路利用专用芯片TDA9991开发，前端信号处理电路利用TDA9965开发，接口电路利用专用芯片DS90CR287开发。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，其特征在于，包括：相机控制器、多自由度像移补偿时序发生器、垂直驱动电路、支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器、水平驱动电路、前端信号处理电路、接口电路，所述相机控制器与所述多自由度像移补偿时序发生器连接，所述多自由度像移补偿时序发生器分别与所述垂直驱动电路、所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器和所述水平驱动电路连接，所述垂直驱动电路和所述水平驱动电路还与所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器连接，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器与所述前端信号处理电路连接，所述前端信号处理电路与所述接口电路连接。

2.根据权利要求1所述的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，其特征在于，所述多自由度像移补偿时序发生器包括：主时序发生器、垂直电荷转移总线接口模块、垂直方向像移补偿定时控制模块、垂直方向像移时序产生模块、水平电荷转移总线接口模块、水平方向像移补偿定时控制模块、水平方向像移时序产生模块；

所述相机控制器与所述垂直电荷转移总线接口模块、所述水平电荷转移总线接口模块、所述主时序产生模块连接，所述水平电荷转移总线接口模块与水平方向像移补偿定时控制模块连接，所述水平方向像移补偿定时控制模块与所述水平方向像移时序产生模块连接，所述垂直电荷转移总线接口模块与所述垂直方向像移补偿定时控制模块连接，所述垂直方向像移补偿定时控制模块与所述垂直方向像移时序产生模块连接，所述垂直方向像移时序产生模块与所述垂直驱动电路连接，所述水平方向像移时序产生模块与所述水平驱动相连接。

3.根据权利要求2所述的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，其特征在于，所述主时序产生模块用于产生航空相机不进行像移补偿时候所需水平驱动时序、垂直驱动时序；所述垂直电荷转移总线接口模块用于接收所述相机控制器传来的垂直方向像移补偿时间间隔信息；所述垂直方向像移补偿定时控制模块用于在曝光期间根据时间间隔信息产生定时脉冲，并且根据垂直工作状态产生垂直像移补偿所需触发信号及时序切换信号；所述垂直方向像移时序产生模块根据定时脉冲产生垂直方向像移补偿驱动时序；所述水平电荷转移总线接口模块用于接收所述相机控制器传来的水平方向像移补偿时间间隔信息；所述水平方向像移补偿定时控制模块用于在曝光期间根据时间间隔信息产生定时脉冲，并且根据水平工作状态产生水平像移补偿所需触发信号及时序切换信号；所述水平方向像移时序产生模块根据定时脉冲产生水平方向像移补偿驱动时序。

4.根据权利要求1所述的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，其特征在于，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器用于对航空相机多自由度像移进行补偿。

5.根据权利要求4所述的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，其特征在于，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器具有以行和列排列的像素，所有像素在行和列方向以相同或者不同的速率传送像素信息，驱动电路可在行和列的方向控制电荷沿着行和列方向分别驱动电荷进行电荷转移。

6.根据权利要求1所述的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，其特征在于，所述相机控制器根据接收到的飞机及探测器信息用于航空相机多自由度像移补偿的任务参数并将任务参数发送给所述多自由度像移补偿时序发生器。

7.根据权利要求1所述的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，其特征在于，所述前端信号处理电路将所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器输出的模拟信号进行相关双采样、可控增益放大、暗电平箝位补偿和模数转换；所述接口电路负责将模数转换器产生的数字图像信号从相机输出，并提供与上位机进行通信的接口。

8.根据权利要求1所述的支持多自由度像移补偿功能的驱动电路，其特征在于，所述相机控制器利用单片机开发，所述多自由度像移补偿时序发生器利用FPGA开发，所述支持二维方向电荷转移面阵CCD探测器为定制化探测器，所述垂直驱动电路、所述水平驱动电路利用专用芯片开发，所述前端信号处理电路利用专用芯片开发，所述接口电路利用专用芯片开发。

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