專利名稱：線陣ccd光積分時間自適應(yīng)控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對線陣CCD光積分時間進(jìn)行自適應(yīng)控制的方法及裝置。
背景技術(shù)：
CCD在非接觸測量、圖像傳感及儲存等方面應(yīng)用廣泛。線陣CCD具有像元數(shù)多、像元尺寸小、速度快、拼接技術(shù)成熟、測量精度高、價格低等特點。如日本東芝公司生產(chǎn)的TCD1500C，有效像元數(shù)為5340，像元尺寸7μm×7μm，最大工作頻率20MHz。由于上述特點，線陣CCD很容易實現(xiàn)一維尺寸的高精度測量和定位。
實際測量系統(tǒng)中，圖像的動態(tài)范圍與CCD動態(tài)范圍匹配與否將對系統(tǒng)的測量精度產(chǎn)生很大的影響。在光積分時間一定的條件下，若光照強度過強會導(dǎo)致光敏單元積分電荷飽和溢出，進(jìn)而導(dǎo)致CCD輸出信號失真；若光照強度過小，將導(dǎo)致CCD輸出信號的信噪比較小，不利于有效信號的提取?，F(xiàn)有技術(shù)雖然對這一問題在一定程度上有所解決，但均存在自身的不足。在動態(tài)、實時測量中，由于目標(biāo)或背景的發(fā)光強度隨機變化且往往無法加以有效控制，同時允許測量的時間較短，因而現(xiàn)有技術(shù)難以適應(yīng)動態(tài)、實時測量的要求。同時，當(dāng)系統(tǒng)要求CCD的輸出信號較好的反映原始圖像信息時，現(xiàn)有技術(shù)也難以滿足要求。
在申請?zhí)枮?1116570.7，發(fā)明人為鄧中翰等人的專利中公開了一種在光積分時間一定的曝光周期內(nèi)對每一個像元進(jìn)行多次采樣，以判斷該像元的飽和度。一旦判定該像元的輸出信號已達(dá)到最佳飽和上限，則存儲此時的信號值，來自該像元的后繼數(shù)字圖象信號就不在進(jìn)行記錄。該發(fā)明雖然在一定程度上實現(xiàn)了光積分時間的調(diào)節(jié)，但是也存在許多明顯的不足，具體如下1該發(fā)明由于采用的是在光積分時間一定的曝光周期內(nèi)對像元輸出信號進(jìn)行多次采樣的調(diào)節(jié)方式，因而光積分時間調(diào)節(jié)范圍有限，最大不超過該曝光周期給定的光積分時間。這一給定的光積分時間是不可隨目標(biāo)或環(huán)境發(fā)光強度的變化而自動加以控制的，因而當(dāng)圖像動態(tài)范圍較大時該發(fā)明將不再適用；2該發(fā)明由于曝光周期的光積分時間一定，因而只能對一個曝光周期內(nèi)曝光過度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，而對曝光不足則不起作用；3該發(fā)明要對每一像元或每一個區(qū)域都進(jìn)行飽和度判斷，鎖存最佳曝光時的信號，將每一像元的輸出幅值均控制在臨近飽和的水平。由于同一CCD中每一個像元的飽和值相同，因而該方法易導(dǎo)致CCD輸出信號嚴(yán)重的失真，無法反映原始圖像的信息；4該發(fā)明由于要對每一個像元進(jìn)行飽和度判斷，這必將導(dǎo)致硬件電路復(fù)雜，且對硬件處理速度有較高的要求。授予Degi等人的美國專利第5,479,207號公開了一種通過插入轉(zhuǎn)移脈沖個數(shù)來控制線陣CCD光積分時間的方法，但是該發(fā)明并未涉及如何根據(jù)目標(biāo)及背景發(fā)光強度的變化對光積分時間進(jìn)行自動、快速的調(diào)節(jié)。該發(fā)明是通過對一預(yù)先選定的參照目標(biāo)進(jìn)行曝光，手動調(diào)節(jié)光積分時間直到輸出信號的幅值達(dá)到預(yù)期的要求，此時的光積分時間既為系統(tǒng)光積分時間的標(biāo)定值，系統(tǒng)在此后的工作過程中該標(biāo)定值保持不變。該發(fā)明存在以下弊端1)光積分時間在系統(tǒng)正常工作前根據(jù)參照目標(biāo)的光照強度預(yù)先標(biāo)定，并在此后的工作過程中光積分時間保持不變，因而該系統(tǒng)在工作過程中不能根據(jù)目標(biāo)或背景發(fā)光照強度的改變自動調(diào)節(jié)光積分時間；2)預(yù)先標(biāo)定光積分時間必將延緩系統(tǒng)的反應(yīng)速度，使系統(tǒng)不能滿足實時測量的要求；3)用于光積分時間標(biāo)定的目標(biāo)發(fā)光強度應(yīng)當(dāng)與實際測量目標(biāo)相匹配，否則所設(shè)定的曝光時間將不準(zhǔn)確，不能達(dá)到優(yōu)化CCD輸出信號的目的。因而當(dāng)目標(biāo)發(fā)光強度隨機變化時，將無法選定合適發(fā)光強度的參照目標(biāo)進(jìn)行光積分時間的標(biāo)定，從而無法達(dá)到預(yù)期的目的。
申請?zhí)枮?0106442.8，發(fā)明人為陳琰成的專利中公開了一種通過控制電源對照明裝置的供電時間來控制光敏單元光積分時間的方法。該方法的局限性在于由于采用了控制目標(biāo)發(fā)光時間來控制光敏單元的光積分時間的方法，因而當(dāng)測量對象的發(fā)光時間無法控制時，則不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了背景技術(shù)在動態(tài)、實時測量中，當(dāng)目標(biāo)或背景的發(fā)光強度隨機變化、且無法加以有效控制，同時允許測量時間較短時將不再適用的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是其特殊之處在于上述一種線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于該方法包括1]根據(jù)線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)，估算出線陣CCD所對應(yīng)的光積分時間；2]利用估算出的光積分時間，控制線陣CCD驅(qū)動時序發(fā)生器，產(chǎn)生線陣CCD正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列，所述的驅(qū)動脈沖序列包括積分脈沖序列、轉(zhuǎn)移脈沖序列及復(fù)位脈沖序列；3]線陣CCD在驅(qū)動脈沖序列驅(qū)動下輸出光積分時間經(jīng)過調(diào)節(jié)的信號，將該信號經(jīng)預(yù)處理后，通過計算再次提取線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)；4]將所提取的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超出閾值范圍時，經(jīng)1]、2]、3]對光積分時間再次進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到參數(shù)值落入預(yù)先設(shè)定的閾值范圍；5]光積分時間的自動調(diào)節(jié)完成。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的光積分時間的估算是通過A/D轉(zhuǎn)換單元及一片復(fù)雜可編程邏輯器件器件(CPLD)實現(xiàn)；所述的控制線陣CCD驅(qū)動時序發(fā)生器是通過一片復(fù)雜可編程邏輯器件器件(CPLD)中實現(xiàn)。
