（光学工程专业论文）基于fpga的高速实时图像采集和处理系统的研究.pdf

摘要 光斑质心检测系统是a p t 精跟踪伺服系统的关键技术之一，目前的 光斑检测系统大多是基于p c 机的，存在着高速实时性、稳定性问题。在 总结各种检测算法的基础上，本文提出了基于f p g a 的图像处理算法，实 现了激光光斑中心的高速实时检测。 文中主要采用3 x 3 窗口模块和自适应阈值模块，先对c c d 输入数据 进行处理，判断光斑的范围，然后再运用光斑的质心算法对光斑所占的 像元进行运算，得出光斑位置的脱靶量，最后用v g a 格式将图像显示在 l c d 上。本文达到了的3 0 0 0 帧s 的脱靶量帧速，精度为2 u r a d 的技术指标， 实现了高速率、高精度的精跟踪要求。 关键词：实时图像处理f p g a 光斑质心检测o a r n e r al i n k 接口协议 c 0 1 ) a b s t r a c t s p o tc e n t r o i dd e t e c t i o ns y s t e mi s o n eo fa p rf i n et r a c k i n gs c r v o s y s t e m sk e yt c c h n o l o 酉e s n es p o td e t e c t i o ns y s t e mi sc u r r e n t l yb a s e do n p c w i t ht h e p r o b l e m so fh i g h s p e e d r e a l t i m ea n ds t a b i l i t y o nt h e f o u n d a t i o no fs o m ed e t e c t i o na l g o r i t h m ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e di m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m b a s e do nf p g a , h a sr e a l i z e dh i g h s p e e dr e a l t i m e d e t e c t i o nf o rl a s e rs p o tc e n t e r t h e r ea l em a i n l y3 3w i n d o wm o d u l ea n da u t o a d a p t e dt h r e s h o l d m o d u l eu s e di nt h ea r t i c l e f i r s t l y , w ec a r r yo np r o c e s s i n gt ot h ec c d d a t a - i n ，a n dj u d g m e n to fs p o ts c o p e t h e n ，w eu t i l i z et h ec e n t r o i da l g o r i t h m t op r o c e s st h ep i x e l sw h i c ho c c u d i e do nt h es p o t ，a n do b t a i nt h es p o t p o s i t i o no fm i s sd i s t a n c e f i n a l l y , w eu s et h ev g a f o r m a td i s p l a yt h ei m a g e o n t h e i c d k e y w o r d s ：r e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n g f p g a s p o tc e n t r o i d d e t e c t i o nc a m e r al i n ki n t e r f a c ep r o t o c o lc c d 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于f p g a 的高 速实时图像采集和处理系统的研究是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者躲洋蜥醴年坳三日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家 有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签名： 年卫月立日 竺竺2 年月土日 第一章绪论 1 1 引言 随着科学技术尤其是计算机技术的飞速发展，我们的社会已经进入 到了信息时代。在信息社会中，信息的获取技术、处理技术和传输技术 是三个最为关键的因素。信息的传输技术分为两大类：有线传输和无线 传输。有线传输主要用于地面一地面的短距离传输，而无线传输则主要 用于地面一空间、空间一空间的长距离传输。 在当前通信领域中广泛使用的技术是光纤通信和微波通信。