高信噪比星載CCD成像電路系統(tǒng)

鄭亮亮，金　光，曲宏松，吳　勇

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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高信噪比星載CCD成像電路系統(tǒng)

鄭亮亮1,2,*，金光1，曲宏松1，吳勇1

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

為獲得高信噪比的航天遙感圖像，針對(duì)CCD成像系統(tǒng)鏈路分析了影響圖像信噪比的主要因素。結(jié)合CCD成像系統(tǒng)的響應(yīng)模型，明確了系統(tǒng)信噪比的表達(dá)式，并擺脫了具體CCD型號(hào)的束縛，提出了一種"總-分-總"的高信噪比成像電路系統(tǒng)通用設(shè)計(jì)方法。描述了系統(tǒng)從頂層總體設(shè)計(jì)、底層各電路模塊設(shè)計(jì)以及全系統(tǒng)聯(lián)試的完整研制方法。將該方法應(yīng)用于吉林一號(hào)衛(wèi)星高分辨率多光譜CCD成像電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，并對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行了輻射定標(biāo)試驗(yàn)，獲得了高信噪比的圖像數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：在灰度為80%飽和輸出時(shí)，獲得的全色圖像信噪比達(dá)到了53.9 dB，多光譜圖像的最高信噪比達(dá)到了56.3 dB，且圖像數(shù)據(jù)經(jīng)融合后色彩真實(shí)、絢麗。本文的CCD成像電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法能夠?yàn)槠渌教爝b感載荷的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

電荷耦合器件(CCD)；星載CCD相機(jī)；CCD成像電路；信噪比；吉林一號(hào)衛(wèi)星

*Correspondingauthor,E-mail:adqe@163.com

1　引　言

電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的一種光電成像器件，其能將光信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于空間遙感等領(lǐng)域。星載CCD相機(jī)在軌能夠獲得寬幅、高分辨率的對(duì)地觀測(cè)圖像數(shù)據(jù)，在國(guó)家安全防御、目標(biāo)搜索與偵察、資源普查、突發(fā)事件監(jiān)測(cè)等方面均有極大作用，而高信噪比的圖像數(shù)據(jù)一直是航天遙感相機(jī)所追求的目標(biāo)，其包含更多的目標(biāo)細(xì)節(jié)信息，有利于地面應(yīng)用人員做出正確的判讀與識(shí)別，因此研制出高信噪比的星載CCD成像電路系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于CCD成像電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究已有不少報(bào)道[1-7]，但均是針對(duì)某具體型號(hào)CCD傳感器而設(shè)計(jì)的成像系統(tǒng)，其中電路設(shè)計(jì)介紹較詳細(xì)的當(dāng)屬文獻(xiàn)[4-5]。文獻(xiàn)[4]論述了針對(duì)1 024 pixel×1 024 pixel電子倍增(EM)CCD圖像傳感器(CCD201)的數(shù)字化相機(jī)設(shè)計(jì)方法，利用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)產(chǎn)生CCD邏輯時(shí)序及視頻同步處理控制時(shí)序，使用帶有相關(guān)雙采樣功能的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并介紹了時(shí)序控制、驅(qū)動(dòng)電路和視頻處理電路等關(guān)鍵組成部分的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[5]利用50M像元的全幀型CCD芯片KAF50100設(shè)計(jì)了超高分辨率CCD成像系統(tǒng)，CCD輸出的圖像信號(hào)在專(zhuān)用模擬前端芯片AD9845B中進(jìn)行處理和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，再由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)緩存與排序，最后通過(guò)低壓差分信號(hào)(LVDS)接口輸出圖像數(shù)據(jù)。這些文獻(xiàn)均只是針對(duì)某具體型號(hào)CCD傳感器而開(kāi)展的電路設(shè)計(jì)，缺乏通用性和靈活性，尚未有高信噪比CCD成像電路系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)方法。

不同于以往成像電路的設(shè)計(jì)，本文擺脫了具體CCD型號(hào)的束縛，通過(guò)分析成像鏈路對(duì)信噪比的影響，提出了高信噪比CCD成像電路的通用設(shè)計(jì)方法與流程，并將該方法應(yīng)用于吉林一號(hào)衛(wèi)星的高分辨率CCD成像系統(tǒng)中，獲得了高信噪比的圖像數(shù)據(jù)。