3根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的產(chǎn)生線陣CCD正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列由CCD所需的各路信號均通過在光積分時間控制下對輸入時鐘進(jìn)行計數(shù)、分頻產(chǎn)生；所述的計數(shù)、分頻采用一個主計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器的值到達(dá)光積分時間指定值后，一幀結(jié)束，將各路信號復(fù)位，并接收新的積分時間，開始新的一幀信號的產(chǎn)生。
4根據(jù)權(quán)利要求3所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)為CCD輸出信號的幅值、或與該幅值所對應(yīng)的光積分時間、或CCD輸出信號二值化后獲得的方波信號寬度。
5根據(jù)權(quán)利要求4所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的CCD輸出信號二值化是將CCD輸出信號[101、102、103]與閾值電平[104]比較；所述線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)的計算由處理器完成，該處理器為微機、單片機、DSP或CPLD器件。
6根據(jù)權(quán)利要求4所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述提取線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)是利用當(dāng)閾值電平104一定時、在不同的光積分時間下，CCD輸出信號經(jīng)過二值化處理后所獲得的方波將對應(yīng)不同的寬度，積分時間長則寬度寬，積分時間短則寬度窄特性，根據(jù)已知的方波寬度值及其所對應(yīng)光積分時間，估算出使方波寬度值達(dá)到預(yù)期范圍所對應(yīng)的光積分時間。
7根據(jù)權(quán)利要求6所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述將所提取的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)是方波的寬度，將該方波的寬度與預(yù)先設(shè)定的寬度閾值比較1]當(dāng)方波寬度小于閾值下限108時(如方波105)，給定步長，按給定的步長增加光積分時間；2]當(dāng)輸出信號對應(yīng)的方波寬度大于上限寬度109時(如方波107)，則按給定步長減小光積分時間；3]直到當(dāng)輸出信號對應(yīng)的方波寬度介于上、下限寬度109、108之間時(如方波106)，光積分時間不變。
8根據(jù)權(quán)利要求7所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述方波的寬度是由單片機403從數(shù)據(jù)鎖存器402中提??；所述的方波寬度小于閾值下限108時(如方波105)，按給定的步長增加光積分時間，是通過單片機403將該寬度值與預(yù)先設(shè)置的門限寬度下限進(jìn)行比較后，通過查表計算，按一定的步長增加積分時間并送數(shù)據(jù)鎖存器402存儲；所述的方波寬度大于閾值上限109時(如方波105)，按給定的步長減小光積分時間，是通過單片機403將該寬度值與預(yù)先設(shè)置的門限寬度上限進(jìn)行比較后，通過查表計算，按一定的步長減小光積分時間并送數(shù)據(jù)鎖存器402存儲；所述的輸出信號對應(yīng)的方波寬度介于上、下限寬度109、108之間時(如方波106)，光積分時間不變，是通過單片機403將該寬度值與預(yù)先設(shè)置的門限寬度上限進(jìn)行比較后確定，并經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存器402輸出。
9根據(jù)權(quán)利要求6所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述將所提取的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較包括1]對系統(tǒng)預(yù)置初始光積分時間，使CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704產(chǎn)生線陣CCD芯片201正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列，開始正常工作；2]光積分時間計算單元702順序讀取經(jīng)過信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701預(yù)先處理并數(shù)字化后的信號705；3]光積分時間計算單元702對步驟902中順序讀取的數(shù)字信號進(jìn)行判斷。一旦發(fā)現(xiàn)某一像元的輸出信號幅值大于預(yù)先設(shè)定的閾值上限，則停止步驟903進(jìn)行步驟904。如果CCD一幀的輸出信號幅值全部低于閾值下限，則鎖存本幀輸出信號的最大幅值進(jìn)入步驟905；4]將系統(tǒng)光積分時間設(shè)置為最小，使CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704產(chǎn)生具有新的光積分時間的CCD驅(qū)動脈沖序列，線陣CCD芯片201在該驅(qū)動脈沖序列的作用下輸出新的信號；5]積分時間計算單元702對步驟903中鎖存的最大幅度值與預(yù)先設(shè)定的閾值下限進(jìn)行比較，當(dāng)上述最大幅值大于閾值下限時，則表明積分時間合適不必調(diào)節(jié)，進(jìn)入步驟907，否則，進(jìn)入步驟906；6]進(jìn)行光積分時間計算；7]至光積分時間不變，保持光積分時間；
