本發(fā)明涉及一種高速低噪聲大面陣CCD成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)具有大動態(tài)范圍、高像元讀出速率、低噪聲等特點，尤其適用于需要長時間曝光積分的天文觀測成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

CCD探測器由于其具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、量子效率高以及讀出噪聲低等優(yōu)點，CCD成像系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種成像系統(tǒng)，尤其是需要科學(xué)級CCD的天文觀測領(lǐng)域。在天文實際應(yīng)用中，觀測時間長達(dá)1小時的曝光，為避免長時間積分暗電流隨著時間的累積致使象元飽和，CCD器件的工作溫度必須冷卻到-100℃左右，以有效抑制暗電流。根據(jù)所選擇的CCD芯片資料和相關(guān)實驗，表明-100℃左右時，暗電流較低，同時量子效率不會受到影響?？紤]到實際使用條件的限制，采取技術(shù)相對成熟的液氮制冷。

為避免杜瓦擋光，通常需設(shè)計獨立的相機(jī)頭來安裝CCD，相機(jī)頭內(nèi)部真空，成像球面鏡可兼作真空封窗，CCD底部通過冷指與杜瓦連接。傳統(tǒng)的基于杜瓦制冷的CCD成像系統(tǒng)如圖1所示，位于相機(jī)頭內(nèi)部的CCD通過密封的航空插頭以連線的方式和外部控制驅(qū)動電路相連接如圖2所示，這種電路連接方案雖然設(shè)計簡單，但沒有兼顧到CCD輸出電路和驅(qū)動電路的信號完整性設(shè)計，導(dǎo)致CCD像元驅(qū)動時鐘和象元讀出電路信號之間串?dāng)_，無法滿足高速低噪聲的天文觀測需求，尤其當(dāng)讀出頻率和讀出通道較多的情況下(如CCD四通道輸出)，這種方案只能滿足CCD讀出頻率較低的場合使用(象元頻率<200kHz)。

目前基于天文杜瓦制冷CCD成像系統(tǒng)的不足主要在于：

1)相機(jī)頭內(nèi)部CCD與外部CCD控制器通過連線的方式連接，導(dǎo)致CCD輸出象元信號與CCD驅(qū)動信號隨著頻率的提高會引起串?dāng)_；

2)CCD與外部電路通過直接相連，無跟隨緩沖電路，CCD容易受到靜電損害；

3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不緊湊，維護(hù)不易且可靠性不高。

隨著天文觀測需求的不斷提高，尤其是大面陣CCD場合，目前的象元讀出頻率已不能滿足要求，隨著CCD象元讀出頻率的提高，CCD的垂直轉(zhuǎn)移時鐘和水平移位讀出時鐘的頻率也會相應(yīng)的提高，為了避免高速時鐘信號和象元輸出信號之間干擾，必須嚴(yán)格按照信號完整性的設(shè)計要求，重新設(shè)計CCD頭部和杜瓦外部控制電路的連接方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種大面陣CCD成像系統(tǒng)，其信號完整性高，串?dāng)_低。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種高速低噪聲大面陣CCD成像系統(tǒng)，包括相機(jī)頭、CCD芯片和CCD控制器；其特別之處在于：

還包括設(shè)置于相機(jī)頭內(nèi)部的電路PCB板，所述CCD芯片焊接在該電路PCB板上；所述電路PCB板與CCD控制器連接；

所述CCD芯片上設(shè)置有CCD焦平面電路；

所述CCD控制器包括光纖數(shù)據(jù)接口電路、FPGA系統(tǒng)控制電路、CCD時序驅(qū)動電路、視頻信號處理電路和模擬量遙測電路；

所述光纖數(shù)據(jù)接口電路、視頻信號處理電路、模擬量遙測電路和FPGA系統(tǒng)控制單元連接，CCD焦平面電路的輸出端與視頻信號處理電路和模擬量遙測電路的輸入端連接，CCD焦平面電路的輸入端和CCD時序驅(qū)動電路的輸出端連接，CCD時序驅(qū)動電路的輸入端和FPGA系統(tǒng)控制單元的輸出端連接。

為了便于信號提取，上述的視頻信號處理電路包括依次連接的電壓跟隨電路、前置運放電路、濾波電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述CCD焦平面電路的輸出端與電壓跟隨電路的輸入端鏈接；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和FPGA系統(tǒng)控制單元連接。