自从 1 9 7 5 年世界上第一条光纤通信实验应用线路在美国开通以来，随着光 纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光 纤通信在全世界掀起了应用的热潮，并被确认为是地面有线通信最有发 展潜力的重要的通信方式。光纤通信系统的线路容量大、不易受外界干 扰，但其缺陷是必须有安装光缆的公用通道、建设周期长、费用高。随 着全球信息通信网络化的飞速发展，无线接入以其灵活方便的特点普遍 被行家看好。目前无线通信主要采用微波，微波通信是本世纪5 0 年代 开始实际应用的一种先进通信技术。由于它建设速度快、质量稳定、通 信可靠、维护方便、费用相对较低，与有线通信相比易于跨越复杂地形 等特点，已迅速发展成为现代化通信的一种重要通信方式：但其最大的 缺陷就是带宽窄、传输率低。而空间光通信很好地解决了这些缺点，引 起了各国的广泛关注。 1 2 自由空间光通信的特点 激光与微波相比波长明显短，具有高度的相干性和空问定向性，这 些决定了自由空间光通信突出的优点。 ( 1 ) 大通信容量：激光频率比微波高3 4 个数量级，作为通信的载 波，利用频带更宽。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤 通信每柬波束的数掘率可达2 0 6 b s 以上，并且可采用波分复用技术使 通信容量e 升几十倍。冈此在通信容量上光通信比微波通信有巨大的优 势。 ( 2 ) 低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远 镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。 这对能源成本高昂的守问通信来说，是十分适用的。 ( 3 ) 体积小、重量轻：由于空问激光通信的能量利用率高，使得发 射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和 接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波 系统巨大的碟形天线，重量减轻、体积减小。 ( 4 ) 高度的保密性：激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光 的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提 高抗干扰、防窃听的能力，这对军事应用十分有利。 ( 5 ) 激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。 1 3 光通信系统组成 空间光通信是指利用光频波段作为信息载体在空域进行的一种通 信方式，不仅包括深空、同步轨道( g e o ) 、中轨道( m e o ) 、低轨道( l e o ) 卫星问、地面站之间的激光通信，还包括卫星与地面站之i 、日j 的激光通 信。基本上可分为星间激光通信( 星问激光链路) ，星地问激光通信两类。 具体通信链路包括：轨道高度小于1 0 0 0 k m 的低轨道卫星( l e o ： l o w e a r t ho r b i t ) 与3 6 0 0 0 k m 高的同步轨道上的卫星( g e o ： 6 e o s y n c h r o n o u se a r t ho r b i t ) 间的轨道i 日j 链路( i o l ) ；g e o 与l e o 间的 星1 日j 链路；l e o 与l e o 间的链路；g e o 与地面之日j 的链路。链路示意图 如下图1 1 。 图1 1 自由空间激光通信计划图 图1 2 显示了激光通信系统的总框图，主要由下面几个主要子系统 组成： 2 叫圈 4 圃 一医圈 r 1 b b 据口橇喇 图1 2 光通信系统总框图 ：光源子系统 在卫星光通信中，通信光源至关重要，它直接影响天线的增益、探 测器件的选择、天线直径、通信距离等参量，因此对光源予系统的研究 是十分必要的。 在卫星光通信系统中，光源是个关键部件，因此采用的光源要容 易调制，同时光源产生的能量要集中在一个很小波长范围内。卫星光通 信系统中所采用的光源是激光二极管( l d ) 。光源的调制带宽也是一个 很重要的参数。一个具有非常窄的谐振腔的光源，其调制频率可以达到 i 4 0 g h z 美国j p l 实验室、加利福尼亚大学等都对光源系统进行了各 方面的研究，总结了各激光链路的光源波长，如表1 1 所示： 表l 一1 美国各激光链路光源波k i 激光链路l e 0 - g e ol l e 沪l e o ll e o g r o u n df f 光源波长n mf 8 5 0 f 8 5 0 f 5 3 4 f 日本不同链路光源波长范围见表l 一2 ，欧洲不同链路光源波长见 表1 3 。 表1 - 2 日本不同链路空间光通信系统所采用的光源波长 激光链路l e 0 一g e o l e o - l e o l e o g r o u n d 光源波睡m8 0 8 ( 探测信标)8 0 0 附近 5 1 4 8 1 9 ( 前向链路) 8 4 7 ( 后向链路) 表1 3 欧洲不同链路空间光通信系统所采川的光i 1 5 波k 3 i 8 1 9 ( 前向链路) 8 4 7 ( 后向链路) 由上面表中可以看出，美、欧、日在l e o - l e o 和l e o - g e o 链路中， 波长都采用8 0 0 8 5 0 n m 范围的a 1 g a a s 激光器，因为该范围的a p d 探测 器件工作在峰值，量子效率高，增益高。