基于FPGA的CCD相機(jī)時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1 引言

　　科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)（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(jī)，用于對(duì)微光信號(hào)檢測(cè)和微光成像。它在射線數(shù)字成像檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)工程、水下攝影、武器裝備、天文觀測(cè)、空間對(duì)地觀測(cè)等多種技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)一般由高速CCD 感光芯片、視頻信號(hào)處理器、時(shí)序控制器、時(shí)序發(fā)生器、時(shí)序驅(qū)動(dòng)器、外部光學(xué)成像系統(tǒng)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(jī)的品質(zhì)參數(shù)。該科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)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(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出合理的時(shí)序電路， 為了滿足在實(shí)際工作中像移速度異速匹配的要求，在時(shí)序電路的設(shè)計(jì)中時(shí)序發(fā)生部分是可調(diào)的。這種設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用。在綜合比較各種硬件實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)缺點(diǎn)后，選用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA） 作為硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，使用VHDL 語(yǔ)言對(duì)驅(qū)動(dòng)電路方案進(jìn)行了硬件描述，采用EDA 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的時(shí)序發(fā)生器成功地進(jìn)行了功能仿真。最后針對(duì)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(diào)試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)科學(xué)級(jí)CCD 相機(jī)的控制。

　　2 TDI-CCD的工作原理及驅(qū)動(dòng)分析

　　2.1 TDI-CCD工作原理簡(jiǎn)介

　　TDI（time delay and integration）是一種能夠增加線掃描傳感器靈敏度的掃描技術(shù)。TDI-CCD是具有一種面陣結(jié)構(gòu)、線陣輸出的新型CCD，較普通的線陣CCD而言，它具有多重級(jí)數(shù)延時(shí)積分的功能。從其結(jié)構(gòu)來(lái)看，多個(gè)線陣平行排列，像元在線陣方向和級(jí)數(shù)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(jí)數(shù)自下而上為第1級(jí)至第96級(jí)。在成像過(guò)程中，隨著相機(jī)（或景物）的運(yùn)動(dòng)，TDI-CCD從第96級(jí)至第1級(jí)依次感光，電荷從第96級(jí)至第1級(jí)逐級(jí)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(shù)據(jù)信息）轉(zhuǎn)移到CCD水平讀出寄存器上，并從第1級(jí)經(jīng)運(yùn)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(jí)數(shù)來(lái)增加曝光時(shí)間。在傳感器成像時(shí)，由于信號(hào)存儲(chǔ)與曝光時(shí)間是成正比的，TDI-CCD通過(guò)延長(zhǎng)曝光時(shí)間來(lái)增加所收集到的光子，因此比一般線陣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(yīng)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(jí)CCD相機(jī)的關(guān)鍵組成部件， 其性能的優(yōu)劣直接影響著相機(jī)的功能和使用效果。該科學(xué)級(jí)CCD 相機(jī)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(jié)構(gòu) 2048×96 。像元尺寸為13μm（ H） ×13μm（ V ）、最高數(shù)據(jù)輸出頻率為20MHz 、動(dòng)態(tài)范圍為1600:1 、單向、單端輸出、級(jí)數(shù)可選、具有藍(lán)光響應(yīng)增強(qiáng)功能的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD可以分為3個(gè)功能區(qū)，即光敏元探測(cè)區(qū)、電荷傳輸區(qū)、檢測(cè)輸出區(qū)。