基于FPGA的CCD相機時(shí)序發(fā)生器的設計

1 引言

　　科學(xué)級CCD相機（Scientific grade CCD camera）是一種具有低噪聲、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍和高量子效率等優(yōu)良性能的CCD相機，用于對微光信號檢測和微光成像。它在射線(xiàn)數字成像檢測、生物醫學(xué)工程、水下攝影、武器裝備、天文觀(guān)測、空間對地觀(guān)測等多種技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應用。

　　科學(xué)級CCD相機一般由高速CCD 感光芯片、視頻信號處理器、時(shí)序控制器、時(shí)序發(fā)生器、時(shí)序驅動(dòng)器、外部光學(xué)成像系統等部分組成，其中時(shí)序發(fā)生器性能的優(yōu)劣直接決定了相機的品質(zhì)參數。該科學(xué)級CCD相機采用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作為傳感器，本文分析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的工作過(guò)程和對驅動(dòng)信號的要求，在此基礎上設計出合理的時(shí)序電路， 為了滿(mǎn)足在實(shí)際工作中像移速度異速匹配的要求，在時(shí)序電路的設計中時(shí)序發(fā)生部分是可調的。這種設計方案簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用。在綜合比較各種硬件實(shí)現電路的優(yōu)缺點(diǎn)后，選用現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA） 作為硬件設計平臺，使用VHDL 語(yǔ)言對驅動(dòng)電路方案進(jìn)行了硬件描述，采用EDA 軟件對所設計的時(shí)序發(fā)生器成功地進(jìn)行了功能仿真。最后針對XILINX公司的可編程邏輯器件XC2VP20-FF1152進(jìn)行了適配和硬件電路調試，進(jìn)而實(shí)現了對整個(gè)科學(xué)級CCD 相機的控制。

　　2 TDI-CCD的工作原理及驅動(dòng)分析

　　2.1 TDI-CCD工作原理簡(jiǎn)介

　　TDI（time delay and integration）是一種能夠增加線(xiàn)掃描傳感器靈敏度的掃描技術(shù)。TDI-CCD是具有一種面陣結構、線(xiàn)陣輸出的新型CCD，較普通的線(xiàn)陣CCD而言，它具有多重級數延時(shí)積分的功能。從其結構來(lái)看，多個(gè)線(xiàn)陣平行排列，像元在線(xiàn)陣方向和級數方向呈矩形排列，像元分布示意圖如圖1所示。

　　圖1 TDI-CCD像元分布示意圖

　　圖1中，TDI-CCD的電荷累積方向是沿Y向進(jìn)行的，其推掃級數自下而上為第1級至第96級。在成像過(guò)程中，隨著(zhù)相機（或景物）的運動(dòng)，TDI-CCD從第96級至第1級依次感光，電荷從第96級至第1級逐級累積。最終，經(jīng)過(guò)多重延時(shí)積分積累起來(lái)的電荷包（成像數據信息）轉移到CCD水平讀出寄存器上，并從第1級經(jīng)運算放大器傳輸出去。從TDI-CCD的電性能特點(diǎn)可以看出，TDI-CCD為一種單方向推掃成像器件。與一般CCD相比，TDI借助了6、12、24、48、96等可變積分級數來(lái)增加曝光時(shí)間。在傳感器成像時(shí)，由于信號存儲與曝光時(shí)間是成正比的，TDI-CCD通過(guò)延長(cháng)曝光時(shí)間來(lái)增加所收集到的光子，因此比一般線(xiàn)陣CCD具有更高的靈敏度，可用在低光照度環(huán)境下成像，同時(shí)又不會(huì )影響掃描速度。TDI-CCD具有可以不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下獲得高靈敏度這個(gè)突出特點(diǎn)，使其在高速、微光領(lǐng)域具有廣泛的應用前景 。

　　2.2 關(guān)于DALSA IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器

　　CCD 圖像傳感器是科學(xué)級CCD相機的關(guān)鍵組成部件， 其性能的優(yōu)劣直接影響著(zhù)相機的功能和使用效果。該科學(xué)級CCD 相機選用了加拿大DALSA 公司生產(chǎn)的IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器，該TDI-CCD的像素結構 2048×96 。像元尺寸為13μm（ H） ×13μm（ V ）、最高數據輸出頻率為20MHz 、動(dòng)態(tài)范圍為1600:1 、單向、單端輸出、級數可選、具有藍光響應增強功能的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD可以分為3個(gè)功能區，即光敏元探測區、電荷傳輸區、檢測輸出區。