2　成像電路系統(tǒng)對(duì)信噪比的影響

星載CCD成像系統(tǒng)通常使用具有時(shí)間延遲積分功能的CCD傳感器，即TDI(Time Delay Integration)CCD，其通過(guò)對(duì)同一目標(biāo)多次曝光，增大對(duì)目標(biāo)光能量的收集。TDI CCD成像電路系統(tǒng)的組成通常如圖1所示，地物目標(biāo)的光信號(hào)通過(guò)相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)入射到由TDI CCD傳感器組成的焦平面上，CCD傳感器對(duì)目標(biāo)的光信號(hào)進(jìn)行積分曝光，完成光電轉(zhuǎn)換，并輸出相應(yīng)比例的模擬視頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)預(yù)放單元的阻抗匹配與信號(hào)放大后輸入到視頻處理電路。

視頻處理電路通常集成了相關(guān)雙采樣(Correlated Double Sample，CDS)、可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，因此該電路模塊的主要功能是完成CCD有效視頻信號(hào)的提取、放大與數(shù)字量化處理，是影響圖像信噪比的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，量化后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)字處理電路進(jìn)行緩存。

數(shù)字處理電路是成像電路系統(tǒng)的控制核心，其負(fù)責(zé)輸出滿足CCD工作需求的各路原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制偏置電源的上、下電順序與視頻處理電路的工作時(shí)序，利用通信總線接收控制指令，返回遙測(cè)參數(shù)，并將圖像數(shù)據(jù)按照約定的圖像傳輸格式經(jīng)由接口電路輸出到數(shù)傳系統(tǒng)。

驅(qū)動(dòng)放大電路將原始的CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大，輸出滿足CCD工作需求的各路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，偏置電源電路主要是提供CCD工作所需的各種穩(wěn)定電源，這兩部分電路也是影響圖像信噪比的關(guān)鍵部分。

圖1　TDI CCD成像電路系統(tǒng)示意圖Fig.1　Sketch map of TDI CCD imaging circuit system

由圖1所示的成像電路系統(tǒng)，分析影響圖像信噪比的主要環(huán)節(jié)。由于CCD輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，當(dāng)模擬信號(hào)完成數(shù)字量化后，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的處理流程，而數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)，對(duì)圖像信噪比的影響基本可忽略，因此影響圖像信噪比的主要環(huán)節(jié)是模擬電路部分，主要包括：偏置電源電路、驅(qū)動(dòng)放大電路、預(yù)放單元和視頻處理電路。

假設(shè)偏置電源和驅(qū)動(dòng)放大電路對(duì)CCD傳感器輸出模擬視頻信號(hào)的噪聲影響分別為np和nd，則成像電路系統(tǒng)主要的工作噪聲電壓可表示為：

n=gad×(gop×(np+nd)+nop)+nad，

(1)

式中：nop和nad分別表示預(yù)放單元與視頻處理電路的工作噪聲，gad和gop分別表示視頻處理電路與預(yù)放單元的放大倍數(shù)。

式(1)只是單個(gè)像素的成像電路噪聲表達(dá)式，若針對(duì)一幅圖像陣列，則會(huì)有h×k個(gè)式(1)形式的表達(dá)式，成像電路系統(tǒng)的噪聲可利用RMS形式表示為：

(2)

除了成像電路的工作噪聲外，CCD傳感器自身還有散粒和暗電流等工作噪聲，因此成像系統(tǒng)的總噪聲為：

(3)

式中：ns表示散粒噪聲，其主要與入射光子數(shù)有關(guān)，nd表示暗電流噪聲，其主要與CCD傳感器的工作溫度有關(guān)。

CCD成像電路系統(tǒng)輸出的視頻電壓信號(hào)計(jì)算公式為[8]：

VS=gadgopE(λ)MTintR(λ),

(4)

式中：E(λ)為CCD成像系統(tǒng)焦平面處的輻射照度，單位為W/m2，M表示TDI CCD傳感器的積分級(jí)數(shù)，取值范圍由其自身結(jié)構(gòu)決定，積分級(jí)數(shù)為M，即表示有M行像元對(duì)目標(biāo)進(jìn)行曝光累加，Tint表示TDI CCD工作時(shí)的積分時(shí)間，即表示每行像元對(duì)目標(biāo)的曝光時(shí)間，R(λ)為CCD的光譜響應(yīng)函數(shù)，其表征CCD傳感器的光電轉(zhuǎn)化能力，是傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，單位為V/μJ/cm2。