而在星地链路中采用倍频n d ：y a g 激光器或氩离子激光器作为光源，波长在5 1 4 5 3 2 n m 。该波段具有较 强的抗干扰能力，能穿过大气而不使通信中断。 ：发射、接收、探测子系统 发射、接收、探测子系统部分主要涉及发射及接收天线的选择，滤 波元件及信号接收( 探测) 器选取等问题。发射、接收天线的形式、孔 径以及收发天线是否采用同一套天线等，各国所研制的卫星光通信系统 有所不同。 天线：卫星光通信系统的发射、接收天线实际卜就是一个光学望远 镜，天线的形式根据具体情况可采用反射式的或透射式天线。一般来说， 现在选用的空间光通信波段范围，对于孔径较大的天线，如s i l e x 系统 的2 5 c m 天线，可采用反射式天线，这有助于降低天线的制造难度，提 高天线的可靠性，减轻重量；而在天线孔径较小时，则选用透射式天线， 如小光学用户终端s o u t 的天线系统。由于天线的孔径直接影响着天线 的增益，孔径越大增益越大，因此从提高天线增益的角度来说，空间光 通信系统的天线孔径应当选取大一些。但是，孔径增大，天线的体积、 重量也要增加，因此天线的孔径也不能过大。 滤波、探测：滤波器、探测器足接收系统中的重要部分，目前欧洲 和美国、日本研制的空间光通信系统中的滤波基本上都采用干涉滤光 片，半带宽7 n m ，这有助于简化整个接收系统，有利于提高系统的可 靠性。同时，对于l e o - l e o 链路，由于两星间的相对运动速度很高，也 会造成较大的多普勒频移，因此滤波器的带宽也不能选的过窄，从此方 面考虑，干涉滤光片也是一个良好的选择。在现有的卫星光通信系统中， 由于均采用半导体激光器作为光源，探测都采用直接探测方式。随着半 导体激光器泵浦n d ：y a g 激光器( d p l ) 的发展，相干检测系统也得到不 断的改进。由于相干检测有着比直接探测高的多的灵敏度，因此空间光 通信的探测方式将逐渐向相干检测方向发展。 ：信号的调制、解调子系统 调制的作用是将需要发射的信号调制到光载波上。解调是通过光电 转换器件将光信号转换为电信号。 光调制器有两种基本类型，即内部调制器和外部调制器，内部调制 器是信号对光源本身直接调制，产生调制的光场输出，通过偏霄电流的 变化对光源进行幅度或强度调制；对于外部调制机理这里不作说明。现 4 有空间光通信系统的光源基本上都选用半导体激光器，因此均采用最简 单的直接调制方式，这使得整个调制装置变得简单、可靠。在现阶段， 空问光通信均采用基带传输方式。编码方式则根据不同的系统有所不 同。如j p l 研制的空间光通信模拟系统采用不同极化的两路通道传输， 每路通道传输数据率为6 0 0 m b p s ，从而使整个系统的数据率达到 1 2 g b p s 。 为了提高数据率，对波分复用方式的研究也是很有吸引力的，如 m i t r e 公司以美国第二代中继星t ) r s s i i 为背景需求而研制的波分复用 方法。在该模拟实验系统中，可提供两个3 0 0 m b p s 通道；所采用的光源 为六个输出功率1 w 的半导体激光器，波长范围在7 8 0 8 7 5 n m ，一个波 长为7 8 0 n m 的激光器被用作前向链路数据传输；三个波长分别在 8 1 0 n m ，8 3 0 n m ，8 6 0 n m 的激光器被用作后向高数据率链路；一个7 9 5 n m 的 激光器用来作为前向链路的探测和跟踪：而后向链路的探测和跟踪则采 用波长为8 7 5 n m 的激光器。确定此波长范围是因为这个范围的半导体 激光器不仅经济而且可靠。 ：捕获、瞄准、跟踪子系统 捕获、瞄准、跟踪子系统是空间光通信中非常重要的子系统之一。 光信号的捕获、瞄准、跟踪是空问光通信的重点、难点，它关系到空间 光通信的成败。其具体的组成和工作过程在下面章节论述。 1 。4a p t 系统概念、组成及工作过程 1 4 1a p t 系统基本概念 捕获( a c q u i s i t i o n ) ：捕获定义为在预计目标可能存在的区域( 一 般为不确定区域) 对所需目标的识别。 瞄准( p o i n t i n g ) ：瞄准定义为仪器视轴相对目标视轴的平均取向。 瞄准的目的在于使仪器视轴和目标视轴之日j 的误差( 平均偏差和标准偏 差) 满足瞄准精度指标。 跟踪( t r a c k i n g ) ：跟踪定义为仪器视轴相对目标视轴的晃动。跟 踪的目的在于稳定仪器的视轴，使跟踪误差和动念响应性能满足规定的 指标。 1 4 2ap t 系统组成及工作过程 a p t 系统的组成见1 3 节所述，它的实现框图如图1 4 所示，其工 作过程包含以下几个过程： 通过射频互相传送对方位置、姿态等信息； 两个通信终端开始进入a p t 的租精跟踪过程，建立通信链路； 一旦精对准过程结束，通信开始，交换数据，并将信息存储在通 信终端的存储器中： 卡萨格林望远系统 光学路释 - 一 电学路释 图1 4a p t 系统实现框图 a p t 系统详细的工作过程描述如下：对于机载激光通信终端，其姿 态控制主要通过使用全球定位系统和惯性导航系统来完成控制姿态的 外方位和内方位元素测量。