本發(fā)明涉及一種高幀頻科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

高質(zhì)量的圖像在天文探測、遙測遙感、航空航天等科學(xué)研究領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，因此，為了獲取高品質(zhì)圖像，CCD相機(jī)充當(dāng)起了至關(guān)重要的角色。但是，目前的CCD相機(jī)為了降低讀出噪聲、提高整體性能，讀出速率普遍較低，幀頻往往不超過1fps，遠(yuǎn)不能滿足某些高幀頻應(yīng)用的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的CCD相機(jī)讀出速率低的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種高幀頻科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種高幀頻科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括CCD探測器和信號(hào)處理芯片；

所述信號(hào)處理芯片包括主控單元、時(shí)序產(chǎn)生單元和圖像處理單元；所述主控單元分別與時(shí)序產(chǎn)生單元和圖像處理單元相連；

所述主控單元與外部控制單元相連；所述時(shí)序產(chǎn)生單元的輸入端與外部晶體振蕩器相連，時(shí)序產(chǎn)生單元的輸出端通過時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路與CCD探測器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端相連；

所述CCD探測器包括兩個(gè)圖像信號(hào)輸出通道，兩個(gè)圖像信號(hào)輸出通道分別連接運(yùn)算放大器后再與同一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述圖像處理單元相連。

上述的高幀頻科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)還包供電電路；所述供電電路包括電源、低壓差線性穩(wěn)壓器和電壓跟隨器；所述電源與低壓差線性穩(wěn)壓器的輸入端相連，低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出端分別與CCD探測器和電壓跟隨器相連，所述電壓跟隨器位于CCD探測器的兩個(gè)圖像信號(hào)輸出通道上。

上述時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路包括5片并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器；

其中，1片驅(qū)動(dòng)器作為垂直驅(qū)動(dòng)電路，用于傳輸幀轉(zhuǎn)信號(hào)和行轉(zhuǎn)信號(hào)；2片驅(qū)動(dòng)器作為水平驅(qū)動(dòng)電路，分別用于傳輸兩個(gè)圖像信號(hào)輸出通道的像元讀出信號(hào)；2片驅(qū)動(dòng)器作為binning驅(qū)動(dòng)電路，用于傳輸復(fù)位信號(hào)和像元合并信號(hào)。

上述圖像處理單元包括圖像緩存模塊和圖像整形模塊；

所述圖像緩存模塊包括兩個(gè)交替進(jìn)行圖像讀寫的SRAM存儲(chǔ)器；

所述圖像整形模塊包括與CCD探測器的兩個(gè)圖像信號(hào)輸出通道相對應(yīng)的FIFO模塊和LIFO模塊；其中，F(xiàn)IFO模塊對圖像的前半行數(shù)據(jù)進(jìn)行順序存儲(chǔ)順序讀出，LIFO模塊對圖像的后半行數(shù)據(jù)進(jìn)行逆序存儲(chǔ)順序讀出。

上述CCD探測器為FTT1010-M，所述驅(qū)動(dòng)器為LM117。

上述模數(shù)轉(zhuǎn)換器為LM98640。

上述運(yùn)算放大器為AD844。

上述外部晶體振蕩器為無源晶振或者有源晶振。

本發(fā)明還提供一種高幀頻科學(xué)級(jí)CCD成像方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)系統(tǒng)上電，

2)時(shí)序產(chǎn)生單元通過時(shí)序控制電路向CCD探測器發(fā)送時(shí)序信號(hào)，控制CCD探測器連續(xù)采集圖像；

3)CCD探測器通過兩個(gè)圖像信號(hào)輸出通道分別向兩個(gè)運(yùn)算放大器傳輸模擬圖像信號(hào)；

4)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化并采集；對圖像進(jìn)行非均勻性校正后傳輸至圖像處理單元；

5)圖像整形模塊對兩路圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整形；其中，圖像的前半行數(shù)據(jù)順序存入FIFO模塊中，圖像的后半行數(shù)據(jù)逆序存入LIFO模塊中；存儲(chǔ)完一行圖像后，再順序讀取FIFO模塊和LIFO模塊中的圖像數(shù)據(jù)；