8]將新的光積分時間回送到CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704，產(chǎn)生具有新的光積分時間的線陣CCD驅(qū)動脈沖序列，驅(qū)動線陣CCD芯片201開始一個新的光積分周期。
10一種實現(xiàn)上述線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法的裝置，其特征在于它包括CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204，所述CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204的輸出端接線陣CCD芯片20 1的輸入端；所述線陣CCD芯片201的輸出端接CCD輸出信號預(yù)處理單元202的輸入端；所述CCD輸出信號預(yù)處理單元202的輸出端接光積分時間計算單元203的輸入端；所述光積分時間計算單元203的輸出端接CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204的輸入端。
11根據(jù)權(quán)利要求10所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制裝置，其特征在于所述的CCD輸出信號預(yù)處理單元包括[202內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖]采樣保持器301、低通濾波器302、運算放大器303、比較器304，閾值電平調(diào)節(jié)單元305。
12根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制裝置，其特征在于所述的光積分時間計算單元包括[203的內(nèi)部結(jié)構(gòu)]計數(shù)單元401接于單片機403的I/O端，數(shù)據(jù)鎖存器402接于單片機403的I/O端；計數(shù)單元401計數(shù)輸出端接數(shù)據(jù)鎖存器402數(shù)據(jù)輸入端；13根據(jù)權(quán)利要求11所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制裝置，其特征在于所述的A/D轉(zhuǎn)換單元包括所述的CCD輸出信號預(yù)處理單元202為CCD信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701；所述的光積分時間計算單元203為光積分時間計算模塊702；所述的CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204為CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704；信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元控制信號發(fā)生器703所產(chǎn)生的控制信號707的作用下，對信號806進(jìn)行相關(guān)雙采樣、A/D變換等處理。相關(guān)雙采樣模塊803對輸入信號806進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理獲得噪聲得到進(jìn)一步抑制的信號807；信號807經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊804變換為數(shù)字信號705輸出。在本實施例中采用TI公司生產(chǎn)的單片集成的CCD前端信號預(yù)處理芯片TLC8188完成相關(guān)雙采樣和A/D轉(zhuǎn)換處理。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明給出了一種全新的光積分時間自動調(diào)節(jié)方法。該方法可使線陣CCD光積分時間隨環(huán)境及目標(biāo)發(fā)光強度的變化而自動得以調(diào)節(jié)，從而使線陣CCD測量系統(tǒng)在動態(tài)、實時測量中當(dāng)目標(biāo)或背景的發(fā)光強度無法加以有效控制的條件下使其輸出信號得以優(yōu)化。
1本發(fā)明利用“線陣CCD光積分時間與線陣CCD輸出信號幅值在一定范圍內(nèi)成正比”這一關(guān)系，通過控制線陣CCD的光積分時間來對線陣CCD輸出信號加以優(yōu)化，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)在目標(biāo)及背景發(fā)光強度不可控的條件下不能有效工作的缺陷；2本發(fā)明根據(jù)目標(biāo)及背景發(fā)光強度的變化，通過一定的算法實時的計算出合適的光積分時間，并利用新的光積分時間對系統(tǒng)加以控制，從而可以使系統(tǒng)能自動地快速適應(yīng)環(huán)境以及目標(biāo)的變化，克服了現(xiàn)有技術(shù)無法適應(yīng)快速實時測量的要求；3本發(fā)明對各像元所對應(yīng)的輸出信號幅值均按同一比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而即保證輸出的圖像信號有較高的信噪比又保證圖像不失真，克服了現(xiàn)有技術(shù)可能會導(dǎo)致圖像失真的缺陷；4本發(fā)明可根據(jù)測量要求對光積分時間進(jìn)行大范圍的自動調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)能夠適應(yīng)目標(biāo)及背景發(fā)光強度大范圍的變化，克服了現(xiàn)有技術(shù)光積分時間調(diào)節(jié)范圍小的缺點。
綜上所述，本發(fā)明可以使線陣CCD測量系統(tǒng)在動態(tài)、實時測量中，當(dāng)目標(biāo)及背景發(fā)光強度隨機大范圍變化且無法加以有效控制、同時允許測量時間較短時，仍可確保能進(jìn)行高速、準(zhǔn)確測量。