该单元使用g p s 中p 码制判定和记录当前的 飞行高度、精度、纬度、飞行速度、飞行时间。而对于星载终端，主要 通过星历表或g p s 来完成星载终端的姿态参数，通信双方载体的姿态数 据在每次开始通信前几个小时便通过甚高频( u h f 射频链路进行传输 的。这样通信两个终端可以知道对方的位置、速度、运行方向等姿态数 据，系统处理器将利用这些信息通过计算后来确定对方的方位和俯仰 角，然后激光通信终端首先将粗跟踪系统按照计算得到的方位和俯仰角 进行提前指向定位。由于飞行平台的姿态控制精度、粗跟踪系统的控制 精度、和对方提供的位置和速度等信息存在一定误差，所以系统的对准 琶一箩 肾口一 嚣 焉百三 蓦圄 精度约为若干毫弧度，对于机载终端，捕获及租跟踪接收器视场角为 2 0 毫弧度，对于星载终端，捕获及粗跟踪接收视场角为8 毫弧度，这 对于保证初始对准过程结束之后，信标激光出现在对方接收终端视场这 个要求来说，已经足够精确。如果需要，针对传播位置向量可以采用螺 旋扫描方式。如果1 5 秒钟内没有发现对方的信标激光，则通过射频链 路重新传送一次新的位置信息并进行处理，直到捕获对方的信标光。 一旦对方发来的信标光进入相跟踪c c d 的视场，两个通信终端通过 调整粗跟踪系统使成像光斑向中央逼近。这便是通信双方的视轴粗对准 过程。当光斑进入精跟踪视场后，精跟踪激光信杯光束和精跟踪c c d 来 完成两个光束的精确对准，由于精信标激光束的发射角较小，所以c c d 输出的数字图像的信噪比得到提高，这样可以提高亚像元的分辨能力， 为精密跟踪和精确对准提供了| i i 提条件；另外，由于精跟踪c c d 的像素 个数较少，所以可以获得比较高的帧频，再配合快扫振镜，可以大大增 加控制系统的带宽，进而抑制各种低频扰动和高频振动的能力大大提 高，这样可以获得非常小的振动残差。基于以上两个原因，精跟踪系统 可以获得比较高的控制精度。 一旦精确对准过程完成，就可以启动通信过程，通常情况下，通信 激光的发射角大于8 倍的精跟踪控制误差时。就可以保证通信的顺利进 行。通过以上分析，我们可以归纳a p t 系统的工作流程如图1 5 所示。 1 。5 本论文研究的主要方向 本论文研究的主要方向是关于飞机与卫星间光通信链路的a p t 精 跟踪子系统中的c c d 光斑质心检测技术的研究。 精跟踪环的主要部件是快速倾斜镜和精跟踪探测器，能够对粗跟踪 回路未能补偿的残留误差进行进一步校j 下以满足系统最终所需的对准 和跟踪精度要求。精跟踪环具有很宽的控制带宽和很高的增益，对宽功 率谱振动具有很强的抑制能力，以保证快速和高精度的对准和跟踪。 精跟踪环是一个商增益宽带的伺服控制系统，对准和跟踪精度以及 对平台振动抑制最终由精跟踪子系统决定。本伺服系统设计带有串行前 馈的比例积分反馈控制器，它可以增加o d b 增益处的相位裕量。其具体 组成为：精跟踪c c d 控制器，振镜单元。精跟踪c c d 用来检测对方信 标光束中心，c c d 输出的数字信号输出角度偏差信号，经过a d 转换后 送入拧制器，然后送入补偿器和驱动器，最后作用于振镜。精跟踪器采 用3 0 0 0 h z 高帧频c c d 相机：控制对象为口径为2 5 m m 、结构谐振频率为 3 4 0 0 h z 的快速反射镜，采用压电陶瓷驱动。 ，、 f 开始 ) 广 结束) a p t 工作过程 本论文重点来分析下精跟踪子系统的控制精度，随着通信激光束散 角的缩小，需要提高a p t 的总控精度，为使a p t 控制误差引起的通信光 功率损耗小于3 d b ，需要a p t 的控制精度为发散角的l 6 。 8 ，精跟踪 精度有以下几种误差源： 1 ) 二维快速振镜执行误差：振镜本身的分辨率为0 1pr a d ，线性 0 1 ，全程调整范围：5 m r a d ，精度为5pr a d ，考虑到望远系统的放大 系数，对应视轴的控制角度为：0 1i0 s u r a d ； 2 ) 精跟踪c c d 像元分辨率：精跟踪视场为4 5 0pr a d ，精跟踪c c d 窗口大小为6 4x 6 4 ，于是得到像元分辨率为兰三! ；霉7 u m d ，经十细 0 斗 分，c c d 检测精度为：o 7l lr a d ，考虑到固有噪声和数字相机量化噪声 的影响，最终的光斑检测精度为：o r 2 0 s u r a d 。c c d 相机的细分能力 与c c d 光斑成像的信噪比有关，满足以下关系式：n e a 一l - 一， s f 、s n r s f 为探测器斜率系数，s n r 为功率信噪比。信噪比越大，细分能力越强。 3 ) 虽然两轴四框架( 机载平台) 拥有主、被动减振措施，但是仍 然存在控制残差，该残差通过精跟踪系统进一步抑制可达到 口，- 1 2 u r a d ，它仍然是主要误差源。 4 ) 精信标视轴和通信光视轴并不完全共路，在设计和装调过程不 可避免存在视轴偏差；此外，由于波长的不同，大气对于两视轴产生偏 差，这些误差总计为：d 。一l u r a d 。 5 ) 由于平台| 日j 存在相互运动，提前量控制产生误差，o r 。t 0 ，8 u r a d 。 