6)讀取的圖像數(shù)據(jù)交替存入圖像緩存模塊的兩個(gè)SRAM存儲(chǔ)器中，然后交替讀取兩個(gè)SRAM存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)并輸出。

步驟4)中對圖像進(jìn)行非均勻性校正的方法是：先使用串行接口對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的所有寄存器進(jìn)行配置，然后對兩個(gè)圖像信號(hào)輸出通道的圖像進(jìn)行模擬量補(bǔ)償，逐步改變寄存器的值直至整個(gè)畫面的非均勻性達(dá)到要求。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明中的CCD探測器采用左右通道同時(shí)輸出的方式，將CCD輸出速率最大化。

(2)本發(fā)明采用了改進(jìn)的水平和垂直同時(shí)Binning的思路，一方面從設(shè)計(jì)上保證了探測精度，另一方面，Binning技術(shù)減少了3/4的數(shù)據(jù)量，可進(jìn)一步提高成像系統(tǒng)的信噪比。

(3)本發(fā)明中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了非均勻性校正，彌補(bǔ)了CCD傳感器兩路圖像輸出通道的差異，進(jìn)一步保證了科學(xué)級(jí)成像系統(tǒng)的整體成像質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高幀頻科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)的較佳實(shí)施例示意圖。

圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的工作時(shí)序信號(hào)示意圖。

圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的工作時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路示意圖。

圖4為本發(fā)明較佳實(shí)施例的工作時(shí)序流程圖。

圖5為本發(fā)明較佳實(shí)施例的工作時(shí)序仿真波形圖。

圖6為本發(fā)明較佳實(shí)施例的像元合并時(shí)序示意圖。

圖7為本發(fā)明較佳實(shí)施例的數(shù)據(jù)整形原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

1、系統(tǒng)指標(biāo)分析與參數(shù)確定。

成像系統(tǒng)的核心指標(biāo)是幀頻要求大于等于20fps，探測精度高于等于5.5等星，這就要求CCD具有較高的幀頻和信噪比。本實(shí)施例中圖像速率定為70Mbps，為了兼顧FPGA硬件性能和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難易程度，F(xiàn)PGA的時(shí)鐘最終定為70MHz，整個(gè)設(shè)計(jì)對70MHz進(jìn)行分頻完成。

幀轉(zhuǎn)移CCD時(shí)序設(shè)計(jì)中，讀出頻率的確定是比較難的，本發(fā)明CCD讀出頻率受限于兩個(gè)因素，一方面時(shí)序要求復(fù)位信號(hào)最小周期為Tp/6，即讀出頻率的6倍；另一方面為了獲取高的信噪比，設(shè)計(jì)上在保證幀頻的情況下要使用最低的讀出頻率，綜合考慮這兩方面的因素，最后確定系統(tǒng)的讀出頻率為系統(tǒng)時(shí)鐘70MHz的6分頻，即11.6MHz。Binning操作再將頻率降一半，最終的像元讀出頻率為5.8MHz。這樣，一幀圖像的讀出時(shí)間為：

(105Tp+256Tp)*512＝184832Tp (1)

其中，105Tp為行逆程時(shí)間，256Tp為雙路讀出一行圖像的時(shí)間，512表示讀出的行數(shù)。Tp取172ns，這樣，一幀圖像的讀出時(shí)間為31.8ms，滿足要求。

讀出頻率確定后，按照讀出頻率是幀轉(zhuǎn)頻率8*N倍(N為整數(shù))的關(guān)系確定幀轉(zhuǎn)移期間的信號(hào)周期，本實(shí)施例取N＝1，得到幀轉(zhuǎn)移頻率Tf為：

Tf＝1/8Tp (2)

當(dāng)幀轉(zhuǎn)頻率為720KHz時(shí)，幀轉(zhuǎn)1079行需要的時(shí)間為1.5ms，滿足2ms幀轉(zhuǎn)時(shí)間的系統(tǒng)要求。