圖1為本發(fā)明實施例一中的光積分時間調(diào)節(jié)原理圖；圖2為本發(fā)明第一實施例的系統(tǒng)組成方框示意圖；圖3為本發(fā)明第一實施例中CCD輸出信號預(yù)處理單元202內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明第一實施例中光積分時間計算單元203內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖5為線陣CCD芯片201正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列圖；
圖6為本發(fā)明第一實施例中的光積分時間自動調(diào)節(jié)流程圖；圖7為本發(fā)明第二實施例的系統(tǒng)組成方框示意圖；圖8為本發(fā)明實施例二中CCD輸出信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖9為本發(fā)明第二實施例中的光積分時間自動控制流程圖；圖10(a)為線陣CCD未經(jīng)光積分時間調(diào)節(jié)、過度曝光時的輸出的圖像；圖10(b)為線陣CCD未經(jīng)光積分時間調(diào)節(jié)、曝光不足時的輸出圖像；圖10(c)為線陣CCD經(jīng)過光積分時間調(diào)節(jié)后的輸出圖像。
具體實施例方式
本發(fā)明利用光照強度一定時，線陣CCD輸出信號的幅值與光積分時間在一定范圍內(nèi)成正比這一關(guān)系，根據(jù)CCD輸出信號的幅值或與幅值直接相關(guān)的參數(shù)及其所對應(yīng)的光積分時間，如對CCD輸出信號二值化后獲得的方波信號的寬度等，估算出所期望的線陣CCD輸出信號參數(shù)值所對應(yīng)的光積分時間。利用估算出的新的光積分時間控制線陣CCD驅(qū)動時序發(fā)生器產(chǎn)生線陣CCD正常工作所需的積分脈沖序列、轉(zhuǎn)移脈沖序列、復(fù)位脈沖序列。線陣CCD在上述驅(qū)動脈沖序列控制下輸出光積分時間經(jīng)過調(diào)節(jié)的信號，將新輸出的信號進(jìn)行預(yù)處理后通過一定的算法再次提取上述參數(shù)值。將所提取的參數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超出閾值范圍時，則需對光積分時間再次進(jìn)行上述調(diào)節(jié)，直到上述參數(shù)值落入閾值范圍內(nèi)。通過上述方法可實現(xiàn)根據(jù)目標(biāo)或背景發(fā)光強度的變化自動調(diào)節(jié)光積分時間。光積分時間的計算由處理器完成，該處理器器可以是微機、單片機、DSP，也可以通過對CPLD器件編程獲得。
圖1是本發(fā)明實施例一的光積分時間自適應(yīng)控制原理圖。當(dāng)目標(biāo)光照強度一定時，線陣CCD輸出信號幅值在一定范圍內(nèi)與光積分時間成正比。系統(tǒng)以這一特性作為線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制的理論依據(jù)。線陣CCD的輸出信號101、102、103所對應(yīng)的光積分時間依次減小。通過與閾值電平104比較對線陣CCD輸出信號101、102、103進(jìn)行二值化處理，經(jīng)二值化處理后其對應(yīng)的波形分別為107、106、105。當(dāng)閾值電平104一定時、在不同的光積分時間下，CCD輸出信號經(jīng)過二值化處理后所獲得的方波將對應(yīng)不同的寬度，積分時間長則寬度寬，反之亦然。利用上述光積分時間、線陣CCD輸出信號幅值以及二值化后其對應(yīng)的方波寬度間的關(guān)系，可根據(jù)已知的方波寬度值及其所對應(yīng)光積分時間估算出要使方波寬度值達(dá)到預(yù)期范圍所對應(yīng)的光積分時間，從而實現(xiàn)對光積分時間的自適應(yīng)控制。具體實現(xiàn)方法為系統(tǒng)啟動時線陣CCD在具有預(yù)置光積分時間的驅(qū)動脈沖序列的作用下開始工作，將線陣CCD的輸出信號進(jìn)行二值化處理，獲得具有一定寬度的方波信號。將該方波的寬度與預(yù)先設(shè)定的寬度閾值比較，當(dāng)方波寬度小于閾值下限108時(如方波105)，則按一定的步長增加光積分時間；當(dāng)輸出信號對應(yīng)的方波寬度大于上限寬度109時(如方波107)，則按一定的步長減小光積分時間；當(dāng)輸出信號對應(yīng)的方波寬度介于上、下限寬度109、108之間時(如方波106)，光積分時間不變。將新的光積分時間送入線陣CCD驅(qū)動時序發(fā)生器，線陣CCD在具有新的光積分時間的驅(qū)動脈沖序列的作用下輸出新的信號，對新的輸出信號再做上述處理直到將方波寬度控制在閾值范圍內(nèi)，從而使線陣CCD光積分時間得以自適應(yīng)控制。
圖2為本發(fā)明實施例一的系統(tǒng)組成方框示意圖。線陣CCD芯片201在CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204所產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖序列信號208的作用下將圖像信號轉(zhuǎn)換為電信號205輸出，見圖5；信號205進(jìn)入CCD輸出信號預(yù)處理單元202，經(jīng)過采樣保持、降噪、放大、二值化處理后獲得信噪比滿足光積分時間計算單元203要求的方波信號206；光積分時間計算單元203對輸入方波信號206的寬度進(jìn)行判斷，若方波寬度超出預(yù)先設(shè)定的閾值范圍，則光積分時間計算單元203利用查表算法按照一定的步長改變光積分時間并以信號207輸出；CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204在光積分時間信號207的控制下產(chǎn)生CCD芯片201正常工作所需的各驅(qū)動信號208驅(qū)動CCD芯片201工作，直至CCD芯片201的輸出信號滿足設(shè)計要求。
圖3為CCD輸出信號預(yù)處理單元202內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。線陣CCD芯片201的輸出信號205依次進(jìn)入由采樣保持器301、低通濾波器302、運算放大器303所構(gòu)成的模擬信號預(yù)處理單元，經(jīng)過采樣保持、降噪、放大處理后，獲得信噪比得以提高的模擬信號307，信號307送入比較器304，與通過閾值電平調(diào)節(jié)單元305設(shè)置的比較電平309進(jìn)行比較，對線陣CCD輸出的模擬信號進(jìn)行如圖1所示的二值化處理。經(jīng)過二值化處理后，CCD輸出的模擬信號205轉(zhuǎn)變成具有一定寬度值的方波信號206從本單元輸出并進(jìn)入光積分時間計算單元203。