因此CCD成像系統(tǒng)的信噪比計(jì)算公式可表示為：

(5)

由式(5)可知，在光照與CCD工作溫度確定的條件下，為使成像系統(tǒng)獲得高信噪比的圖像，應(yīng)在保證系統(tǒng)輸出信號(hào)的同時(shí)，盡量降低成像電路系統(tǒng)的工作噪聲。即從抑制系統(tǒng)工作噪聲的角度考慮，進(jìn)一步提高圖像的信噪比。

3　高信噪比成像電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

分析公式(1)可知，驅(qū)動(dòng)放大電路與偏置電源的噪聲對(duì)成像電路的影響最敏感，其次是預(yù)放模塊和視頻處理電路，因此為獲得高信噪比的圖像數(shù)據(jù)，CCD成像電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞上述4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)開(kāi)展，本文提出了“總-分-總”的成像電路系統(tǒng)通用設(shè)計(jì)方法，即總體設(shè)計(jì)-分布設(shè)計(jì)-總體聯(lián)試。

3.1成像電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)總體任務(wù)要求進(jìn)行成像電路系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，規(guī)劃出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架與組成，制定總體設(shè)計(jì)原則，即從設(shè)計(jì)源頭就要考慮成像系統(tǒng)的噪聲抑制，包括：CCD的片間串?dāng)_抑制、關(guān)鍵高速模擬信號(hào)與偏置電源的信號(hào)完整性等問(wèn)題，同時(shí)需明確各電路模塊的設(shè)計(jì)需求。

為抑制CCD的片間串?dāng)_噪聲，需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源與地平面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將每片CCD的供電電源及相應(yīng)地平面進(jìn)行隔離處理。若成像系統(tǒng)的焦平面由m片CCD傳感器拼接組成，CCD成像電路系統(tǒng)的電源與地平面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

(a)二次電源及地平面統(tǒng)一(a)Unity of secondary power source and ground plane

(b)二次電源及地平面隔離(b)Separation of secondary power source and ground plane圖2　多片CCD成像系統(tǒng)電源與地平面拓?fù)湓O(shè)計(jì)Fig.2　Topology structure of power and ground plane for multi-CCD imaging system

每片CCD傳感器均有其獨(dú)立的偏置電源電路，為相應(yīng)的CCD、驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)放電路與視頻處理電路供電，從而實(shí)現(xiàn)CCD片間成像電路系統(tǒng)的相互隔離，進(jìn)一步抑制串?dāng)_噪聲。圖2(a)中，所有CCD成像電路使用統(tǒng)一的二次電源和地平面，而2(b)中，成像電路使用了各自獨(dú)立的二次電源與地平面，其CCD片間的隔離效果更好，串?dāng)_噪聲也最小，但對(duì)于星上資源的要求也更高，需要更多的連線，二次電源模塊數(shù)量成倍增多，系統(tǒng)的體積和重量將進(jìn)一步加大。因此，在進(jìn)行成像電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)不同系統(tǒng)的具體要求確定設(shè)計(jì)方案。

3.2分布設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)后，即可依照總體設(shè)計(jì)原則，對(duì)系統(tǒng)的各電路模塊逐一進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。成像電路系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，具體包括：偏置電源、驅(qū)動(dòng)放大電路、預(yù)放單元、視頻處理電路和數(shù)字處理電路等。

a)偏置電源

偏置電源是將星上所提供的二次電源轉(zhuǎn)換為CCD傳感器及驅(qū)動(dòng)放大電路工作所需的各種三次電源，為獲得多種低噪聲、高穩(wěn)定的偏置電源，而且各種電源的加斷電順序還有要求，因此采用使用控制端的線性穩(wěn)壓模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其具有噪聲低、電源抑制比高和靜態(tài)功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

CCD參考手冊(cè)明確了偏置電源的種類(lèi)并計(jì)算各電源模塊的功耗，在滿足航天設(shè)備一級(jí)降額要求下，確定偏置電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與具體的設(shè)計(jì)方案，再開(kāi)展原理圖及PCB的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