此時(shí)，系統(tǒng)的各種的參數(shù)已經(jīng)全部確定，幀轉(zhuǎn)頻率720KHz，讀出像元頻率5.8MHz，輸出給LM98640的時(shí)鐘為5.8MHz，滿足LM98640最小5MHz時(shí)鐘的要求，AD輸出的數(shù)字串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘為5.8MHz*8＝46.4MHz。這樣，系統(tǒng)總共存在4種時(shí)鐘域：70MHz、7MHz、5.8MHz和46.4MHz，考慮到三模冗余設(shè)計(jì)的需要，因此，要選擇的FPGA時(shí)鐘資源應(yīng)該多于12個(gè)。再結(jié)合系統(tǒng)邏輯情況、數(shù)據(jù)緩存情況，本實(shí)施例在邏輯控制方面使用了XILINX公司330萬門的FPGA——XC2V3000，除了資源豐富，該FPGA還支持差分輸入/輸出，可以適應(yīng)LM98640的差分接口，節(jié)約了差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換芯片。此外，XC2V3000具有高等級(jí)(宇航級(jí))產(chǎn)品XQR2V3000，為以后系統(tǒng)升級(jí)，適應(yīng)更復(fù)雜、更惡劣的環(huán)境和用途奠定了基礎(chǔ)。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

參見圖1，本實(shí)施例的成像系統(tǒng)主要由前端模擬電路和后端信號(hào)處理兩部分構(gòu)成：

2.1、模擬前端

模擬前端主要是CCD探測器的驅(qū)動(dòng)電路，包括CCD外圍供電電路、水平驅(qū)動(dòng)電路、垂直驅(qū)動(dòng)電路和binning驅(qū)動(dòng)電路等。

本實(shí)施例選用加拿大DALSA公司生產(chǎn)的一款1M像素的幀轉(zhuǎn)移型CCD芯片F(xiàn)TT1010-M作為圖像傳感器，F(xiàn)TT1010-M是一款具有優(yōu)良抗暈結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量幀轉(zhuǎn)移型CCD探測器，具有填充因子高(100％)，動(dòng)態(tài)范圍大(>72dB)，像元輸出速度快(≥2*40MHz)，電荷轉(zhuǎn)移效率高(0.999999)，讀出噪聲低(RMS讀出噪聲典型值25e)，輸出格式靈活(H&V Binning)等特點(diǎn)，非常適合作為科學(xué)級(jí)成像系統(tǒng)的圖像傳感器。

系統(tǒng)的輸入電壓為+28V，而CCD正常工作需要的電壓比較多，包括：源跟隨器漏極電壓(VSFD)、N襯底偏置電壓(VNS)、P襯底偏置電壓(VPS)、輸出門電壓(VOG)、復(fù)位管漏極電壓(VFD)。為滿足電壓值需求，本系統(tǒng)首先將+28V電源經(jīng)LM117分壓得到VSFD，其余偏置電壓再以VSFD為分壓電源獲得。

為了提高VSFD的電流驅(qū)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)了緩沖電路對VSFD進(jìn)行緩沖，使用功率三極管構(gòu)成電壓跟隨器對VSFD進(jìn)行放大不僅能有效提高VSFD的電流驅(qū)動(dòng)能力，而且能確保CCD的安全，因?yàn)殡娐份敵龆穗妷菏冀K跟隨輸入端變化，并不會(huì)改變原先的上電和去電順序。

水平驅(qū)動(dòng)、垂直驅(qū)動(dòng)和binning驅(qū)動(dòng)需要5片Intersil公司的ISL7457構(gòu)成并行通道進(jìn)行前端處理，ISL7457具有輸出電壓范圍寬、電壓切換快、延遲短等特點(diǎn)，特別適合CCD信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。其中，幀轉(zhuǎn)信號(hào)和行轉(zhuǎn)信號(hào)分別使用一片ISL7457，組成三電平驅(qū)動(dòng)模塊，感光階段的高電平為+10V，轉(zhuǎn)移階段的高電平上升至+14V，此外，A時(shí)鐘電荷復(fù)位時(shí)刻的低電平為-5V。CCD工作在雙通道模式，為了防止兩個(gè)通道互相干擾，水平驅(qū)動(dòng)使用2片ISL7457，分別驅(qū)動(dòng)C1X、C2X和C2W、C2W，幅值均為+10V。Binning驅(qū)動(dòng)主要包括SG、RG兩個(gè)信號(hào)，用于復(fù)位和像元合并，使用一片ISL7457，幅值為+10V。