综合以上各种因素，得到总误差为： 盯暑盯? + 盯；+ 盯3 2 + 口；+ d ；1 1 9 u r a d 精跟踪视场为精c c d 探测器提供目标信息，因为精跟踪主要目的是 用于校正粗跟踪系统残余误差，从这个角度来讲，设计值大一些为好， 这样可适当降低粗跟踪控制精度要求，但此值一方面受到精跟踪振镜驱 动器驱动范围的限制，另一方面将影响精跟踪控制系统的快速性和跟踪 精度。精跟踪视场必须大于粗跟踪系统最大误差的2 3 倍，实现粗、 精顺利解耦。 精跟踪系统总的传递函数为： g：、，。c 3 0 * ( s + 2 z * 1 4 0 ) s 0 + 2 8 z4 1 ) 得到精跟踪系统的抑制曲线和最终的振动功率谱如下图所示。 ， 图1 6 糖跟踪控制环的噪声抑制曲线和抑制后振动功率谱曲线 由图可知系统的有效抑制频带宽度为2 0 0 3 0 0 h z ，经过粗、精两 环抑制后的振动残差为：口一一。、毋5 ( ，) i 坼g ) 2 够- 1 2 u r a d 0 0 0 1 1 ) 东一l 、 ， 7 蔓 第二章c c d 原理与硬件结构及其新型成像技术 2 1c c d 原理与结构 2 1 1c c d 基本原理 c c d ( 电荷耦合器件) ，是7 0 年代初发展起来的新型半导体光电成 像器件。3 0 多年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技 术的日趋完备，c c d 技术得到了较快的发展。目前，c c d 技术已广泛应 用于信号处理，数字存储及影像传感等领域。其中，c c d 技术在影像传 感中的应用最为广泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富 有成果的领域之一。c c d 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他 大多数器件是以电流或者电压为信号。它的基本功能是信号电荷的产 生、存储、传输和检测。 c c d 器件的主要功能是把二维光学图像信号转变成一维视频信号输 出，一般分为线阵c c d 和面阵c c d 两大类。本文主要讨论面阵c c d 。 2 1 2c c d 分类及特性参数 面阵c c d 按照排列方式不同，又可以分为帧转移c c i ) 、全帧c c d 、 行间转移型c c d 。其中，帧转移面阵c c d 的特点是结构简单，光敏单元 的尺寸较小，模传递函数m t f 较高，但光敏面积占总面积的比例小。全 帧面阵c c i ) 因为光敏区占据了全帧c c d 的绝大部分，因此当进行光电荷 的转移时，需要通过快门屏蔽入射光。行问转移型面阵c c d 只需要约 l u g 的时间就可完成光电荷至垂直移位寄存器的转移，从而很好地解决 了帧转移c c d 因转移速度不够快而带来的图像模糊问题；同时，由于行 间转移c c d 的垂直移位寄存器所占的面积均被遮蔽，所以其对输入光的 利用率以及像素密度相对较低。 c c d 的特性参数： 1 灵敏度：灵敏度是c c d 最为重要的参数之一，它具有两种物理 意义。一种是表示光电器件的光电转换能力，与响应度的意义相同。对 于给定芯片尺寸的c c d 来说，其灵敏度可用单位光功率所产生的信号电 流来表示，它反应了c c d 图像传感器的灵敏度和输出级的电荷电压转 换能力。另一种是指器件所能传感的最低辐射功率( 或照度) ，与探测 率的意义相同。 2 光谱响应：c c d 的光谱响应是指c c d 对于不同波长光线的响应能 力。c c d 接收光的方式可分为正面光照与背面光照两种。由于c c o 的正 面旆置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度 比背面照射时低。为此i c c d 常采用背面照射的方式。 3 动态范围：c c d 图像传感器的动态范围由满肼容量和噪声之比决 定，它反映了器件的工作范围。 c c d 的满阱容量是指单个c c d 势阱中可容纳的最大信号电荷量。它 取决于c c d 的电极面积、器件结构，时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅 度等因素。c c d 的满阱容量表达式为： q 眦。c 。v o a ；e , e o a u g a 其中，c 0 为单位氧化膜面积的电容量；为栅极电压：爿为c c d 电极的有效面积；。为介质常数( 3 3 8 ) ：e 。为空气介质常数：d 。为氧化 膜厚度。 c c d 中的噪声有以下几种噪声源： ( 1 ) 由于电荷注入器件时电荷量的起伏引起的噪声； ( 2 ) 电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声； ( 3 ) 检测电荷时，对检测二极管迸行复位时所产生的检测噪声等。 动态范围的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压 之比表示，单位为d b 。c c d 相机的动态范围一般为6 0 8 0 d b 。高分辨率 c c d 相机的像素数增多，导致势阱可能存储的最大电荷量减少，因而动 态范围变小。因此，在高分辨率条件下，提高动念范围是高性能c c d 的 一项关键技术。 4 分辨率：分辨率是图像传感器的重要特性。根据奈氏抽样定理， c c d 的极限分辨率是空间抽样频率的一半，因此，c c d 原分辨率主要取 决于c c d 芯片的像元数。