偏置電源在PCB布線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用大面積鋪銅方式，優(yōu)化電源完整性，抑制地彈等噪聲。

b) 驅(qū)動(dòng)放大電路

CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有大容性負(fù)載、寬電壓擺幅等特點(diǎn)，某些驅(qū)動(dòng)信號(hào)還有特殊的負(fù)電位要求，為獲得滿足驅(qū)動(dòng)要求的各路時(shí)序信號(hào)，可采用驅(qū)動(dòng)芯片與分立元件電路相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)CCD參考手冊(cè)，明確驅(qū)動(dòng)信號(hào)的具體需求，包括：驅(qū)動(dòng)信號(hào)的總數(shù)量、工作頻率、高低電位要求及容性負(fù)載大小等。結(jié)合上述具體需求選擇適合的集成驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，同時(shí)計(jì)算每片驅(qū)動(dòng)芯片的功耗，在滿足航天設(shè)備一級(jí)降額要求的條件下，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)信號(hào)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，再開(kāi)展原理圖及PCB的具體設(shè)計(jì)。

為獲得高信號(hào)完整性的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采用串聯(lián)源端接電阻的方法，減少信號(hào)反射，抑制信號(hào)的過(guò)沖現(xiàn)象[9]。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)要保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的阻抗連續(xù)，并且信號(hào)的回流路徑要盡量短。

c)預(yù)放單元

由于CCD視頻信號(hào)輸出端的阻抗通常較大，一般在百歐姆量級(jí)，因此為便于后續(xù)電路的處理，利用預(yù)放單元對(duì)CCD輸出的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行射隨與阻抗匹配?？梢圆捎酶邏簲[率、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

CCD模擬視頻信號(hào)的幅值通常較小，易受干擾，為保證模擬視頻信號(hào)的信號(hào)完整性，應(yīng)控制該信號(hào)的走線長(zhǎng)度，并要阻抗匹配，同時(shí)用地線將其與其他信號(hào)隔離開(kāi)，以降低模擬視頻信號(hào)的串?dāng)_噪聲。

d)視頻處理電路

視頻處理電路的主要功能包括：相關(guān)雙采樣、增益與偏置控制和模數(shù)轉(zhuǎn)換，可采用集上述功能于一體的專(zhuān)用芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，目前有很多芯片可供選擇。

根據(jù)成像系統(tǒng)的工作頻率，選擇具有適合帶寬的視頻處理器，由于CCD輸出通道可能較多，為此要選擇低功耗的器件，并且為抑制信號(hào)間的串?dāng)_，應(yīng)對(duì)多通道視頻處理電路進(jìn)行隔離處理，每個(gè)處理芯片使用獨(dú)立的供電模塊，減少芯片間的相互耦合。

由于視頻處理芯片集成了數(shù)字電路和模擬電路，為抑制片內(nèi)兩種電路間的干擾，將其供電電源與地平面分別隔離開(kāi)來(lái)，數(shù)字地和模擬地使用磁珠或0歐姆電阻進(jìn)行連接。[10]

數(shù)字處理電路要輸出滿足CCD工作要求的各路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制偏置電源電路的上下電順序與視頻處理電路的工作時(shí)序，并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與編排?？刹捎肍PGA或CPLD等器件進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。結(jié)合CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、視頻處理電路的時(shí)序信號(hào)以及系統(tǒng)的工作頻率等要求，估算所需的資源情況，選擇適合的邏輯器件。同時(shí)考慮到空間環(huán)境可能影響成像電路系統(tǒng)的工作性能，因此對(duì)于CCD、FPGA等重要關(guān)注件需要選擇高等級(jí)器件，并采取高可靠的設(shè)計(jì)措施，從而保證成像系統(tǒng)在壽命末期仍可高效能工作。

3.3總體聯(lián)試

在完成上述設(shè)計(jì)步驟以后，經(jīng)PCB生產(chǎn)與電裝，即進(jìn)入了各電路模塊的調(diào)試階段，根據(jù)各模塊的具體功能要求進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試與試驗(yàn)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)放大電路，此時(shí)要結(jié)合實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形，選擇合適的串行端接電阻，從而保證關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳輸質(zhì)量。當(dāng)各電路模塊功能均測(cè)試正常后，可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試，測(cè)試接口的匹配性，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。

4　高信噪比成像電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

將高信噪比成像電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于吉林一號(hào)衛(wèi)星的高分辨率CCD成像系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中。驗(yàn)證該方法的實(shí)用性與靈活性。

該相機(jī)系統(tǒng)使用了4片集成全色及3個(gè)多光譜譜段的TDI CCD傳感器，在656 km軌道高度上可以獲得的全色分辨率優(yōu)于0.72 m，多光譜分辨率優(yōu)于2.88 m的高分辨率圖像數(shù)據(jù)。