兩路CCD視頻輸出信號(hào)經(jīng)過2片AD844構(gòu)成的并行通道進(jìn)行前端處理，改善信號(hào)質(zhì)量，靈活的配置CCD信號(hào)的增益。為了保持兩路傳輸特性的一致性，PCB設(shè)計(jì)時(shí)AD844輸入端和CCD輸出端之間的視頻信號(hào)傳輸距離大致相同。

2.2、信號(hào)處理部分

后端信號(hào)處理部分以FPGA為核心展開，產(chǎn)生CCD正常工作所需要的15路時(shí)序信號(hào)和偏置電壓切換信號(hào)，在CCD正常輸出模擬圖像信號(hào)后，控制LM98640對模擬圖像進(jìn)行數(shù)字量化并采集，同時(shí)對圖像的非均勻性進(jìn)行校正。

圖像進(jìn)入FPGA后，結(jié)合兩片外置SRAM存儲(chǔ)器對圖像按照要求進(jìn)行格式重組，并在20Hz標(biāo)志信號(hào)處按照傳輸協(xié)議將圖像組幀通過LVDS輸出。FPGA采用RS422總線與控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，接收指令、發(fā)送成像系統(tǒng)工作狀態(tài)。同時(shí)，為了確保系統(tǒng)的正常工作，提高可靠性，本系統(tǒng)設(shè)置了8路模擬電壓采集監(jiān)控功能。以下將對成像系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3、CCD時(shí)序設(shè)計(jì)

3.1、FTT1010-M基本工作時(shí)序

參見圖2，F(xiàn)TT1010-M屬幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD，正常工作需要由一組具有一定相位關(guān)系的復(fù)雜邏輯時(shí)序信號(hào)來驅(qū)動(dòng)，這些信號(hào)分別為：4路幀轉(zhuǎn)移信號(hào)A1、A2、A3、A4，4路行轉(zhuǎn)移信號(hào)B1、B2、B3、B4，3路像元讀出信號(hào)C1、C2、C3以及復(fù)位信號(hào)RG和像元合并信號(hào)SG。本系統(tǒng)CCD工作在左右雙路輸出模式，為了防止左右路信號(hào)互相干擾，設(shè)計(jì)上將讀出時(shí)鐘信號(hào)的C1信號(hào)分為C1X和C1W，C2信號(hào)分為C2X和C2W，分別去驅(qū)動(dòng)CCD讀出，這樣，驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)總共有15路。

FTT1010-M工作時(shí)序的具體過程可大體分為4個(gè)階段：(1)曝光階段，電子快門打開，CCD進(jìn)行光積分，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成空間分布的電荷包信號(hào)；(2)電荷包信號(hào)轉(zhuǎn)移，電荷包信號(hào)依次從圖像區(qū)轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)；(3)電荷包信號(hào)輸出，電荷包信號(hào)依次從存儲(chǔ)區(qū)經(jīng)放大器輸出；(4)空閑，CCD完成圖像信號(hào)輸出后等待拍攝下一幀圖像。此外，CCD外圍還需要有大量的電壓偏置來配合這4個(gè)步驟才能保證其正常工作。

3.2、FTT1010-M時(shí)序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

參見圖3，CCD的時(shí)序由FPGA產(chǎn)生，將外部提供的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，并按照手冊產(chǎn)生相應(yīng)曝光、幀轉(zhuǎn)移、行轉(zhuǎn)移和讀出時(shí)序信號(hào)，這些時(shí)序信號(hào)通過垂直、水平驅(qū)動(dòng)電路送給CCD，驅(qū)動(dòng)其工作；同時(shí)，F(xiàn)PGA還要根據(jù)需要產(chǎn)生相應(yīng)的偏置電壓控制信號(hào)，經(jīng)偏壓切換電路送給CCD，滿足其對各種電壓的需要。