圖4為光積分時間計算單元203的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。CCD輸出信號預(yù)處理單元202的輸出信號206進(jìn)入計數(shù)單元401，該單元在單片機403發(fā)出的控制信號408的控制下對輸入的方波信號206進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)方波信號的上升沿到來時啟動計數(shù)器，當(dāng)方波信號的下降沿到來時停止計數(shù)，此時的計數(shù)值即位方波寬度值。計數(shù)結(jié)束后，單片機403經(jīng)由信號407控制數(shù)據(jù)鎖存器402鎖存計數(shù)單元401輸出的方波寬度值信號405；同時單片機經(jīng)信號407提取數(shù)據(jù)鎖存器402中鎖存的方波信號寬度值，并通過查表計算出新的光積分時間。新的光積分時間經(jīng)由信號207進(jìn)入CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204，在其控制下產(chǎn)生線陣CCD芯片201正常工作所需的驅(qū)動信號208，如圖5所示。
圖5為線陣CCD芯片201正常工作所需的各驅(qū)動脈沖的波形及相互間的關(guān)系。其中ΦSH為光積分脈沖序列501，用以控制光積分時間的長短；Φ1為轉(zhuǎn)移脈沖序列502，用以將積分電荷從移位寄存器中串行移出；ΦRS為復(fù)位脈沖序列503，用以對線陣CCD芯片201的各光敏單元進(jìn)行復(fù)位。結(jié)合ΦSH、Φ1、ΦRS間的相位關(guān)系，通過ΦSH控制Φ1的產(chǎn)生即可實現(xiàn)光積分時間可控的CCD驅(qū)動脈沖序列。
光積分時間可控的線陣CCD驅(qū)動脈沖序列實現(xiàn)的具體方法為在光積分時間計算單元203提供的光積分時間207的控制下，CCD時序邏輯發(fā)生器204產(chǎn)生光積分脈沖序列501，同時光積分脈沖序列501控制轉(zhuǎn)移脈沖序列502的產(chǎn)生。當(dāng)光積分脈沖序列501為高電平時，轉(zhuǎn)移脈沖序列502停止工作并保持在高電平；當(dāng)光積分脈沖序列501的下降沿到來時，轉(zhuǎn)移脈沖序列502按給定的相位關(guān)系和頻率開始工作，直到光積分脈沖序列501上升沿到來時停止工作。復(fù)位脈沖序列503始終以相對轉(zhuǎn)移脈沖序列502固定的頻率和相位工作，不受光積分脈沖序列501的影響。通過上述方法可以實現(xiàn)積分時間可控的線陣CCD驅(qū)動脈沖序列。
圖6為本發(fā)明實施例一中的光積分時間自動調(diào)節(jié)流程圖。
步驟601單片機403提取數(shù)據(jù)鎖存器402鎖存的方波寬度值；步驟602單片機403將該寬度值與預(yù)先設(shè)置的門限寬度上限進(jìn)行比較。當(dāng)寬度大于閾值上限則執(zhí)行步驟603，否則執(zhí)行步驟604；步驟603單片機403通過查表計算，按一定的步長減小積分時間；步驟604單片機403將該寬度值與預(yù)先設(shè)置的門限寬度下限進(jìn)行比較。當(dāng)寬度小于閾值上限則執(zhí)行步驟605；否則執(zhí)行步驟606；步驟605單片機403通過查表計算，按一定的步長增加積分時間并送數(shù)據(jù)鎖存器402存儲；步驟606保持原有積分時間不變；步驟607單片機403控制數(shù)據(jù)鎖存器402輸出新的光積分時間207到CCD驅(qū)動時序邏輯發(fā)生器204中。
在新的光積分時間控制下，CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204產(chǎn)生新的CCD驅(qū)動脈沖序列驅(qū)動線陣CCD芯片201工作。對新的驅(qū)動脈沖序列控制下的CCD輸出信號再次進(jìn)行如上所述的各項處理，直到二值化后的方波信號寬度落入給定的閾值范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的實施例二是建立在光積分時間預(yù)測基礎(chǔ)上的光積分時間自適應(yīng)控制系統(tǒng)。如圖7所示，系統(tǒng)中的光積分時間計算單元702、CCD驅(qū)動時序發(fā)生器708、信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元控制信號發(fā)生器均在一片復(fù)雜可編程邏輯器件器件(CPLD)中實現(xiàn)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊、可靠性更高。本實施例中的系統(tǒng)具有高速并行數(shù)據(jù)處理能力、占用系統(tǒng)軟、硬件資源少，從而使系統(tǒng)能夠滿足動態(tài)、實時測量的要求。
實施例二中采用的光積分時間自適應(yīng)控制原理如下根據(jù)CCD光積分電荷公式QIP＝ηqΔneoATC(1)式中η為材料的量子效率；q為電子電荷量；Δneo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；TC為光積分時間。由(1)式可以看出，當(dāng)CCD確定以后，對于每一個像元，η、q及A均為常數(shù)，在光照條件不變的前提下，Δneo也為常數(shù)，故QIP與TC成線性關(guān)系；又因為QIP與CCD對應(yīng)像元的輸出幅值為線性關(guān)系，所以TC與輸出幅值亦為線形關(guān)系，即U∝TC(2)式中U為CCD輸出信號幅值。故在相同的光照條件下，下式成立U1U2=TC1TC2---(3)]]>式中TC1、TC2為光積分時間，U1、U2分別為TC1、TC2所對應(yīng)的信號輸出幅值。
由(3)式以及公式成立的前提條件可以得出以下結(jié)論在CCD的線性范圍內(nèi)，在光照條件不變的前提下，若已知當(dāng)前幀的光積分時間TC1及其對應(yīng)的輸出信號幅值U1，根據(jù)上式可求出要獲得期望的輸出信號幅值U2應(yīng)當(dāng)提供的光積分時間TC2TC2=U2U1TC1---(4)]]>當(dāng)CCD高速工作時，通常入射光強的變化速率相對CCD的工作頻率可視為較緩慢的連續(xù)變化，因而可以近似的認(rèn)為在高速工作的CCD一兩幀的時間范圍內(nèi)入射光強不改變，從而可以近似認(rèn)為在該時間段入射光的光子流速率Δneo為常數(shù)。因而在CCD高速工作、入射光強變化相對較慢的條件下(4)式成立，可以作為光積分時間自動調(diào)整算法的理論基礎(chǔ)。
