高分辨率TDICCD視頻信號(hào)的分時(shí)采樣量化和精確采樣控制

摘 要：在高分辨率TDICCD視頻成像系統(tǒng)中，對(duì)于高速視頻處理器芯片的性能指標(biāo)和成像效果獲取需要對(duì)成像系統(tǒng)視頻處理器的參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)噪音類型以及處理技術(shù)進(jìn)行細(xì)致的分析和研究，設(shè)定與之相應(yīng)的可以起到輔助分析的功能，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率TDICCD視頻信號(hào)的分時(shí)采樣量化和精確采樣控制的功能，使信噪比指標(biāo)得到提高。

關(guān)鍵詞：高分辨率；TDICCD；視頻信號(hào)；分時(shí)采樣量化；采樣

TDICCD是一種以線陣方式進(jìn)行工作的面陣CCD，它是通過(guò)多個(gè)級(jí)別積分來(lái)延長(zhǎng)曝光時(shí)間，從而促進(jìn)信噪比得到提升。技術(shù)人員開(kāi)始對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，會(huì)有計(jì)劃性的應(yīng)用到時(shí)間延遲概念，并將其運(yùn)用到視頻信號(hào)處理器中，對(duì)輸入的信號(hào)在時(shí)間周期上進(jìn)行分隔，可以至少采用兩路AD來(lái)實(shí)現(xiàn)分時(shí)采樣的量化處理，量化之后把最后的采樣處理結(jié)果進(jìn)行輸出，這對(duì)于視頻處理器的工作效率提升是有著極其重要的促進(jìn)作用的，同時(shí)也可以適當(dāng)延長(zhǎng)信號(hào)AD量化所花費(fèi)的時(shí)間，有利于提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 TDICCD成像系統(tǒng)的視頻處理技術(shù)

對(duì)于高分辨率TDICCD成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它對(duì)于量化位數(shù)的要求較高，一般最低是在12bits以上，而且信號(hào)的處理速度也很快。它所輸出的視頻信號(hào)，會(huì)在交流耦合、前置放大器、信號(hào)相關(guān)雙采樣、電平信號(hào)放大等作用下經(jīng)過(guò)量化處理后，最后所形成的數(shù)字量再輸出到數(shù)據(jù)處理單元中，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和整合。通過(guò)大多數(shù)情況下的調(diào)查可知，相關(guān)雙采樣、信號(hào)放大、AD量化都是會(huì)在視頻處理器中進(jìn)行集成的，可以大大降低系統(tǒng)的噪聲。

1.1 噪聲類型和處理方法

1.1.1 散粒噪音

散粒噪音是一個(gè)綜合性概念，其由兩種形式組成，即暗電流散粒噪聲和光子散粒噪聲，兩者的產(chǎn)生原因也有較大差別，對(duì)于前者而言，半導(dǎo)體內(nèi)部在工作中所出現(xiàn)的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生載流子，這種載流子會(huì)在填充勢(shì)阱的過(guò)程中，受到驅(qū)動(dòng)脈沖的影響，在輸出端的位置形成一種暗電流，需要注意的是，這個(gè)載流子是具有隨機(jī)性質(zhì)的，因此，它還缺少較好的補(bǔ)償方法[1]。此外，在高分辨率TDICCD成像系統(tǒng)的運(yùn)行中，對(duì)于積分級(jí)數(shù)的控制也很重要，一旦顯示的是M，則信號(hào)的電荷量大小就會(huì)有所提高，至少是M倍，并且也會(huì)帶動(dòng)噪聲提高M(jìn)1/2；只要積分級(jí)數(shù)發(fā)生了變化，也就是出現(xiàn)了上升，就表示它是可以確保信噪比指標(biāo)得到提高的，基于此，對(duì)于視頻處理器來(lái)說(shuō)，它的內(nèi)部電路就必須具備有很好的噪音性。

1.1.2 讀出噪聲

讀出噪聲也是涵蓋有兩項(xiàng)內(nèi)容，即復(fù)位噪聲和輸出放大器噪聲。對(duì)于兩者進(jìn)行分析時(shí)，前者噪聲主要是由于晶體管的充電放電導(dǎo)致的，因?yàn)殚_(kāi)始對(duì)信號(hào)電荷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，是需要對(duì)晶體管的電源進(jìn)行復(fù)位的，復(fù)位的對(duì)象是它的電源，復(fù)位后基準(zhǔn)電壓就得以恢復(fù)，于此也就帶來(lái)了復(fù)位噪聲；而后者的噪聲主要是指低頻白噪聲，這與低頻放大器的寬度大小有密切關(guān)系，那么在CDS補(bǔ)償作用下，就可以對(duì)讀出噪聲和放大器噪聲起到抑制作用。