為了防止CCD輸出的視頻信號受CCD驅(qū)動信號的串?dāng)_，在電路PCB板布線時，將CCD焦平面電路分為兩個不同信號層，兩個信號層中間插入地平面層。

上述FPGA系統(tǒng)控制電路包括FPGA芯片，所述FPGA芯片型號為XC4VLX60。

為了滿足大面陣CCD驅(qū)動引腳高速及大電容負(fù)載的驅(qū)動要求，上述CCD時序驅(qū)動電路采用EL71xx或EL72xx。

為了實現(xiàn)通過光纖接口發(fā)送CCD圖像數(shù)據(jù)，上述光纖數(shù)據(jù)接口電路包括轉(zhuǎn)化器和光纖模塊，所述轉(zhuǎn)化器的型號為TLK2501，所述光纖模塊的型號為AFBR-57R5APZ。

上述模擬量遙測電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的型號為LTC1598，該芯片具有8個模擬輸入通道，便于監(jiān)控多組信號。

還包括CCD控制箱和控制箱安裝座，所述控制箱安裝座設(shè)置于相機(jī)頭側(cè)面，所述CCD控制箱設(shè)置于控制箱安裝座上；所述CCD控制器位于CCD控制箱中。

為了實現(xiàn)電路板的真空氣密性，上述的電路PCB板內(nèi)側(cè)鍍金。

一種高速低噪聲大面陣CCD成像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟：

步驟一：FPGA系統(tǒng)控制電路通過光纖/USB接口轉(zhuǎn)換電路和光纖數(shù)據(jù)接口電路接收采集控制計算機(jī)發(fā)送的CCD成像系統(tǒng)的控制指令；并將該控制指令解析生產(chǎn)CCD驅(qū)動信號；

步驟二：CCD時序驅(qū)動電路接收FPGA系統(tǒng)控制電路發(fā)送的驅(qū)動信號，對該驅(qū)動信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換生成CCD驅(qū)動脈沖，將CCD驅(qū)動脈沖發(fā)送至CCD焦平面電路；

步驟三：CCD焦平面電路接收CCD時序驅(qū)動電路發(fā)送的CCD驅(qū)動脈沖進(jìn)行工作，產(chǎn)生CCD偏置電壓、工作溫度及視頻信號，并將工作溫度、視頻信號及偏置電壓緩存輸出；

步驟四：視頻信號處理電路中的電壓跟隨電路接收CCD焦平面電路發(fā)送的視頻信號，對該視頻信號進(jìn)行隔直后發(fā)送給前置運放電路，前置運放電路接收電壓跟隨電路發(fā)送的視頻信號，對該視頻進(jìn)行放大后發(fā)送至濾波電路，濾波電路接收前置運放電路發(fā)送的視頻信號，對該視頻信號進(jìn)行低通濾波后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送FPGA系統(tǒng)控制電路；

步驟五：模擬量遙測電路接收并監(jiān)測CCD焦平面電路發(fā)送的偏置電壓及工作溫度參數(shù)，將偏置電壓及工作溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送至FPGA系統(tǒng)控制電路；

步驟六：FPGA系統(tǒng)控制電路接收模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和模擬量遙測電路發(fā)送的數(shù)字信號，對這兩類數(shù)字信號整合為圖像數(shù)據(jù)，使其符合采集協(xié)議，然后將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖數(shù)據(jù)接口電路；

步驟七：光纖數(shù)據(jù)接口電路接收FPGA發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)的輸出格式，將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖/USB接口轉(zhuǎn)換電路；

步驟八：光纖/USB接口轉(zhuǎn)換電路接收光纖數(shù)據(jù)接口電路發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，并通過USB接口發(fā)送到采集控制計算機(jī)。

本發(fā)明的有益效果是：

1、由于CCD通過電路板直接與外部控制器連接，提高了信號的完整性設(shè)計，在提高CCD象元輸出頻率的同時又不會引入電路系統(tǒng)各種串?dāng)_噪聲，能夠?qū)崿F(xiàn)高速低噪聲的天文觀測成像；

2、由于系統(tǒng)完全是由硬件實現(xiàn)的，采取模塊化設(shè)計，使得整個系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，而且集成度高，體積小，便于維護(hù)。

附圖說明

圖1表示傳統(tǒng)基于杜瓦制冷系統(tǒng)與相機(jī)頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2表示傳統(tǒng)CCD相機(jī)頭部連接示意圖；

圖3表示本發(fā)明CCD相機(jī)頭部連接示意圖；

圖4表示CCD控制箱與相機(jī)頭連接示意圖；

圖5表示CCD成像觀測系統(tǒng)電路功能框圖；

圖中附圖標(biāo)記為：1-CCD芯片；2-相機(jī)頭部；3-密封的航空插座；4-場鏡；5-冷指；6-放大電路；7-真空杜瓦瓶；8-液氮灌注口；9-真空閥；10-電路PCB板；11-高速接插件；12-CCD控制箱；13-控制箱安裝座；14-CCD控制器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