圖7為本發(fā)明實施例二的系統(tǒng)組成方框示意圖。在本實施例中，線陣CCD芯片201在CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704所產(chǎn)生的CCD驅(qū)動脈沖序列信號208的作用下輸出圖像信號205。圖像信號205進(jìn)入CCD信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701(內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示)。圖像信號205在CCD輸出信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701內(nèi)部首先經(jīng)過低通濾波器801、運算放大器802的處理輸出信噪比得以提高的信號806。隨后在信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元控制信號發(fā)生器704所產(chǎn)生的控制信號707的作用下，對信號806進(jìn)行相關(guān)雙采樣、A/D變換等處理。相關(guān)雙采樣模塊803對輸入信號806進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理獲得噪聲得到進(jìn)一步抑制的信號807；信號807經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊804變換為數(shù)字信號705輸出。在本實施例中采用TI公司生產(chǎn)的單片集成的CCD前端信號預(yù)處理芯片TLC8188完成相關(guān)雙采樣和A/D轉(zhuǎn)換處理。
信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701輸出的數(shù)字信號705進(jìn)入光積分時間計算模塊702，在該模塊中結(jié)合經(jīng)由信號706從CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704中提取的原有光積分時間，完成圖9所示的光積分時間自動控制流程，計算出新的光積分時間。計算獲得的新的光積時間經(jīng)由信號706送入CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704，產(chǎn)生線陣CCD芯片201正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列208，以及信號預(yù)處理單元控制信號發(fā)生器703所需的相關(guān)信號708。在信號708的作用下，信號預(yù)處理單元控制信號發(fā)生器703產(chǎn)生信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701所需的控制信號707。線陣CCD芯片201在新的驅(qū)動脈沖序列208的作用下開始一個新的曝光周期。
本實施例中光積分時間可控的CCD驅(qū)動脈沖序列實現(xiàn)的方法為CCD所需的各路信號均通過在光積分時間控制下對輸入時鐘進(jìn)行計數(shù)、分頻等手段產(chǎn)生。系統(tǒng)采用一個主計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器的值到達(dá)光積分時間指定值后，一幀結(jié)束，系統(tǒng)將各路信號復(fù)位，并接收新的積分時間，開始新的一幀信號的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)CCD驅(qū)動信號的光積分時間的智能控制，所產(chǎn)生的CCD驅(qū)動脈沖序列如圖5所示。詳細(xì)方法見授予Degi等人的第5,479,207號美國專利。
圖9為本發(fā)明實施例二光積分時間自動控制流程圖。
步驟901對系統(tǒng)預(yù)置初始光積分時間，使CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704產(chǎn)生線陣CCD芯片201正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列，使其開始正常工作；步驟902光積分時間計算單元702順序讀取經(jīng)過信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701預(yù)先處理并數(shù)字化后的信號705；步驟903光積分時間計算單元702對步驟902中順序讀取的數(shù)字信號進(jìn)行判斷。一旦發(fā)現(xiàn)某一像元的輸出信號幅值大于預(yù)先設(shè)定的閾值上限，則停止步驟903進(jìn)行步驟904。如果CCD一幀的輸出信號幅值全部低于閾值下限，則鎖存本幀輸出信號的最大幅值進(jìn)入步驟905；步驟904將系統(tǒng)光積分時間設(shè)置為最小，使CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704產(chǎn)生具有新的光積分時間的CCD驅(qū)動脈沖序列，線陣CCD芯片201在該驅(qū)動脈沖序列的作用下輸出新的信號；步驟905積分時間計算單元702對步驟903中鎖存的最大幅度值與預(yù)先設(shè)定的閾值下限進(jìn)行比較，當(dāng)上述最大幅值大于閾值下限時，則表明積分時間合適不必調(diào)節(jié)，進(jìn)入步驟907，否則表明輸出信號幅值過小，信噪比小，故進(jìn)入步驟906；步驟906完成式(4)所表示的光積分時間作為新的光積分時間；步驟907光積分時間不變，保持原有光積分時間。
最后將新的光積分時間回送到CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704，產(chǎn)生具有新的光積分時間的線陣CCD驅(qū)動脈沖序列，驅(qū)動線陣CCD芯片201開始一個新的光積分周期。
