高分辨率多光谱数字相机电子学系统的设计

    1 引 言

    研制了一种空间分辨率高和识别地物能力强的机载多光谱数字相机。该系统具有曝光控制、行频调节、焦面调整、增益调整、实时数据采集存储等功能,能够在气候条件较差的情况下成像。为了满足机载设备的要求,该系统还包括一套自适应稳定平台,用以补偿在恶劣气候条件下的飞行。

    2 系统设计

    所研制的系统采用了一个2048pixel和14Lm@14Lm的线阵CCD器件。由于它具有100%的填充因子,所以它对入射光具有非常出色的灵敏度响应、抗光晕控制和曝光控制。它的噪声电压为0144mV(RMS),电荷转移效率为01999999(Type),动态范围大于1800B1,灵敏度最高可以达到43V/(LJ/cm2)。

    电子学系统主要由时序产生单元、信号处理单元、信号控制单元、数据输出接口单元和数据采集存储单元等部分组成,其总体框图如图1所示。

    2.1 时序产生单元

    CCD是一种需要逻辑脉冲和偏置电压驱动才能正常工作的器件,而且整个系统协调有序的工作也需要一定的时序来保证,因此时序产生单元是整个电子学系统设计的基础。时序产生单元采用的是CPLD集成化设计理念。通过使用可编程逻辑器件,降低了系统的功耗、减小了电路的体积、提高了集成度、易于实现对设计的修改和完善。时序产生电路不仅为CCD器件的正常工作提供所需的时序逻辑,而且也为视频处理电路中的相关双采样(cor-relative double sample)提供所需的采样脉冲,同时还为A/D转换器提供转换脉冲,为输出接口提供同步脉冲、数据驱动脉冲和使能信号等。CPLD选用的是ALTERA的EPM7128SLC_10,其可用逻辑门数目达到了2500个,可满足本系统的要求。采用10MHz的外接晶体振荡器可为CPLD提供输入源脉冲信号,这一脉冲信号经过四分频后既可作为像元时钟信号,同时也可作为本系统所需的其它信号的基准脉冲信号。不同的数字计数器模块通过计算输入的像元时钟的个数来产生不同的限制信号,这些限制信号和像元时钟脉冲通过一定的逻辑组合产生相应的脉冲和逻辑电平信号,然后再通过触发器模块或锁存器模块输出,产生系统所需要的各种相关时序信号。实验中采用了多个14bit的数字比较器模块和12bit的数字比较器模块、多个D触发器模块和锁存器模块以及多个逻辑门模块,共同组成了时序逻辑产生电路。其时序逻辑如图2所示。

    2.2 信号处理单元

    信号处理单元主要用来处理由CCD输出的电信号,它包括前置放大、相关双采样、钳位、滤波、放大、模数转换等部分。

    前置放大充分考虑了信号的带宽和增益要求。采用差分放大器结构能够有效地降低CCD输出信号的共模干扰。为了降低CCD器件的复位噪声,采用了相关双采样(CDS)技术,可以使复位噪声范围降低一个数量级。CDS处理电路采用的是Atmel公司生产的专用芯片CDS1402,这一芯片采用的是采样、相减、采样的工作方式。首先采样CCD输出信号的每一个像元的偏移量,然后与视频信号相减,之后进行再次采样,得出有效视频信号。CDS1402的最大工作频率为5MHz,内部集成了两个独立的采样保持放大器,不仅可以完成相关双采样的功能,而且还可以同时输出四路A/D转换器的控制脉冲。