4.1吉林一號(hào)成像電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)要求成像電路系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)四片TDI CCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理，每片CCD成像電路的設(shè)計(jì)框架與組成如圖1所示，結(jié)合相機(jī)系統(tǒng)的軌道高度、分辨率及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，可確定成像系統(tǒng)在軌工作的默認(rèn)參數(shù)：積分時(shí)間為0.1 ms，像素讀出時(shí)鐘為7.5 MHz。由于CCD傳感器集成了全色和3個(gè)多光譜譜段，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)不僅要注意多片CCD的片間串?dāng)_，還要注意片內(nèi)多譜段同時(shí)工作時(shí)相互間的串?dāng)_。

結(jié)合成像系統(tǒng)在體積和重量方面的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)為獲得高信噪比圖像，進(jìn)一步抑制CCD的片間串?dāng)_噪聲，吉林一號(hào)CCD成像電路系統(tǒng)的電源與地平面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　吉林一號(hào)CCD成像電路系統(tǒng)電源與地平面拓?fù)銯ig.3　Topology structure of power and ground plane for Jilin-1 multi-CCD imaging system

4.2吉林一號(hào)成像電路系統(tǒng)分布設(shè)計(jì)

可用于空間環(huán)境的某型號(hào)多光譜TDI CCD傳感器由一個(gè)全色感光區(qū)和紅、綠、藍(lán)(R、G、B)三個(gè)多光譜感光區(qū)組成，其中全色感光區(qū)每行4 096 pixel，每個(gè)多光譜感光區(qū)每行1 024 pixel，因此其具備輸出全色圖像和彩色圖像的功能，其組成如圖4所示。全色感光區(qū)有8個(gè)圖像輸出端口，多光譜感光區(qū)每個(gè)譜段對(duì)應(yīng)1個(gè)輸出端口。[11]

圖4　某型號(hào)多光譜TDI CCD傳感器組成框圖Fig.4　Block diagram of a multispectral TDI CCD sensor

由于每個(gè)譜段都需要相應(yīng)的偏置電源與驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)，所以該傳感器工作要求的電源與驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)的種類(lèi)較多，相互的時(shí)序關(guān)系也較復(fù)雜，其各譜段要求的驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系如圖5所示，各驅(qū)動(dòng)信號(hào)的具體壓擺要求與容性負(fù)載如表1所示。該器件共需46路驅(qū)動(dòng)信號(hào)和6種偏置電源，電源的具體要求如表2所示。

圖5　某型號(hào)TDI CCD傳感器工作時(shí)序圖Fig.5　Timing sequence of a TDI CCD sensor

表1　某型號(hào)TDI CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓要求

表2　某型號(hào)TDI CCD傳感器偏置電源要求

a)偏置電源

星載相機(jī)的電源系統(tǒng)已為CCD成像系統(tǒng)提供了5種二次電源，具體包括：+18 V，±15 V和±5 V，因此只需利用線性穩(wěn)壓模塊將輸入的二次電源變換為滿足成像電路工作要求的各種正、負(fù)三次電源即可。

選擇具有低壓差特性的線性穩(wěn)壓模塊LM2941與LM2991進(jìn)行設(shè)計(jì)，前者最高輸入電壓為26 V，用于產(chǎn)生各種正偏置電壓，后者最低輸入電壓為-26 V，用于產(chǎn)生各種負(fù)偏置電壓。兩種電源芯片需要簡(jiǎn)單的阻容網(wǎng)絡(luò)即可輸出滿足要求的各種偏置電源。LM2941的電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　LM2941典型電路設(shè)計(jì)Fig.6　Typical circuit design of LM2941

通過(guò)調(diào)整圖6中電阻R2的阻值以產(chǎn)生不同的正偏置電源，R2選取的具體計(jì)算公式如下：

(6)

式中，R1=1 kΩ，VREF=1.275 V，VO表示期望的輸出電壓，單位為V。

負(fù)電源模塊LM2991的電路設(shè)計(jì)與圖6類(lèi)似，此處不再贅述。

b)驅(qū)動(dòng)放大電路

針對(duì)所選擇的CCD傳感器，共需要46路驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)，其中有23路7.5 MHz的高頻信號(hào)，其余為10 kHz的低頻信號(hào)，各路信號(hào)的電壓要求及容性負(fù)載如表1所示，因此選擇集成度高、輸出電壓范圍大、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的通用驅(qū)動(dòng)器EL7457作為本系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)器，其單片集成了4路驅(qū)動(dòng)電路，2A的峰值驅(qū)動(dòng)能力，最高的工作頻率達(dá)到了40 MHz，其典型的電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7　EL7457驅(qū)動(dòng)器典型電路設(shè)計(jì)Fig.7　Typical circuit design of EL7457 driver

