基于线阵CCD的空间相机实时检焦系统研究

   

    1 引 言

    对于长焦距、高分辨力的空间相机进行精密检调焦是必不可少的,这是由于火箭发射时冲击、振动以及载荷舱内的大气压力和温度变化的影响,造成相机光学结构发生变形,使照相分辨力下降。为保证成像质量,在照相前必须进行检调焦。

    CCD是20世纪70年代初发展起来的新型半导体器件,它是一种以电荷包的形式存储和传递信息的半导体器件,具有分辨力高、响应速度快等优点。线阵CCD由于其光敏元排列规则,且位置精度高,十分适于位置的非接触测量。

    2 焦面位置检测系统原理

    本文所提及的焦面检测系统是一套自准直检焦系统,该系统使用线阵CCD作为自准直检焦光信号位置的检测传感器。自准直检焦光学结构原理如图1所示[1]。

    设成像物镜的相对孔径为D/f=1/F,目标离焦$时,狭缝像经分离透镜成在CCD上的二个像分别产生了一个D/2的偏移,设分离透镜成像倍率为M,在任何一个离焦位置均精确求出D,利用公式$=-DF/M即可求出离焦量$。被检测的信号如图2所示,图中实线表示合焦时光斑的位置,虚线表示前、后离焦时的情况。在实际的信号中,还有许多的噪声叠加在信号上。

    3 系统构成

    基于线阵CCD的相机焦面位置检测,是使用线阵CCD对自准直光信号成在其表面的光斑像的位置进行检测。这是一种静态检测,即在检测过程中,信号位置相对不变。线阵CCD焦面检测系统的电路框图如图3所示。

    目前,国外生产的线阵CCD芯片,为了防止相邻像元在转移脉冲的驱动下引起串扰,CCD芯片像元间距一般都为10Lm左右,最小的也有7Lm。为提高分辨能力,我们尽量选用像元尺寸小的CCD器件。经过比较,选择了加拿大DALSA公司生产的IL-C7-4096型线阵CCD传感器作为光信号采样传感器。IL-C7-4096像元尺寸为7Lm@7Lm,共有4096个像元,每通道输出数据率可达30MHz的双路输出的高速线阵CCD传感器。

    3.1 驱动时序电路

    IL-C7-4096是一种二相的线阵CCD,它的全部时序如图4所示。其中,CR1、CR2是移位寄存器转移时钟, RST是复位脉冲,RST为高时,CCD输出(OS1和OS2)被复位。TCK是转移脉冲,用来控制像元信号电荷移向CCD移位寄存器。PR信号可控制CCD的有效积分时间,有效的积分时间从PR信号的下降沿开始,到下一个TCK信号的上升沿。

    由于检焦系统中对自准直光斑的测量是静态测量(即CCD各个像元接收到的光分布信号在时间上变化足够地慢,以致于可以忽略),因此,不会因为积分时间加长对测量精度造成较大影响。考虑到系统中自准直光的反射效率较低, CCD表面的光强较弱,采用加长积分时间的办法来进行补偿。经过反复实验,选定RST的频率为128kHz,占空比为1B3。CR1、CR2的频率也是128kHz,占空比为1B1;不使用积分时间控制(PR信号接低电平);IL-C7-4096共有两个输出端,每个输出端每帧输出2048个有效像元、5个暗像元和4个隔离像元,共2057个像元,则每个TCK信号周期应至少包括2057个RST周期。按以上时序关系,输入给IL-C7 CCD传感器,即可使其正常工作。下面介绍一下时序产生电路。