基于超高分辨率CCD成像系统的优化设计

【摘 要 】人们视觉能力的改善和扩展需要借助各种成像辅助装置才能实现,因为一些图像信息是人眼不能直接获得的.随着科学技术的不断发展,各种成像技术已经开始广泛应用于各个领域,例如医学影像、智能交通、摄影测量与遥感等领域.本文针对成像技术的这一发展趋势,分析了基于超高分辨率的CCD成像系统的设计优化.

【关 键 词 】超高分辨率,CCD成像系统,系统优化设计

在高分辨的航空航天遥感中,CCD成像系统应用比较广泛,该设备在遥感数据的获取中具有非常重要的作用.另外在海洋测绘、水下探测及其它相关领域均有广泛的应用.因为使用CCD图像传感器为核心器件的成像系统具有如下特点：空间分辨率及光灵敏度高、动态范围大、读出噪声比较低等.研究该成像系统的优化设计具有重要意义.

一、高分辨率CCD成像系统的组成及结构

(一)高分辨率CCD成像系统的组成

高分辨率成像系统主要是由CCD探测器、电气及可见光光学系统、显示设备组成,其组成图如图1所示.成像系统成像过程中需要CCD探测器提供初始的视频模拟信号,CCD成像系统的核心组成部分是电气系统,因为CCD探测器在工作过程中需要给系统提供必要的数据信息及相关帮助,包括电源、数字驱动信号、图像处理算法等,同时电气设备还可以处理和优化相应实时图像,并将其转化为标准的视频传输格式,以便在最后显示设备中显示出高清图像.

图1 超高清分辨率CCD成像系统组成

CCD成像系统完整成像过程为：CCD成像系统的光学镜头接收来自图像采集目标辐射或反射出的可见光,并将这些接收到的可见光汇集到CCD探测器焦平面阵列上,该阵列对可见光产生响应电荷,并最终将其储存在像元中,这种响应电荷会被响应读出电路读取,并转化成便于传输的数字信号,传输到数字处理板上,数字处理板的作用是对图像视频进行一系列处理,并最终将其转化成标准视频传输格式,由显示设备显示处理结果.

(二)高分辨率CCD成像系统结构

图2 超高分辨率CCD成像系统结构

高分辨率CCD成像系统结构主要由硬件系统和软件系统两部分构成,硬件系统包括电源板、驱动板、数字处理板和接口板（如图2所示）,软件系统包括数字图形处理程序、显示程序、数字图像传输程序等.

二、超高分辨率CCD成系统优化设计研究

(一)超高分辨率CCD功率驱动优化设计

目前超高CCD成像系统的设计者要自行编写时序产生的程序,在功率驱动方面设计方法主要有两种,一种是集成功率芯片,另一种是分立电路.集成功率芯片主要有EL72XX系列（由Intersil公司生产）等.集成功率芯片以其多方面的优点满足了很多CCD的应用,其优点有：稳定性好、驱动电流大、硬件电路设计简单和体积小等.但是这种设计方法有一个缺点,就是其集成功率芯片电压摆幅有限,不适用于对电压要求较高的超高分辨率CCD,而且对部分引脚的驱动需求也不能完全满足,因此其应用受到了一定程度的限制.分立器件电路在使用中存在同样的问题,虽然在低分辨率CCD领域具有很好的优势,但难以实现高分辨率CCD对管的匹配,因为随着驱动电流的提升,分立器件电路选择有限,在高分辨率CCD上没有获得广泛的应用.在这方面可以采用KAF-50100功率驱动系统进行设计优化.

(二)FPGA嵌入式系统优化设计

在高分辨率CCD成像系统设计优化中,关键是对信号处理的优化.数字信号处理器是其中较好的优化选择.这种处理器在算法上进行了优化,在对相关信号进行处理时效率比较高,因此能够实现实时处理数据的要求,对高分辨率CCD成像系统优化设计很有益处.随着工程信息技术的不断深入发展,系统处理数据将会向实时、高效方向发展.在这一进程中,以DPS芯片和核心的实时信号处理器将面临巨大的挑战.因此海量的实时数据处理需要设计高速硬件逻辑来完成,其中性能比较好的是FPGA嵌入式系统.

在图像数据的采集控制中,FPGA起着至关重要的作用,因为FPGA可以并行控制大量多线数据.在FPGA内部嵌入专用于数据处理的逻辑单元后,即可实施处理海量数据.这些专用于数据处理的逻辑单元包括加法器和乘法器等.要实现高分辨率CCD成像的实时显示,就必须考虑设计成本和系统开发周期的影响,将FPGA芯片运用到图像数据的实时处理和图像采集中,同时将经过预处理的图像数据信息通过一定传输装置输送到HDMI高清视频编码芯片.其中高速图像数据信息的缓存主要通过外部存储器实现.图像采集与实时处理系统构成如图3所示.

图3 图像采集与实时处理系统构成

(三)低噪声电源优化

设计低噪声模拟电压设计主要体现在以下几方面：为控制噪声源头而选择用低噪声电源管理芯片,为控制噪声路径设计精密的板极,为控制噪声接收,在接收终端采用滤波措施.

高分辨率CCD电压源头是电源管理芯片,模拟电压总体噪声水平取决于高分辨率CCD电压源头噪声水平.LDO在目前的电源管理芯片中应用比较广泛,这种线性稳压器只能在降压中使用,其优点体现在：具有较好的稳定性,负载时有较快的响应能力,输出纹波也相对较小,但是其也存在一些缺陷：受输入输出电压限制较大,运作效率不高,负载能力不强.另一种应用比较广泛的电源管理芯片是DC-DC,这种形式的电源管理芯片一般在开关电源中运用比较广泛,它具有诸如BUCK,BOOST等多种拓扑结构,相比LDO有效率高和不受输入电压范围限制等优点,其负载相应及纹波都不及LDO.在CCD探测器中,模拟电压对电流要求不高而对噪声要求很高,从上面的分析对比中可知,LDO是相对理性的选择.电源需要给驱动板提供一部分电压,另外一部分则由驱动板自行供给,驱动板自行供给的这部分电压要求将噪声控制在比较低的水平,而对电流要求则不高.

三、结束语

本文在高分辨率CCD成像系统的组成和结构研究的基础上,从超高分辨率CCD功率驱动优化设计、FPGA嵌入式系统优化设计和低噪声电源优化几方面探讨了基于高分辨率CCD成像系统的设计优化问题.相信随着研究的深入,这方面的设计优化将取得新的成果.