如圖3所示為本發(fā)明CCD相機(jī)頭部連接示意圖，為了改善相機(jī)頭內(nèi)部CCD芯片1與CCD控制器14電性連接的信號完整性，不再采用傳統(tǒng)連接方式，單獨設(shè)計一塊電路PCB板10，CCD芯片1直接焊接在該電路PCB板10上，該PCB板將CCD輸出的視頻信號進(jìn)行緩沖輸出，這樣既提高了CCD輸出視頻信號的驅(qū)動能力，又防止外部信號對CCD輸出管腳的靜電破壞。該電路PCB板10穿過相機(jī)頭部2的容器壁，直接與外部CCD控制器14連接。為了提高安裝CCD電路PCB板10的真空密封性，在電路PCB板10的內(nèi)側(cè)進(jìn)行鍍金處理。完整的CCD控制箱12與相機(jī)頭部2連接如圖4所示。

本發(fā)明的電路功能框圖如圖5所示，由以下部分組成：FPGA系統(tǒng)控制電路，CCD時序驅(qū)動電路，視頻信號處理電路，模擬量遙測電路，CCD焦平面電路，光纖數(shù)據(jù)接口電路和光纖/USB接口轉(zhuǎn)換電路。

其中FPGA系統(tǒng)控制電路，用于系統(tǒng)時序控制、外圍電路配置及數(shù)據(jù)采集；具體接收光纖數(shù)據(jù)接口電路發(fā)送的控制指令并接收視頻信號處理電路和模擬量遙測電路發(fā)送的數(shù)據(jù)；將接收到的控制指令解析并根據(jù)指令改變CCD工作模式；將接收到的視頻信號處理電路和模擬量遙測電路發(fā)送的信號整合處理后發(fā)送至光纖數(shù)據(jù)接口電路；

具體的FPGA系統(tǒng)控制電路包括FPGA供電電路單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入單元，模數(shù)控制器控制單元，CCD驅(qū)動時序產(chǎn)生單元，光纖接口數(shù)據(jù)收發(fā)單元，時鐘單元，命令與狀態(tài)通信單元，幀速調(diào)節(jié)與快門控制單元和圖像緩存與傳輸單元等；FPGA系統(tǒng)控制電路由FPGA芯片組成，通過設(shè)計FPGA內(nèi)部邏輯或用VHDL語言編寫內(nèi)部執(zhí)行模塊來實現(xiàn)成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，從而實現(xiàn)上述各單元的功能。本實施例采用VHDL語言編寫FPGA內(nèi)部執(zhí)行單元。

以下對FPGA系統(tǒng)控制電路各個單元的功能進(jìn)行說明：

1)時鐘單元。CCD成像系統(tǒng)需要眾多的時鐘頻率，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置時鐘，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)緩存時鐘，圖像數(shù)據(jù)傳輸時鐘，CCD讀取以及水平驅(qū)動頻率。除這些時鐘外，還需要CCD縱向轉(zhuǎn)移時鐘以及為控制爆光時間而設(shè)置的參考時鐘等。這些時鐘主要由FPGA內(nèi)部數(shù)字時鐘管理器DCM生成。

2)命令與狀態(tài)通信單元。該模塊主要功能是完成與采集計算機(jī)的命令與狀態(tài)通信。該模塊將采集計算機(jī)發(fā)來的CCD成像系統(tǒng)控制命令解析后配置相應(yīng)的寄存器。

3)CCD驅(qū)動時序產(chǎn)生單元。該模塊根據(jù)輸入的時鐘信號及曝光控制控制指令生成CCD需要的控制時序。

4)模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)置單元，該模塊根據(jù)命令與狀態(tài)通信模塊更改的寄存器值，完成4片模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9826的寄存器配置，配置內(nèi)容包括工作模式、增益設(shè)置、直流偏置、顏色模式、采樣時鐘極性、數(shù)據(jù)鎖存時鐘極性以及像元增益等。

5)幀速調(diào)節(jié)與快門控制單元。該模塊的作用是通過設(shè)置幀間隔時間長短來控制相機(jī)拍照的幀速以及控制快門開關(guān)的時機(jī)來控制CCD成像曝光時間。

6)圖像緩存與光纖接口數(shù)據(jù)收發(fā)單元，該模塊的功能為接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)來的數(shù)字圖像信號，在FPGA內(nèi)建的緩存中將這些信號進(jìn)行整合，使其符合采集協(xié)議，然后將圖像數(shù)據(jù)通過光纖接口發(fā)送到采集計算機(jī)。