根據(jù)此流程，在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，最多只需要兩幀的時間，即可將輸出信號調(diào)節(jié)到較為理想的范圍之內(nèi)。從而克服了常規(guī)控制方法中，由于缺乏對光積分時間的預(yù)測，而導(dǎo)致的可能出現(xiàn)的多次反復(fù)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度慢的缺點。通過該流程可以明顯的縮短系統(tǒng)對光照強度改變的響應(yīng)時間，增強了系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力。同時該流程是通過對CPLD編程，完全有硬件實現(xiàn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度明顯高于單片機等微處理器。
經(jīng)該實施例1、實施例2所述的光積分時間自適應(yīng)控制系統(tǒng)處理前、后的CCD輸出信號波形可由示波器直接觀察，具體波形如圖10所示其中圖10(a)為線陣CCD未經(jīng)光積分時間調(diào)節(jié)時過度曝光時的輸出的圖像；圖10(b)為線陣CCD未經(jīng)光積分時間調(diào)節(jié)時曝光不足時的輸出圖像；圖10(c)為圖10(a)、圖10(b)所示的情形經(jīng)過線陣CCD光積分時間調(diào)節(jié)后的輸出圖像。
權(quán)利要求
1一種線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于該方法包括1)根據(jù)線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)，估算出線陣CCD所對應(yīng)的光積分時間；2)利用估算出的光積分時間，控制線陣CCD驅(qū)動時序發(fā)生器，產(chǎn)生線陣CCD正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列，所述的驅(qū)動脈沖序列包括積分脈沖序列、轉(zhuǎn)移脈沖序列及復(fù)位脈沖序列；3)線陣CCD在驅(qū)動脈沖序列驅(qū)動下輸出光積分時間經(jīng)過調(diào)節(jié)的信號，將該信號經(jīng)預(yù)處理后，通過計算再次提取線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)；4)將所提取的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超出閾值范圍時，經(jīng)1)、2)、3)對光積分時間再次進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到參數(shù)值落入預(yù)先設(shè)定的閾值范圍；5)光積分時間的自動調(diào)節(jié)完成。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述光積分時間的估算是通過A/D轉(zhuǎn)換單元及一片復(fù)雜可編程邏輯器件器件實現(xiàn)；所述的控制線陣CCD驅(qū)動時序發(fā)生器是通過一片復(fù)雜可編程邏輯器件器件中實現(xiàn)。
3根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的產(chǎn)生線陣CCD正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列由CCD所需的各路信號均通過在光積分時間控制下對輸入時鐘進(jìn)行計數(shù)、分頻產(chǎn)生；所述的計數(shù)、分頻采用一個主計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器的值到達(dá)光積分時間指定值后，一幀結(jié)束，將各路信號復(fù)位，并接收新的積分時間，開始新的一幀信號的產(chǎn)生。
4根據(jù)權(quán)利要求3所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)為CCD輸出信號的幅值、或與該幅值所對應(yīng)的光積分時間、或CCD輸出信號二值化后獲得的方波信號寬度。
5根據(jù)權(quán)利要求4所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的CCD輸出信號二值化是將CCD輸出信號與閾值電平比較；所述線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)的計算由處理器完成，該處理器為微機、單片機、DSP或CPLD器件。
6根據(jù)權(quán)利要求4所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述提取線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)是利用當(dāng)閾值電平一定時、在不同的光積分時間下，CCD輸出信號經(jīng)過二值化處理后所獲得的方波將對應(yīng)不同的寬度，積分時間長則寬度寬，積分時間短則寬度窄特性，根據(jù)已知的方波寬度值及其所對應(yīng)光積分時間，估算出使方波寬度值達(dá)到預(yù)期范圍所對應(yīng)的光積分時間。
7根據(jù)權(quán)利要求4所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述將所提取的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較時，所述的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)采用方波的寬度，是將該方波的寬度與預(yù)先設(shè)定的寬度閾值比較1)當(dāng)方波寬度小于閾值下限時，給定步長，按給定的步長增加光積分時間；2)當(dāng)輸出信號對應(yīng)的方波寬度大于上限寬度時，則按給定步長減小光積分時間；3)直到當(dāng)輸出信號對應(yīng)的方波寬度介于上、下限寬度之間時，光積分時間不變。
