星載CCD相機圖像采集電路設計與實(shí)現

摘要：以DALSA公司的CCD傳感器FTT1010M為核心，設計并實(shí)現了一種星載CCD相機圖像采集電路，詳細介紹了圖像傳感器FTT1010M的特性、工作模式、工作時(shí)序，并闡述了其模擬驅動(dòng)電路、時(shí)序電路、電源轉換電路等圖像采集電路的設計與實(shí)現。經(jīng)過(guò)實(shí)際項目驗證，設計的采集電路能夠滿(mǎn)足各項技術(shù)要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：電荷耦合器件；圖像傳感器；采集電路；FTT1010M

0 引言
自從CCD(電荷耦合器件)出現以來(lái)，由于其分辨率高、靈敏度高、噪聲小、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了很快的發(fā)展，目前已廣泛應用于影像傳感、衛星監控、空間遙感成像和對地觀(guān)測等眾多領(lǐng)域。對于一個(gè)CCD相機系統而言，其核心器件CCD傳感器的性能直接影響整個(gè)相機系統的性能，而保障其發(fā)揮優(yōu)良的設計難點(diǎn)在于高可靠性的驅動(dòng)、偏置等與圖像采集電路相關(guān)的設計，這給設計者帶來(lái)了很大的麻煩。因此，設計出穩定可靠的CCD圖像采集電路是保證CCD傳感器乃至CCD相機系統正常發(fā)揮其功能的重要條件。

1 CCD相機圖像采集電路結構
CCD相機圖像采集電路結構如圖1所示。CCD傳感器接收前端光學(xué)系統的成像，偏壓電路為CCD傳感器提供必需的偏置電壓，可編程邏輯器件產(chǎn)生的時(shí)序脈沖經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路對CCD進(jìn)行控制采集，輸出保護電路可對CCD進(jìn)行有效地防護保護，預處理電路對CCD輸出的帶噪模擬信號進(jìn)行處理后便于后續電路使用。

2 CCD傳感器的選用
CCD傳感器分為面陣CCD傳感器和線(xiàn)陣CCD傳感器。線(xiàn)陣CCD所需要的驅動(dòng)時(shí)鐘較少，驅動(dòng)電路設計相對簡(jiǎn)單，面陣CCD所需要的驅動(dòng)時(shí)鐘較多，時(shí)序較為復雜，驅動(dòng)電路設計也相對較難。這里我們選擇DALSA公司的一款幀轉移型面陣CCD1010M，因其具有良好的抗輻射設計，是航空、航天應用中理想的圖像傳感器，而且其分辨率為1024×1024，還具有良好的抗光暈性能，信號輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、100％光學(xué)填充效率、電荷轉移效率高等特點(diǎn)，滿(mǎn)足項目需求。它具有的多針相工藝(MPP)還能保證它在低照度下進(jìn)行工作，通過(guò)延長(cháng)曝光時(shí)間來(lái)記錄非常弱的信號。這款CCD有四相感光區和存儲區電極，三相水平讀出移位寄存器電極，還有一個(gè)輸出放大器。輸出方式有雙路輸出和單路輸出兩種，
單通道輸出單色逐行掃描圖像速度可達30幀／s，并且動(dòng)態(tài)范圍大于72dB，性能較為優(yōu)異。
2．1 FTT1010M結構
FTT1010M的內部結構如圖2所示。

FTT1010M由感光區和存儲區構成，感光區和存儲區都由1072H×1030V個(gè)像素組成。在感光區中，每個(gè)像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時(shí)鐘A1、A2、A3、A4覆蓋的相互連接的四個(gè)MOS電容器共同組成，它們作為感光區幀轉移控制時(shí)鐘。在1024個(gè)有效像素行的上面分別分布著(zhù)6個(gè)黑行(Black Lines)，黑行其實(shí)就是被遮蔽的不參與光積分的像素行；在水平方向上，每行1072個(gè)像素中的有效像素(Active Pixels)為1024個(gè)，兩邊分布著(zhù)2×20個(gè)黑像素(Black Pixels)和2×4個(gè)過(guò)渡像素(Overscan Pixels)，黑像素與黑行一樣也是被遮蔽的像素單元，這些單元都不參加光積分，沒(méi)有光電荷包產(chǎn)生，其主要作用是對CCD的輸出視頻信號進(jìn)行預處理時(shí)起參考黑電平作用。過(guò)渡像素單元的作用主要是在有效像素單元與黑像素單元之間起過(guò)渡作用。
在存儲區中，每個(gè)像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時(shí)鐘B1、B2、B3、B4覆蓋的相互連接的四個(gè)MOS電容器共同組成，它們作為存儲區行轉移時(shí)鐘。在存儲區水平方向上分布著(zhù)兩個(gè)串行輸出移位寄存器(Output Register)，寄存器內部并沒(méi)有感光單元，只有用來(lái)傳輸轉移感光電荷包的遮蔽的轉移單元，每個(gè)單元相當于被三相時(shí)鐘C1、C2、C3覆蓋，這些單元都和存儲區的像素單元相互銜接對應。其主要作用是將輸出放大器連接到水平輸出移位寄存器上。