EL7457能夠?qū)︱?qū)動(dòng)輸出端進(jìn)行使能控制，VS+與VS-引腳分別為器件的正、負(fù)供電端，VH和VL引腳分別為輸出信號(hào)的正、負(fù)電壓，4個(gè)電源引腳均利用4.7 μF和0.1 μF組合電容進(jìn)行濾波。根據(jù)每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的容性負(fù)載、壓擺與工作頻率，可計(jì)算出每片驅(qū)動(dòng)器的具體功耗，公式如下：

(7)

式中：CLi為每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)所帶負(fù)載，單位為F，VH為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電壓，VL為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的低電壓，單位為V，f為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的工作頻率，單位為Hz。

驅(qū)動(dòng)時(shí)序的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)在滿足CCD工作要求的同時(shí)，每片驅(qū)動(dòng)器的功耗也要滿足相應(yīng)的降額要求。同時(shí)在每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出端處串聯(lián)端接電阻，以吸收信號(hào)的反射等噪聲，獲得高信號(hào)完整性的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

c)預(yù)放單元

利用集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)11路模擬視頻信號(hào)的射隨與阻抗匹配，選擇高集成度、高壓擺率的LMH6722運(yùn)算放大器進(jìn)行預(yù)放單元的設(shè)計(jì)，其單片集成了4路運(yùn)放電路，壓擺率達(dá)到了1 800 V/μs，失調(diào)電壓僅為0.2 mV，每路輸出端的阻抗為0.06 Ω，其應(yīng)用電路如圖8所示。

圖8　LMH6722運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)Fig.8　Application circuit design of LMH6722 operational amplifier

采用正負(fù)雙電源的供電方式，并用組合電容進(jìn)行濾波，以獲得高穩(wěn)定、低噪聲的供電電源，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的比例由電阻R1、R2的比值來(lái)決定，電阻R3用于匹配輸出模擬視頻信號(hào)的阻抗。

d) 視頻處理電路

為實(shí)現(xiàn)對(duì)3路多光譜和8路全色模擬視頻信號(hào)的采樣、放大與量化處理，選擇了一款具有12位量化精度的視頻處理器TDA9965，其集成了可調(diào)整帶寬的采樣保持電路，最高采樣率達(dá)40 MHz，可編程增益放大0～36 dB，并具有靜默低功耗模式，可通過(guò)三線串口靈活設(shè)置芯片的工作參數(shù)。

該處理器輸出端的均方根量化噪聲為0.85DN(Digital Number)，因此其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了73.66 dB。由于視頻處理電路是成像系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換中心，為獲得高信噪比的圖像數(shù)據(jù)，每個(gè)視頻處理器的模擬電源使用獨(dú)立的供電模塊，數(shù)字信號(hào)利用數(shù)字地進(jìn)行屏蔽，其走線不應(yīng)穿越模擬布線區(qū)域，數(shù)字地與模擬地利用磁珠在芯片附近就近連接。

同時(shí)為實(shí)現(xiàn)CCD各抽頭的增益設(shè)置，解決抽頭間可能出現(xiàn)的響應(yīng)不一致等問(wèn)題，每個(gè)視頻處理器使用各自的通信端口與數(shù)據(jù)總線。

11路視頻處理器輸出的量化數(shù)字信號(hào)共有132路，均輸入至數(shù)字處理電路，另外，數(shù)字處理電路還負(fù)責(zé)輸出CCD的原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)與視頻處理器的時(shí)序控制信號(hào)，因此大約需要350個(gè)IO引腳。綜上，數(shù)字處理電路選擇Xilinx公司VIRTEX2系列的FPGA，具體型號(hào)為XC2V3000-728，其只需要1.5 V和3.3 V兩種供電電源，并具有最大420 MHz的工作頻率，516個(gè)用戶(hù)IO引腳，12路DCM及1 728 kbits的塊RAM，以及非常豐富的寄存器資源，完全可以滿足整個(gè)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)緩存的需求。