其次还受到传输效率的影响。高集成度的光 敏单元可获得高分辨率，但光敏单元尺寸的减小将导致灵敏度降低。一 些新的工艺结构的应用( 如双层像感结构) 可在定范围内提高c c d 的 灵敏度。 5 拖影：在帧转型c c d 中，由光敏区向存储区转移电荷时，光敏 区在场逆程的光积分电荷被带到下一场信号中，或者硅片深处的光生载 流子向邻近势阱扩散，从而致使图像模糊，这种现象称为拖影。拖影将 使图像对比度下降。在行转移型c c d 中，光敏单元被转移单元( 垂直移 位寄存器) 所隔开。在场消隐期f 日j ，光敏单元的电荷移到转移单元，当 图像经寄存器以水平速率移位时，过载光敏单元的剩余量可能泄露到寄 存器中，所形成的拖影也会导致图像模糊。在对黑色背景中的明亮目标 进行成像时，拖影现象最为明显。通常用电平值的大小( d b ) 表示拖影的 程度。 6 暗电流：在正常工作的情况下，m o s 电容处于未饱和的非平衡态。 然而随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平 衡。因此，在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会 存在不希望有的暗电流。暗电流是大多数成像器件所共有的特性，是判 断一个摄像器件好坏的重要杯准。 2 1 3c c d 相机的硬件结构 c c d 工作需要一定时序的驱动脉冲的支持。无论是线扫描c c i ) 或面 扫描c c 3 ，其驱动脉冲必须满足严格的时序要求。典型c c d 相机主要由 c c d 、驱动电路、信号处理电路、电子接口电路、光学机械接口等构成， 其原理框图如图3 1 所示。 i _ 广f 鬲一 - 其各部分的功能如下： 1 c c d ：c c d 为系统的核心元件，主要在驱动脉冲的作用下，实现 光电荷转换、存储、转移及输出等功能。 2 驱动电路：c c d 相机的驱动电路一般由晶振、时序信号发生器、 垂直驱动器等构成，主要为c c d 提供所需的脉冲驱动信号。同时，还为 信号处理电路提供钳位、复合信号、复合消隐、采样保持等脉冲信号。 3 信号处理电路：主要完成c c d 输出信号的a g c 、视频信号的合成、 a d 转换等功能。c c d 的输出信号输入至信号处理电路，经信号处理后 转换为所需要的视频信号输出。 4 接口电路；c c d 相机的接口电路主要将束自外部的控制信号转换 为相应的控制信号，并反馈至时序发生电路、信号处理电路，从而对相 机的工作状态进行有效地控制。同时，接口电路还可将时序发生器所产 生的各种驱动时序输出，从而可被图像采集卡用于对图像采集的控制。 5 机械光学接1 ：3 ：主要提供与各种光学镜头的机械连接，从而实 现光学系统与c c d 的耦合。机械光学接口一般可分为f 型、c 型、c s 型 等型式。 2 1 4c c d 相机的扫描方式 ( 1 ) “标准”2 ：1 隔行扫描：这是r s 一1 7 0 “标准相机”的扫描次 序。这种由广播电视系统发展起来扫描方式可以相对较低( 3 0 h z ) 的帧 频提供更为清晰的图像。从帧图像的顶部开始，相机在第一个半帧时 间内读所有的奇数线( 1 3 5 4 7 9 ) 。然后在第二个半帧时间内又从帧 顶开始读所有的偶数线( o 2 4 4 7 8 ) 。在一个时间里只变换半帧图像， 可以减少图像的闪烁。 隔行扫描对于机器视觉可能会产生麻烦。因为相邻的线是在不同时 闻扫描昀，因此，任何移动的物体在奇数线和偶数线的位置可能会不同， 从而影像了成像质量。 ( 2 ) 逐行扫描：在视觉应用中，逐行扫描相机正在变得越柬越流 行。逐行扫描相机从一帧图像中的顶部到底部以自然次序 ( o 1 2 4 7 9 ) 进行连续扫描。一些线性逐行扫描相机具有附加的电 路，可把连续采集的数掘转换成2 ：1 的隔行扫描格式的数据，以备 r s 一1 7 0 检测器和采集卡处理。 ( 3 ) 异步触发和部分扫描 当c c d 相机处理异步触发方式时，相机并不是以固定时钟逐行扫描 和输出连续信号。而是在收到一个触发信号后，再开始扫描输出新的一 帧信号，此功能适用于对生产线上快速运动目标的瞬间图像采集。 部分扫描是指c c d 相机所读出的数据小于它的满帧数据。由于读取 数据量相对较少，则相应的读取时间要小，从而提高了帧速。此功能对 于高速图像采集系统非常重要。例如：一个物体只占一帧图像的上部的 1 4 ，即连续扫描相机只用1 4 帧时就能采集这部分图像。采用部分扫 描方式，相机在采集完上部的1 4 帧图像时，利用异步重置功能重新进 行下一帧图像的采集，并仍然只采集原图像的1 4 帧，以此反复。从而 使相机的有效帧速率提高到原来的4 倍。 2 1 5c c d 相机的接口 1 4 r s 4 2 2 是数据信号传输的电气规范。这一标准采用双绞线，以不同 的模式对同一信号进行传输，为了降低噪声，双绞线必须适用于所有的 r s 4 2 2 信号。其电缆的阻抗为1 0 0 q ，并具有1 1 0 q 终端负载。在机器 视觉系统中，所有输入相机的r s 4 2 2 信号需具有l 】0 q 终端负载。 2 c a m e r al i n k ： c a m e r al i n k 是适用于视觉应用数字相机与图像采集卡间的通信接 口。