8根據(jù)權(quán)利要求7所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述方波的寬度是由單片機從數(shù)據(jù)鎖存器中提?。凰龅姆讲▽挾刃∮陂撝迪孪迺r，按給定的步長增加光積分時間，是通過單片機將該寬度值與預(yù)先設(shè)置的門限寬度下限進(jìn)行比較后，通過查表計算，按一定的步長增加積分時間并送數(shù)據(jù)鎖存器存儲；所述的方波寬度大于閾值上限時，按給定的步長減小光積分時間，是通過單片機將該寬度值與預(yù)先設(shè)置的門限寬度上限進(jìn)行比較后，通過查表計算，按一定的步長減小光積分時間并送數(shù)據(jù)鎖存器存儲；所述的輸出信號對應(yīng)的方波寬度介于上、下限寬度之間時，光積分時間不變，是通過單片機將該寬度值與預(yù)先設(shè)置的門限寬度上限進(jìn)行比較后確定，并經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存器輸出。
9根據(jù)權(quán)利要求6所述的線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述將所提取的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較包括1)對系統(tǒng)預(yù)置初始光積分時間，使CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704產(chǎn)生線陣CCD芯201片正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列，開始正常工作；2)光積分時間計算單元702順序讀取經(jīng)過信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701預(yù)先處理并數(shù)字化后的信號705；3)光積分時間計算單元702對步驟902中順序讀取的數(shù)字信號進(jìn)行判斷；當(dāng)某一像元的輸出信號幅值大于預(yù)先設(shè)定的閾值上限，則停止步驟903，進(jìn)行步驟904；如果CCD一幀的輸出信號幅值全部低于閾值下限，則鎖存本幀輸出信號的最大幅值進(jìn)入步驟905；4)將系統(tǒng)光積分時間設(shè)置為最小，使CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704產(chǎn)生具有新的光積分時間的CCD驅(qū)動脈沖序列，線陣CCD芯片201在該驅(qū)動脈沖序列的作用下輸出新的信號；5)積分時間計算單元702對步驟903中鎖存的最大幅度值與預(yù)先設(shè)定的閾值下限進(jìn)行比較，當(dāng)上述最大幅值大于閾值下限時，則表明積分時間合適不必調(diào)節(jié)，進(jìn)入步驟907，否則，進(jìn)入步驟906；6)進(jìn)行光積分時間計算；7)至光積分時間不變，保持光積分時間；8)將新的光積分時間回送到CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704，產(chǎn)生具有新的光積分時間的線陣CCD驅(qū)動脈沖序列，驅(qū)動線陣CCD芯片201開始一個新的光積分周期。
10一種實現(xiàn)上述線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法的裝置，其特征在于它包括CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204，所述CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204的輸出端接線陣CCD芯片201的輸入端；所述線陣CCD芯片201的輸出端接CCD輸出信號預(yù)處理單元202的輸入端；所述CCD輸出信號預(yù)處理單元202的輸出端接光積分時間計算單元203的輸入端；所述光積分時間計算單元203的輸出端接CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204的輸入端。所述的CCD輸出信號預(yù)處理單元包括采樣保持器301；所述的CCD輸出信號預(yù)處理單元包括[202內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖]；采樣保持器301、低通濾波器302、運算放大器303、比較器304，閾值電平調(diào)節(jié)單元305；所述的光積分時間計算單元[203的內(nèi)部結(jié)構(gòu)]包括計數(shù)單元，所述的計數(shù)單元401和數(shù)據(jù)鎖存器均接于單片機403的I/O端；所述的計數(shù)單元401的計數(shù)輸出端接數(shù)據(jù)鎖存器402的數(shù)據(jù)輸入端。所述的A/D轉(zhuǎn)換單元包括CCD輸出信號預(yù)處理單元，所述的CCD輸出信號預(yù)處理單元202為CCD信號預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換單元701；所述的光積分時間計算單元203為光積分時間計算模塊702；所述的CCD驅(qū)動時序發(fā)生器204為CCD驅(qū)動時序發(fā)生器704。
全文摘要
一種線陣CCD光積分時間自適應(yīng)控制方法，包括1)根據(jù)線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)，估算出線陣CCD所對應(yīng)的光積分時間；2)利用估算出的光積分時間，控制線陣CCD驅(qū)動時序發(fā)生器，產(chǎn)生線陣CCD正常工作所需的驅(qū)動脈沖序列，所述的驅(qū)動脈沖序列包括積分脈沖序列、轉(zhuǎn)移脈沖序列及復(fù)位脈沖序列；3)線陣CCD在驅(qū)動脈沖序列驅(qū)動下輸出光積分時間經(jīng)過調(diào)節(jié)的信號，將該信號經(jīng)預(yù)處理后，通過計算再次提取線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)；4)將所提取的線陣CCD輸出信號的相關(guān)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超出閾值范圍時，經(jīng)1)、2)、3)對光積分時間再次進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到參數(shù)值落入預(yù)先設(shè)定的閾值范圍；5)光積分時間的自動調(diào)節(jié)完成。
文檔編號H04N5/335GK1635780SQ20031012475
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者胡曉東, 谷林 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所