如圖1所示，F(xiàn)PGA在接收到多路圖像數(shù)據(jù)后，需要按照約定的圖像傳輸格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。利用FPGA內(nèi)部的雙端口RAM建立兩個(gè)大小為190 kbits的圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，采用乒乓操作，將每個(gè)像素量化后的圖像數(shù)據(jù)存入一個(gè)緩沖區(qū)中，再?gòu)牧硪粋€(gè)緩沖區(qū)中讀取圖像數(shù)據(jù)并組幀輸出，下一行數(shù)據(jù)有效時(shí)，切換兩個(gè)緩沖區(qū)的讀寫(xiě)操作，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)高速的圖像數(shù)據(jù)緩存與發(fā)送。

4.3吉林一號(hào)成像電路系統(tǒng)總體聯(lián)試

在總體聯(lián)試階段，主要對(duì)各電路模塊進(jìn)行測(cè)試與聯(lián)試，使各模塊間接口匹配，從而使整個(gè)成像系統(tǒng)能夠正常工作。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)放大電路，需要根據(jù)實(shí)測(cè)的驅(qū)動(dòng)波形，調(diào)整串行端接電阻，針對(duì)低頻行轉(zhuǎn)移CI信號(hào)，由于其容性負(fù)載較大，端接電阻為5.1 Ω，其余多數(shù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的端接電阻在10～22 Ω之間，從而保證信號(hào)的完整性。

當(dāng)各電路模塊功能均正常后，即可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試，本系統(tǒng)利用特性阻抗為50 Ω的同軸電纜傳輸從預(yù)放單元至視頻處理電路的模擬視頻信號(hào)，該線纜的長(zhǎng)度應(yīng)盡量短。調(diào)試并優(yōu)化FPGA程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)良好運(yùn)轉(zhuǎn)，即完成了成像電路系統(tǒng)的研制工作。

5　試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

為測(cè)試吉林一號(hào)衛(wèi)星CCD成像電路系統(tǒng)的信噪比，在試驗(yàn)室針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了輻射定標(biāo)試驗(yàn)，如圖9所示。采用積分球作為光源，其輸出的光線能夠均勻照射到系統(tǒng)焦平面的CCD上，然后利用圖像采集系統(tǒng)接收并顯示所拍攝的圖像數(shù)據(jù)，電源系統(tǒng)為成像電路系統(tǒng)提供各種二次電源，通信控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)成像電路系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與CCD的上、下電控制。

圖9　吉林一號(hào)成像電路系統(tǒng)輻射定標(biāo)試驗(yàn)示意圖Fig.9　Sketch map of radiometric calibration of Jilin-1 imaging circuit system

成像系統(tǒng)以在軌默認(rèn)參數(shù)拍照，改變均勻光在焦面處的輻射照度，分別采集全色及3個(gè)多光譜譜段在20%、50%與80%飽和輸出時(shí)的圖像數(shù)據(jù)，如圖10所示。

(a)全色圖像(a)Panchromatic image

(b)藍(lán)色譜段圖像(b)Blue spectral image

(c) 綠色譜段圖像(c) Green spectral image

(d)紅色譜段圖像(d) Red spectral image圖10　吉林一號(hào)成像電路系統(tǒng)輻射定標(biāo)圖像Fig.10　Images of radiometric calibration of Jilin-1 imaging circuit system

利用局部標(biāo)準(zhǔn)差法[12]分析上述所采集圖像的信噪比，將圖像分割成多個(gè)具有一定大小的均勻區(qū)域，分別計(jì)算各區(qū)域內(nèi)的局部標(biāo)準(zhǔn)差，作為局部噪聲大小，并選擇眾數(shù)最多區(qū)間的局部標(biāo)準(zhǔn)差作為整個(gè)圖像的平均噪聲值。具體計(jì)算公式如下:

(8)

式中：pi是圖像子塊中第i個(gè)像素的灰度值，m是圖像子塊中所有像素的總數(shù)。

各譜段不同灰度圖像的信噪比如表3所示。隨著圖像灰度值的增加，信噪比也隨之增大，這主要因?yàn)橛行б曨l信號(hào)的增大幅度要大于此時(shí)噪聲的增大幅度。3個(gè)多光譜譜段的圖像信噪比基本一致，并比全色譜段高約2 dB，主要是由于相對(duì)于全色譜段，多光譜譜段輸出的抽頭數(shù)少，驅(qū)動(dòng)頻率低，所以圖像的噪聲就略低，因此多光譜圖像的信噪比略高。