而整個(gè)時(shí)序框圖中，CCD時(shí)序的設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，為了簡化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用了一個(gè)主狀態(tài)機(jī)來控制，如圖4所示。然后再對不同的子功能設(shè)計(jì)下一級(jí)狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，最終完成所有的功能。

具體的時(shí)序設(shè)計(jì)如下：當(dāng)FPGA上電穩(wěn)定后，系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)Reset觸發(fā)主狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)，因?yàn)橄鄼C(jī)的幀頻為固定20f/s，首先，在FPGA內(nèi)利用時(shí)鐘分頻功能產(chǎn)生一個(gè)寬度為1us的20Hz同步脈沖信號(hào)，用于同步整個(gè)成像過程。為了精準(zhǔn)控制各過程，系統(tǒng)內(nèi)分別定義了曝光計(jì)數(shù)器Inter_cnt、幀轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器F_cnt、行轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器L_cnt和像元讀出計(jì)數(shù)器P_cnt。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)20Hz脈沖到來時(shí)，觸發(fā)曝光控制狀態(tài)，打開電子快門，電子快門的持續(xù)時(shí)間設(shè)定為15us，同時(shí)Inter_cnt開始計(jì)數(shù)，當(dāng)Inter_cnt的值等于設(shè)定的曝光時(shí)間時(shí)，表明曝光完成，狀態(tài)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)曝光結(jié)束標(biāo)識(shí)信號(hào)，用于觸發(fā)幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)，同時(shí)曝光控制狀態(tài)會(huì)繼續(xù)等待下一個(gè)20Hz同步信號(hào)的到來，再按照新的曝光時(shí)間重復(fù)以上過程。

幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)收到觸發(fā)信號(hào)后開始進(jìn)行幀轉(zhuǎn)操作，F(xiàn)_cnt開始計(jì)數(shù)。幀轉(zhuǎn)操作主要是產(chǎn)生固定周期為720KHz、交疊2/3正程的時(shí)鐘將圖像區(qū)的圖像轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)區(qū)，每轉(zhuǎn)移一行F_cnt數(shù)值加1，當(dāng)F_cnt等于1030時(shí)，表示將圖像區(qū)的所有圖像轉(zhuǎn)移完畢，這時(shí)狀態(tài)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幀轉(zhuǎn)完成標(biāo)識(shí)來觸發(fā)像元讀出控制狀態(tài)，同時(shí)，幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)會(huì)空閑，直到下一次幀轉(zhuǎn)觸發(fā)的到來。

為了盡可能減少干擾信號(hào)對本幀圖像的影響，幀轉(zhuǎn)完成后，本設(shè)計(jì)沒有直接去行轉(zhuǎn)，而是先空讀2行，當(dāng)像元讀出狀態(tài)收到觸發(fā)信號(hào)后，P_cnt開始計(jì)數(shù)，每讀一個(gè)像元P_cnt數(shù)值加1，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)工作在雙路Binning模式，當(dāng)P_cnt等于256時(shí)說明像元已經(jīng)讀干凈，這時(shí)如果空讀完成則觸發(fā)行轉(zhuǎn)狀態(tài)，否則進(jìn)入IDLE狀態(tài)，待105Tp時(shí)間后再次空讀一次。

行轉(zhuǎn)狀態(tài)收到觸發(fā)后，L_cnt開始計(jì)數(shù)，行轉(zhuǎn)的時(shí)間為105Tp，L_cnt在70MHz時(shí)鐘域數(shù)值累加直到其值等于105Tp時(shí)，觸發(fā)像元讀出狀態(tài)去讀像元。

重復(fù)以上過程，CCD就可以源源不斷輸出模擬圖像，期間可以根據(jù)成像需要通過RS422改變相機(jī)的曝光時(shí)間，以適應(yīng)多變的成像環(huán)境。系統(tǒng)的時(shí)序仿真波形如圖5所示，對照CCD手冊可知，本設(shè)計(jì)完全滿足要求。

