线阵CCD成像系统自校图形设计

    1 引 言 

    自从CCD(Charge Coupled Device)问世以来,传感器成像技术发展迅速,尤其是TDI-CCD以其时间延迟积分和推扫成像的特点,在航空航天侦察领域得到广泛的应用。对于CCD相机成像系统而言,除了CCD还有很多其他重要组成部分,如光学系统、CCD信号处理模块、通讯模块、数据传输模块、图像压缩系统[1]等。由于CCD器件非常昂贵,系统联试时不能频繁插拔CCD,子系统组装测试时也不需要加CCD,因此必须在CCD信号处理模块中设计一系列自校图形作为仿真CCD的数据源,一方面可以在子系统组装时测试接口连接是否正确,另一方面可以检测CCD时序是否正常,像素输出是否有串行现象。

    本文以CCD推扫成像原理为出发点,结合成像系统组成结构和调试需求,设计了功能特点各异的几种自校图形,满足了成像系统调试和检测的需要。

    2 线阵CCD推扫成像原理

    在星载TDI-CCD相机中,线阵CCD对物体进行推扫成像,如图1所示,为确保目标物体成像的质量,必须使TDI-CCD线阵移动方向与目标像移方向一致[2],同时还要使光生电荷包的转移速度与目标的合成像移速度相匹配[3],即在推扫一行目标物体的同时将上一行的电荷包转移出CCD。经信号处理模块A/D量化后,CCD图像数据在行使能信号有效时输出到显示终端,逐行扫描就可以将目标图像显示出来。

    3 CCD成像系统概要组成

    为说明自校图形的设计背景,先简要介绍CCD成像系统的组成(如图2所示)。来自成像物体的光线经由光学系统在CCD焦平面上成像,在正常驱动CCD的情况下,CCD感光产生电荷并输出模拟视频信号,在CCD信号处理模块中经A/D转换量化,由FPGA采集量化数据并按照预定格式传送到数传模块,最后图像数据经压缩模块[1]和解压缩模块后到达显示终端。其中,图像还可以在压缩前经数传端口直接引出到图像显示终端以便及时观察图像,另外也便于与压缩后的图像作对比。为测试整个相机系统的传递函数MTF[4],采用鉴别率板[8]作为成像物体[5]。自校图形的产生由CCD信号处理模块中的主处理器FPGA产生。

    4 自校图形设计实现

    4.1 硬件实现

    对于不同类型的CCD,自校图形设计也不尽相同,即使同一类型的CCD,其自校图形也可能千变万化。自校图形由CCD信号处理模块产生,因此完全可以采用具有高度灵活性的FPGA来设计实现。FPGA以其功能强大、开发周期短、可反复编程修改等特性,在数字信号处理领域得到了广泛的应用。

    该设计中的FPGA芯片选用Xilinx公司生产的XCV300-4PQ240I芯片,它具有DLL(数字延迟时钟锁相环),内部触发器资源约30万门,有丰富的I/O资源,且管脚配置灵活。CCD信号处理模块的主要功能是产生CCD时序以及采集和下传图像数据,因此要求自校图形设计资源占用不超过10%。