这一接口扩展了c h a n n e l1 i n k 技术，提供了视觉应用的详细规范。 标准的c a m e r al i n k 电缆提供相机控制信号线、串行通信信号线和 视频数据线。其中，相机控制信号线为4 路l v d s ，它们被定义为相机 输入和图像采集卡输出；串行通信线为2 路l v d s ，用于在相机与图像 采集卡间进行异步串行通信。通信信号包括：s e r t f g ( 至图像采集卡的 串行通信微分线) ，s e r t c ( 至相机的串行通信微分线) 。这一串行通信 具有一个开始位和一个停止位，没有奇偶位和握手位。在有的c a m e r a 1 i n k 串行通信线中，相机和图像采集卡必须支持9 6 0 0 的波特率；图像 数据和图像可通过c h a n n e ll i n k 总线进行传输。视频数据线的4 路信 号被定义为f v a l ( 帧有效) 、l v a l ( 行有效) 、d v a l ( 像元数掘有效) 和s p a c e ( 预留位) 。 3 l v d s ( e i a - 6 4 4 ) l v d s 是一种低摆幅的差分信号技术，它使信号能在差分p c b 线对 或平衡电缆上以4 0 0 m b p s 的速率传输，其低电压和低电流驱动输出实现 了低噪声和低功耗。 l v d s 接口是一种单工方式。必要时也可使用半双工、多点配霄方 式，但一般在噪声较小、距离较短的情况下才适用。其点到点连接的差 分对由一个驱动器、互联器和接收器组成。低摆幅驱动信号实现了高速 操作并减小了功耗，差分信号的幅度小、噪声小和功耗大幅减少。功率 的大幅降低允许在单个集成电路上集成多个接口驱动器和接收器。这提 高了p c b 板的效能，减少了成本。l v d s 要求使用一个与媒介相匹配的 终端电阻( 1 0 04 - 2 0 f 1 ) ，该电阻终止了环流信号，应该把它尽可能靠近 接收器输入端放晋。l v d s 驱动器能以超过1 5 5 5 m b p s 的速率驱动双绞 线对，距离超过1 0 m 。 4 i e e e l 3 9 4 i e e e l 3 9 4 接口为a p p l e 公司开发的串行接口标准，又称f i r e w i r e 接口。i e e e l 3 9 4 接口能够在计算机与外围设备问提供1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 m b p s 的传输速率。该接口不要求p c 端作为所有接入外设的控制器，不同的 外设可能直接在彼此之i 、日j 传输。 利用i e e e l 3 9 4 的拓扑结构，该接口不需要集线器就可连接6 3 台设 备，并且可由桥网将独立的予网连接起来，该接口不要强制用电脑控制 这些设备。 e e e l 3 9 4 接口规范能够实现8 0 0 m b p s 和1 6 g b p s 传输速率 的高速通信方式，并可实现较长距离数据的传输。无线方式i e e e l 3 9 4 超高速数据传输技术可以实现4 0 0 m b p s 的无线通信速率，传输距离在无 障碍时可达1 2 m 。 2 2 c c d 新型成像技术 随着光电技术、电子技术及计算机技术的发展，成像系统的性能不 断地改善和提高。下面就与本文相关的b i n n i n g 技术和开窗口技术分别 进行讨论。 2 2 1b i n n i n g 技术 b i n n i n g 技术是一种将几个相邻像素合并成一个像素的技术，它的 优点是：可以有效提高了像素响应度、信噪比及相机的帧速，从而广泛 应用现代相机。b i n n i n g 技术对相机性能的提高主要体现在以下几个方 面： 1 将相机的信噪比大致提高为m 倍，其中m 为b i n n i n g 的像素数； 2 将摄像的帧频提高至原来的m n 倍： 但是实现这种技术也要付出代价。首先，相机的分辨率降低了；其 次，多像素合并的信号增大很多，便要求移位寄存器具有更高的暂存能 力。b i n n i n g 后果降低了相机的空间分辨率，这也限制了b i n n i n g 像素 的数量。 一般实现b i n n i n g 技术的方法是硬件和软件相配合的方法。图2 2 所示为一种典型的b i n n i n g 方法的工作过程。在图2 2 的各小图中都显 示了c c d 的局部结构，其中包括了4 4 个像素，一个移位寄存器和一个 总和像素。图2 2 中的( a ) ( c ) 3 个小图所示为行像素信号的合并 过程，而( d ) ( f ) 3 个小图则示出了列像素信号的合并过程。 图z 2 ( a ) 是c c d 的局部原始状念，其中右上角的2 x 2 个相邻像 素将要b i n n i n g 成1 个像素。 图2 2 ( b ) 示出行像素信号的b i n n i n g 过程有两步：( 1 ) 将串行 移位寄存器中的两行信号在并行移位寄存器中合并起来；( 2 ) 将并行移 位寄存器中合并后的信号转移到总和像素中。 图2 2 ( c ) 表示合并的行信号j 下转移到移位寄存器中。 图2 2 ( e ) 表示并行移位寄存器中的两行像素信号萨转移到总和 像素中。 图2 2 ( f ) 则表示b i n n i n g 后的总和像素中的信号灰度状况。 