7)模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入單元，采集并緩存模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9826轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA的數(shù)字視頻信號。

9)FPGA供電電路單元，由產(chǎn)生FPGA各種工作電壓的線性穩(wěn)壓電路和相應(yīng)的電源濾波電路組成。

CCD時序驅(qū)動電路，與FPGA系統(tǒng)控制電路連接接收FPGA系統(tǒng)控制單元發(fā)送的CCD驅(qū)動信號，并對該驅(qū)動信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后發(fā)送至CCD焦平面電路；CCD功率驅(qū)動的關(guān)鍵參數(shù)為引腳電容和工作頻率，可通過驅(qū)動時鐘上升時間和驅(qū)動電壓擺幅來確定不同引腳電容所需的充電電流：

i＝Cdv/dt (式1)

為了滿足大面陣CCD驅(qū)動引腳高速及大電容負(fù)載的驅(qū)動要求，本實施例選用intersil公司的EL71xx系列以及EL72xx系列等。該集成功率芯片具有驅(qū)動電流大、可靠性高、體積小、硬件電路設(shè)計簡單等優(yōu)點。

CCD焦平面電路的輸入端與CCD時序驅(qū)動電路連接，輸出端和視頻信號處理電路連接，實現(xiàn)CCD輸出信號跟隨緩沖及產(chǎn)生CCD工作所需的偏置電壓；為了防止CCD輸出的視頻信號受CCD驅(qū)動信號的串?dāng)_，在電路PCB板布線時，將視頻信號與驅(qū)動信號分布在電路板的不同信號層，并在信號層中間插入地平面層。

視頻信號處理電路，與FPGA系統(tǒng)控制電路連接，用于對CCD輸出的視頻信號進(jìn)行調(diào)理，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)視頻信號數(shù)字化采集等；具體的，包括電壓跟隨電路、前置運放電路、濾波電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路順序連接，電壓跟隨電路采用ADI公司的NPN型三極管MAT12實現(xiàn)，前置運放電路采用ADI公司的ADA4817實現(xiàn)9倍放大，濾波電路也是采用ADA4817實現(xiàn)低通濾波器。其中電壓跟隨電路接收CCD視頻信號的輸出，本實施例采用E2V公司的CCD203-82，該CCD為4096×4136像素的全幀型面陣CCD探測器，其輸出信號的最大幅度為490mV，是浮置在24V左右直流電平上的負(fù)極性空間離散的模擬信號。如果直接將該信號用于后級放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換，則容易使放大器和ADC飽和，并且不利于有用信號的提取，因此必須對該信號進(jìn)行隔直、并通過前置運放電路及濾波電路等前級處理，然后再輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)視頻信號的數(shù)字化處理。

模擬量遙測電路的輸入端和CCD焦平面的輸出端連接，接收CCD焦平面電路發(fā)送的電壓及溫度信號，監(jiān)測CCD成像系統(tǒng)的工作電壓及溫度參數(shù)；其輸出端和FPGA系統(tǒng)控制電路的輸入端連接，將監(jiān)測到的電壓及溫度參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后發(fā)送至FPGA系統(tǒng)控制單元，實現(xiàn)CCD內(nèi)部溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集，并監(jiān)測系統(tǒng)的各種工作電壓、CCD溫度及工作環(huán)境溫度等參數(shù)；

光纖數(shù)據(jù)接口電路，與FPGA系統(tǒng)控制電路連接，并通過光纖與遠(yuǎn)程控制端的光纖\USB轉(zhuǎn)換接口電路連接；實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)發(fā)送和成像系統(tǒng)控制指令接受等功能，為了實現(xiàn)通過光纖接口發(fā)送CCD圖像數(shù)據(jù)，首先利用串并/并串轉(zhuǎn)化器，如本實施例采用的TI公司TLK2501，將CCD圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，然后通過光纖接口發(fā)送到光纖\USB轉(zhuǎn)換接口的圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本實施采用的光模塊型號是AVAGO公司的AFBR-57R5APZ，實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸。

光纖\USB接口轉(zhuǎn)換電路，與光纖數(shù)據(jù)接口電路及采集控制計算機(jī)連接；實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的接收及采集控制計算機(jī)與CCD控制器的遠(yuǎn)距離通訊；為了便于CCD控制器發(fā)送的光纖接口圖像數(shù)據(jù)與采集計算機(jī)的連接，專門設(shè)計了光纖與USB接口的轉(zhuǎn)接板，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，并通過USB接口發(fā)送控制指令到CCD控制器以隨時改變CCD的工作模式。