基于FPGA的科学级CCD相机时序发生器的设计

    1 引言

    科学级 CCD 相机(Scientific grade CCD camera)是一种具有低噪声、高灵敏度、大动态范围和高量子效率等优良性能的CCD 相机,用于对微光信号检测和微光成像。它在射线数字成像检测、生物医学工程、水下摄影、武器装备、天文观测、空间对地观测等多种技术领域得到了广泛应用。

    科学级 CCD 相机一般由高速 CCD 感光芯片、视频信号处理器、时序控制器、时序发生器、时序驱动器、外部光学成像系统等部分组成, 其中时序发生器性能的优劣直接决定了相机的品质参数。该科学级 CCD 相机采用 DALSA 公司的 IL- E2 型TDI- CCD 作为传感器, 本文分析了 IL- E2 型 TDI- CCD 芯片的工作过程和对驱动信号的要求, 在此基础上设计出合理的时序电路 为了满足在实际工作中像移速度异速匹配的要求, 在时序电路的设计中时序发生部分是可调的。这种设计方案简单、可靠、实用。在综合比较各种硬件实现电路的优缺点后,选用现场可编程逻辑门阵列(FPGA) 作为硬件设计平台,使用 VHDL 语言对驱动电路方案进行了硬件描述,采用 EDA 软件对所设计的时序发生器成功地进行了功能仿真。最后针对 XILINX 公司的可编程逻辑器件 XC2VP20- FF1152 进行了适配和硬件电路调试,进而实现了对整个科学级 CCD 相机的控制。

    2 TDI- CCD 的工作原理及驱动分析

    2.1 TDI- CCD 工作原理简介

    TDI(time delay and integration) 是一种能够增加线扫描传感器灵敏度的扫描技术。TDI- CCD 是具有一种面阵结构、线阵输出的新型 CCD, 较普通的线阵 CCD 而言, 它具有多重级数延时积分的功能。从其结构来看, 多个线阵平行排列, 像元在线阵方向和级数方向呈矩形排列, 像元分布示意图如图 1 所示。

    图 1 中, TDI- CCD 的电荷累积方向是沿 Y 向进行的, 其推扫级数自下而上为第 1 级至第 96 级。在成像过程中, 随着相机( 或景物) 的运动, TDI- CCD 从第 96 级至第 1 级依次感光, 电荷从第 96 级至第 1 级逐级累积。最终, 经过多重延时积分积累起来的电荷包( 成像数据信息) 转移到 CCD 水平读出寄存器上,并从第 1 级经运算放大器传输出去。从 TDI- CCD 的电性能特点可以看出, TDI- CCD 为一种单方向推扫成像器件。与一般CCD 相比, TDI 借助了 6、12、24、48、96 等可变积分级数来增加曝光时间。在传感器成像时, 由于信号存储与曝光时间是成正比的, TDI- CCD 通过延长曝光时间来增加所收集到的光子, 因此比一般线阵 CCD 具有更高的灵敏度, 可用在低光照度环境下成像, 同时又不会影响扫描速度。TDI- CCD 具有可以不牺牲空间分辨率和工作速度的情况下获得高灵敏度这个突出特点,使其在高速、微光领域具有广泛的应用前景 。