3.3、改進(jìn)的Binning模式設(shè)計(jì)

如圖6所示，本實(shí)施例在第一個(gè)復(fù)位脈沖后面又增加了一個(gè)復(fù)位脈沖，同時(shí)靈活的改變第2個(gè)復(fù)位脈沖的位置。這樣，在第一個(gè)復(fù)位脈沖結(jié)束后，電荷開始充滿勢阱，但是沒有等到勢阱充滿時(shí)，再提供第二個(gè)復(fù)位脈沖，這樣，電荷便開始繼續(xù)向第二個(gè)勢阱累積，如此，便不會(huì)造成電荷的泄露，也就克服了單個(gè)復(fù)位脈沖像元合并的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)復(fù)位脈沖之間是平滑的，即暗電平和視頻信號(hào)是穩(wěn)定可靠的。表現(xiàn)在圖像上就是飽和區(qū)全部為飽和值，不再出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的情況。

4、數(shù)據(jù)采樣及非均勻校正設(shè)計(jì)

LM98640是TI公司一款雙通道、14位量化、采用串行LVDS輸出的高性能模擬前端圖像AD，主要用于處理CCD/CMOS的模擬圖像，被廣泛應(yīng)用于高精度圖像處理系統(tǒng)中。

和一般圖像AD相比，LM98640還有一個(gè)比較突出的特點(diǎn)，就是可以對左右通道分別進(jìn)行模擬量補(bǔ)償，且補(bǔ)償分為粗補(bǔ)償和精補(bǔ)償，在1倍增益下，粗補(bǔ)償?shù)姆秶鸀椤?50mV，每檔1mV；精補(bǔ)償?shù)姆秶鸀椤?mV，每檔20uV。這樣密集的調(diào)節(jié)范圍為CCD非均勻校正提供了可能。

本系統(tǒng)上電穩(wěn)定后，先使用串行接口對LM98640的所有寄存器進(jìn)行配置，使其按照指定的狀態(tài)進(jìn)行工作。配置寄存器的過程實(shí)質(zhì)上是連續(xù)寫LM98640的過程，先將配置使能信號(hào)置低，然后發(fā)送寫命令。當(dāng)需要改變某一個(gè)或若干個(gè)寄存器的值時(shí)，可對其再寫一次，更新LM98640的工作狀態(tài)。

傳統(tǒng)的雙通道CCD相機(jī)多采用兩片單通道前端處理芯片對圖像進(jìn)行預(yù)處理，圖像均勻性往往得不到保證，而本發(fā)明在同一片AD內(nèi)進(jìn)行，克服了兩片處理芯片一致性差的不足。非均勻性校正其實(shí)就是在相關(guān)雙采樣的采樣、保持位置調(diào)節(jié)好后，根據(jù)CCD左右路圖像的灰度值進(jìn)行調(diào)整，保證整個(gè)畫面的質(zhì)量。調(diào)節(jié)時(shí)首先將補(bǔ)償值都調(diào)整為0，然后逐步改變寄存器的值，先粗調(diào)，再精調(diào)，直到整個(gè)畫面的非均勻性值達(dá)到要求。本發(fā)明中的左右通道補(bǔ)償通過RS422通訊接口隨時(shí)可調(diào)，避免以后因?yàn)槌上癍h(huán)境發(fā)生變化而圖像的非均勻性變差對任務(wù)的影響。