表3　吉林一號(hào)成像電路系統(tǒng)信噪比數(shù)據(jù)

由表3可知，圖像灰度在80%飽和輸出時(shí)，全色圖像的信噪比可達(dá)53.9 dB，多光譜圖像中信噪比最高可達(dá)56.3 dB。因此，該成像電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)CCD的片間串?dāng)_、片內(nèi)串?dāng)_及相關(guān)干擾噪聲進(jìn)行了有效抑制，獲得了高信噪比的圖像數(shù)據(jù)。

圖11為吉林一號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)拍攝的一幅經(jīng)多光譜數(shù)據(jù)融合的高分辨圖像，其色彩真實(shí)、絢麗，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11　吉林一號(hào)衛(wèi)星在軌拍攝圖像Fig.11　Image of Jilin-1 satellite acquired in orbit

6　結(jié)　論

為獲得高信噪比的航天遙感圖像，本文根據(jù)CCD成像系統(tǒng)鏈路分析了影響圖像信噪比的主要因素，結(jié)合CCD成像系統(tǒng)的響應(yīng)模型，明確了系統(tǒng)信噪比的表達(dá)式，并擺脫了具體CCD型號(hào)的束縛，提出了一種“總-分-總”的高信噪比成像電路系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)描述了系統(tǒng)從總體設(shè)計(jì)、底層各電路模塊設(shè)計(jì)再到全系統(tǒng)聯(lián)試的完整研制方法，并將其應(yīng)用于吉林一號(hào)衛(wèi)星高分辨率CCD相機(jī)的成像系統(tǒng)中，詳細(xì)描述了利用該方法設(shè)計(jì)的具體實(shí)施方案，并對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行了輻射定標(biāo)試驗(yàn)，獲得了高信噪比的圖像數(shù)據(jù)，在灰度為80%飽和輸出時(shí)，全色圖像信噪比達(dá)到了53.9 dB，多光譜圖像中最高信噪比達(dá)到了56.3 dB，從而驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性、靈活性與有效性。

吉林一號(hào)衛(wèi)星的高分辨率相機(jī)載荷在軌獲得了高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)多光譜數(shù)據(jù)融合后的圖像色彩真實(shí)、絢麗，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該設(shè)計(jì)方法同時(shí)可以為其他航天遙感載荷的電路設(shè)計(jì)提供有力參考，也對(duì)其他類(lèi)型載荷的研制有借鑒意義。

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鄭亮亮(1982-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，副研究員，2007年于南京航空航天大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)遙感器成像技術(shù)方面的研究。E-mail: adqe@163.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介:

金光(1958-)，男，吉林長(zhǎng)春人，研究員，博士生導(dǎo)師，1982年于長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，1991年、2001年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事星載光學(xué)儀器、小衛(wèi)星總體技術(shù)方面的研究工作。E-mail: jing@ciomp.ac.cn

(版權(quán)所有未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載)

Space-borne CCD imaging circuit system with high signal-to-noise ratio

ZHENG Liang-liang1,2,*, JIN Guang1, QU Hong-song1, WU Yong1

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

To capture the space-borne remote sensing image with a high Signal-to-noise Ratio(SNR), this paper analyses the main factors effect on the SNR of images according to the chain of the CCD imaging system. The expression of SNR in the system was indicated in terms of the response model of CCD imaging system. By avoiding the independency of specific CCD model, a design method of “overall-division-overall” was proposed to implement the CCD imaging circuit with higher SNRs. A completion development method including a top-level design, a module-level design and a total-system test was described. The method was applied in design of the high-resolution CCD imaging circuit system of the Jilin-1 satellite. The radiation calibration experiments for the imaging system was performed and the idea image dada with higher SNRs were obtained. The experimental results indicate that the SNR of panchromatic image is 53.9 dB and that of multispectral image is 56.3 dB when their gray outputs are in the saturation of 80% . Moreover, the fused image shows a real color and magnificent. The proposed method provides

for design of other space-borne CCD imaging circuit systems in remote sensing fields.

Changed Coupled Device( CCD), space-borne CCD camera; CCD imaging circuit; signal-to-noise ratio; Jilin-1 satellite

2016-03-07；

2016-05-10.

國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2012AA121502)

1004-924X(2016)08-2027-10

TN386.5

A

10.3788/OPE.20162408.2027