以上b i n n i n g 过程是在软件控制下和同步信号作用下，一步一步完 成的。 原则上说，b i n n i n g 像素的多少只受限于c c d 上的像素数，但因 b i n n i n g 后信号电荷成比例增大，实际上还会受限于器件的满阱容量， 否则会出现饱和现象。 2x2p i x e lb i n n i n gr e a d - o u ts t a g e s 2 2 2 c c d 开窗口技术 图2 2b i n n i n g 技术 这种c c d 相机具有伪窗口读出功能，所谓伪窗口，就是在整个c c d 光敏面上，有选择的对感兴趣的像素进行读出，其它不感兴趣的不进行 操作，这样，一幅图像中就只有一部分能够被利用，伪窗口外面的区域 将被忽略掉。因此当要求输出整幅图像时就不能用伪窗口模式。在光 通信中，我们感兴趣的只是信标光光斑和信号光光斑，它们经过衰减后， 由c c d 相机接收成像在像面上的光斑直径很小，用伪窗口模式可以将光 斑信号提取出来。通过伪窗口读出模式，可以将像素读出速度提高很多， 因而能够达到很高的帧频。由于只对伪窗口范围内的像素进行读出，因 此数据量不是很大，减轻了后续电路进行a d 转换和数拥处理的负担。 再有这种模式的c c d 相机所用的芯片也比较容易买到，性价比较高。工 作在伪窗口模式的c c d 相机，其帧频可以达到很高，一般为1 0 0 h z 7 k h z 的水平，具体由所开窗口位置和大小决定，窗口的位置越靠近首行和首 列读出像素，其帧频越高，窗口越小帧频也越高。在光通信a p t 中，包 括粗精跟踪两个环节，因此需要粗精两套信标探测器和伺服控制器，采 用c c d 器件可以用一个芯片实现粗精两个探测器的功能，能够做到粗精 两个视场兼顾，从而简化了整个探测系统的结构。 臣! 口 像敏区 存储区 图2 5 伪窗口模式示意图 目前，商业化的c c d 器件尺寸很多，但往往不能满足各种不同的应 用场合，而订做符合要求的c c d 器件将需要昂贵的费用。在采用较大尺 寸的c c d 器件的时候，将带来两个问题：一个是像元数目的增多将使信 号电荷的读出速率受到限制，另一个是将有部分像元接受的光信息不是 我们所感兴趣的，而这一点恰为实现c c d 的窗口工作模式提供可能。 c c d 中电荷的转移是依靠施加在电极上有规则的电压来实现的，电 荷的转移频率取决于脉冲电压的频率，而脉冲电压频率依赖c c d 器件的 工作方式。面阵c c d 通常工作在视频方式，即每秒获得5 0 或6 0 幅图像 ( 称为5 0 f s 或6 0 f s ) ，假如一个像元数目为5 1 2 5 1 2 面阵c c d 工作在 5 0 帧的视频方式时，它的脉冲电压频率( 即像元的读出速率) 约为1 4 m h z ( 逐行扫描式) 。 在光通信a p t 中，为了提高伺服系统的闭环带宽，使瞄准精度和跟 踪精度提高，用于捕获信标光的c c d 相机要求工作在很高的帧频下，即 要求帧频很高，它的工作速度是视频方式的几十倍甚至是上百倍。例如 t i 公司的c c d 芯片t c 2 3 7 b ，其像元数为6 8 0 5 0 0 ，总共3 4 力像素，其 标准的像素输出频率为1 2 5 m h z ，使用双输出通道，等效的像素频率为 1o 2 5 m h z ，此时其帧频约为：厶= 兰_ _ 一7 3 5 h z ；为了满足精 3 4 0 0 0 0 一! 一 2 5 m h z 跟踪的需要，要求c c d 相机的帧频达到k h z 的水平。这样就要求像元读 出速率约为3 0 0 m h z ，显然这样高的读出速率，对于c c d 器件本身来说， 已经远远超过了其标准的工作频率1 2 5 m h z ，这样就会使器件性能的发 挥受到限制，而对于后续的处理电路( 如a d 转换电路) ，这样高的频 率已经远远超过了一般集成电路的工作频率极限，因此，要使用此c c d 器件，而又要提高工作的频率，使用一般的方法不能达到要求。 为了满足高帧频的要求，并且减小a d 转换电路和其他处理电路的 压力，本文采用了像元变频读出的方法，即在关键像元区域内降低c c d 的像元的读出速率，而在非关键像元区域内提高c c d 的像元读出速率， 这就是高速面阵c c d 的像元变频读出方法的基本思想。针对本课题，在 光通信a p t 中，用c c d 捕获的信标光相对于c c d 光敏面来说是一个很小 的光斑，此时，信标光斑就是我们感兴趣的关键区域，而其它我们不感 兴趣的地方就是非关键区域。下面仅以面阵c c d 器件的某一行像素的读 出来说明像元变频读出的方法，图2 6 ( a ) 所示的是一行像元的标准 读出时序，所有的像元以相同的速率读出，图2 6 ( b ) 所示的是像元 变频读出时序，一行中不同的像元以不同的速率读出，其中有用部分的 像元按标准时序或更低的速率读出，而其他非关键区域的像元高速读 出。例如，一行5 0 0 像元以1 2 5 m h z 的速率读出，一行的读出时间为 4 0 us ，若用像元变频读出，前2 5 0 个像元以5 0 m h z 读出，而后2 5 0 个 像元以1 2 矾h z 的标准速率读出，这样一行地读帛速率就是2 5 i ls ，整 体读出速度提高了将近一倍，而不影响后续电路对关键像元的处理。这 里前2 5 0 个像元是非关键像元，而后2 5 0