1.1.3 固定圖形的噪聲類型

常見(jiàn)的這種噪音類型有暗電流噪音、轉(zhuǎn)移噪音等等，而暗電流噪聲從其實(shí)質(zhì)上來(lái)看屬于是TDICCD固有的噪聲，它與暗電流的密度、積分時(shí)間等有密切關(guān)系，只要TDICCD工作運(yùn)行溫度的降低，就可以對(duì)暗電流的密度進(jìn)行有效控制，進(jìn)而可以得到相關(guān)的暗場(chǎng)早噪聲，因此，對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在對(duì)像元級(jí)暗場(chǎng)噪聲進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)就可以采用圖像處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)償?shù)玫酱_保后再對(duì)其進(jìn)行校正，還不能忽視的是，它的像元響應(yīng)自身很欠缺均勻性，可以通過(guò)圖像處理來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，另外，對(duì)于TDICCD轉(zhuǎn)移噪聲來(lái)說(shuō)，對(duì)于其的內(nèi)涵可以視為一種固定圖形式的類型，在對(duì)TDICCD的電荷包信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有部分的電荷殘留，而且這種殘留成分涵蓋了整個(gè)層次，不同層所產(chǎn)生的原因也有很多種，包括電路設(shè)計(jì)存在較大缺陷、系統(tǒng)的干擾或者是器件自身性能存在有較大問(wèn)題所導(dǎo)致的，這也是其隨機(jī)性的主要原因。通過(guò)實(shí)際研究可知，轉(zhuǎn)移噪聲主要包括陷阱損失和自由電荷轉(zhuǎn)移損失兩部分，前者主要與CCD材料有關(guān)，后者則是信號(hào)電荷包。

1.2 對(duì)于相關(guān)雙采樣技術(shù)指標(biāo)的分析

從其實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，它主要是通過(guò)兩個(gè)高速“采樣保持器”和一個(gè)“差分放大器”來(lái)最終完成信號(hào)采樣的。在這兩個(gè)“采樣保持器”中，第一個(gè)主要是負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)偏置信息的采樣，第二個(gè)是對(duì)信號(hào)的“偏置以及視頻信號(hào)值”進(jìn)行采樣；而對(duì)于“差分放大器”來(lái)說(shuō)，它的功能是可以對(duì)信號(hào)的差值進(jìn)行需要性的放大處理，所提到的“相關(guān)”指的是兩次采樣之間的間隔時(shí)間要盡可能短，這與偏置電平的穩(wěn)定性有關(guān)[2]。

它作為提高視頻處理器性能的主要技術(shù)形式之一，它所受到的影響因素有很多，從實(shí)際調(diào)查可知，常見(jiàn)的有CDS工作頻率、采樣位置精確度等等。從TDICCD成像的作用原理來(lái)講，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就對(duì)視頻信號(hào)的處理器性能有一定要求，主要集中在速度和精度上，兩者的要保持和成像技術(shù)要求的相吻合，那么文章就以LM98640芯片為主來(lái)分析。它所采用的是時(shí)間延遲法，在這種方法下可以把所輸入的視頻信號(hào)間隔開(kāi)來(lái)，使之成為兩路部分，這樣會(huì)對(duì)芯片的作用頻率和速度起到影響作用，這時(shí)就需要嚴(yán)格控制和管理內(nèi)部寄存器程序，在控制作用下可以完成1/64像元周期的采樣間隔的精確調(diào)節(jié)。除此之外，鉗位電平的采樣位置也可以利用指令的形式來(lái)體現(xiàn)控制，最后就能獲取較為精確的鉗位電平。

2 對(duì)于LM98640的程序管理

文章所講的高分辨率TDICCD成像系統(tǒng)，它的控制時(shí)序和數(shù)據(jù)采樣有一定的特殊性，不能簡(jiǎn)單盲目的進(jìn)行，大多數(shù)情況下是離不開(kāi)FPGA的，對(duì)于模塊化的設(shè)計(jì)和調(diào)用，可以順利實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片功能所包含參數(shù)的串行配置[3]。

首先，程序執(zhí)行上電后參數(shù)的初始化，在FPGA的RAM兩種形式中，它擁有LM986401的所有最初始的參數(shù)數(shù)據(jù)。此外，在它的運(yùn)用下還能夠順利的讀入SDO斷口數(shù)據(jù)信息，不會(huì)出現(xiàn)遺漏。在初始化結(jié)束之后，還要根據(jù)指令的形式，遵循指令內(nèi)容的要求，合理設(shè)施實(shí)際工作參數(shù)信息，并及時(shí)回到最初的遙測(cè)狀態(tài)。

其實(shí)，在對(duì)圖像信息進(jìn)行采集時(shí)，需要依據(jù)圖像數(shù)據(jù)的輸出方式和數(shù)據(jù)格式。在這一過(guò)程中需要考慮到數(shù)據(jù)的隨路時(shí)鐘并處于常輸出的狀態(tài)，因此，F(xiàn)PGA的內(nèi)部中，就不能采用流水線的設(shè)計(jì)形式，否則就會(huì)導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)中的最后1bit丟失，除此之外，還可以通過(guò)FPGA的內(nèi)部RAM進(jìn)行控制，控制的作用是為了滿足異步時(shí)鐘的數(shù)據(jù)采樣處理，滿足系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高分辨率TDICCD系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，LM98640的視頻處理效果高效且迅速，并且它的芯片預(yù)設(shè)功能也可以較為簡(jiǎn)單便捷的實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有過(guò)多復(fù)雜的程序，整個(gè)過(guò)程人工參與的量很少，通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用分析可知，它是具有一系列優(yōu)勢(shì)的，可以在高分辨率TDICCD成像系統(tǒng)中發(fā)揮不可忽視的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]寧永慧.高分辨力TDICCD高速視頻處理技術(shù)[J].光電工程，

2015，42（12）：82-88.

[2]劉妍妍，韓雙麗.TDI CCD視頻響應(yīng)性能的高精度檢測(cè)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（8）：37-38.

[3]石俊霞，郭永飛.航天高速TDICCD相機(jī)視頻信號(hào)采樣技術(shù)[J].光電工程，2011，38（9）：13-18.