CCD的非均勻性校正完成，LM98640就可以按照設(shè)置進(jìn)行工作并采集圖像，本實(shí)施例使用了LM98640的CDS模式，輸出上采用了2路4通道輸出形式，即同時(shí)對左右路模擬圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出兩路14位并行數(shù)據(jù)，13位至7位在一個(gè)通道，6位至0位在另一個(gè)通道。每一個(gè)模擬像素包括像元標(biāo)識(shí)TXFRAME，像元時(shí)鐘TXCLK，4路圖像數(shù)據(jù)TXOUT[3:0]，這些信號(hào)由于格式、速率等原因，系統(tǒng)不能直接應(yīng)用，所以要將這些信號(hào)全部送入FPGA進(jìn)行處理，以適應(yīng)存儲(chǔ)顯示等需要。為便于對不同類型的LVDS發(fā)送裝置進(jìn)行檢測與維護(hù)，建立起實(shí)用、兼容的檢測平臺(tái)，同時(shí)也出于節(jié)省空間和重量方面的考慮，本實(shí)施例選用FPGA的原語進(jìn)行LVDS接口的設(shè)計(jì)，完成LVDS的接收與發(fā)送，在節(jié)約了轉(zhuǎn)換芯片的情況下達(dá)到采集圖像的目的。

5、數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

本實(shí)施例的曝光和圖像輸出都在20Hz同步信號(hào)時(shí)開始，而曝光時(shí)間隨時(shí)可能變化，因此，從探測器輸出的圖像時(shí)間就不定，這就要求對圖像進(jìn)行緩存，當(dāng)20Hz信號(hào)到來時(shí)再從緩存中讀取圖像并輸出。本實(shí)施例中使用了兩片32位的SRAM，交替存儲(chǔ)從探測器輸出的圖像，當(dāng)20Hz同步信號(hào)到來前，先存儲(chǔ)在SRAMA里，當(dāng)20Hz同步信號(hào)到來時(shí)，停止向SRAMA里寫圖像，而是轉(zhuǎn)向SRAMB里寫，與此同時(shí)，開始讀SRAMA中的圖像，如此反復(fù)就完成了圖像的同步輸出。

由于本發(fā)明探測器工作在雙路輸出模式下，即圖像數(shù)據(jù)由AD0和AD1分兩路輸出，其中，AD0得到的是每一行圖像的前半行，即0～255的像元，而AD1得到的是另外半行像元，但是，輸出順序確卻是511～256。這樣，兩個(gè)半行在拼成一行圖像時(shí)，后半行就存在順序問題，因此，不能直接合成一行。為了解決這個(gè)問題，本實(shí)施例設(shè)計(jì)了基于雙口RAM的右路圖像輸出整形功能模塊—LIFO(Last In First Out)，具體而言，根據(jù)探測器輸出數(shù)據(jù)的格式特點(diǎn)，本實(shí)施例在FPGA內(nèi)部例化了一片深度為256，寬度為10bit的FIFO和一片深度為256，寬度為10bit的LIFO，進(jìn)行整形操作。如圖7所示，其具體的工作過程為：當(dāng)?shù)谝恍袌D像的前半行順序輸出時(shí)，先存儲(chǔ)在FIFO里，后半行逆序存儲(chǔ)在LIFO里。當(dāng)存儲(chǔ)完一行圖像后，系統(tǒng)開始讀FIFO，獲取前半行數(shù)據(jù)，讀完FIFO緊接著讀LIFO的數(shù)據(jù)，不同的是，LIFO輸出的數(shù)據(jù)順序是反向的，即256～511，接在前半行數(shù)據(jù)的后面，這樣就完成了左右路圖像的無縫拼接。

6、試驗(yàn)結(jié)果分析

在遮光的條件下，利用公式(3)計(jì)算得到相機(jī)的信噪比可達(dá)58dB以上。

其中，N為測量總數(shù)，rms為圖像標(biāo)準(zhǔn)差。

在成像系統(tǒng)50％飽和情況下，利用公式(4)計(jì)算得到相機(jī)的非均勻性(NU)可達(dá)到1.5％左右。

其中，為第(X,Y)光敏元的時(shí)間序列平均值；S為所有像元的灰度平均值。

由以上分析結(jié)果可以看出，本發(fā)明在客觀方面，系統(tǒng)信噪比和圖像的非均勻性均達(dá)到了科學(xué)級(jí)成像的水平；主觀方面，相機(jī)輸出的圖像清晰銳利，視覺效果良好，左右通道的非均勻性得到了較好的修正。