（电子科学与技术专业论文）空间目标观测科学级ccd相机实现技术研究.pdf

鎏墼签垫杰堂鹜塞篷堡釜篓燕塞 a 辩s 霉鼗穴c 零 i n 饿i sp 印妫娃l ep r i 黼i 辫eo f 内os c i e 矬t i 氏c c d i g i t a le a m e 黼s y s i 渤a n d 泌豪e ? e c 酶遥骚e si 匏s o f 辩a 始a n dh 越撕掰肆程e s i 簪a 摊s y s t e 琳a l i c 箍差l yi n 渤d 瓤c 砖，墨融i s 势a p 嚣h 蠢s f 。s 。a 靓嚣d # c o o l 嬲s d e 嚣颧番。黟积ee e 玲d i 酉潮c & 撒龆8 谢魄e o n 黯l l 幻稔i n 姆g f a 蛙张蛀m o ， r e 硝铷s p e 磁鞠df o 艇t i m ed a t 巍嚣e 濑霸t i o n 。 f i 攥t ，w # 糯a k ea ni 秘鹏d 鞭e 霸o no f 搬eb 黼i e 撩e 蠛y 蛰fe e ps e 燃o rw o 撼恭盔艇蛀s o 徽棼 k 拶c 蝴c 印t i o n s 踟t h i sb a s i 岛、v ei 躲打- 嬲u e e 搬eb 棚w 甜ed 骼j 鼬壬o f 葡lm es u 璃y s 戢嚣so f o u rc e 珏e 翮e r ai ng r e a td 战潮s 髓ew h o l ee q u i p m e n tc s 主s t so fs i x 鼬s y s t e m 嚣：p o w o ： s 醢b s y s f 蹴1 ，d 矗v i 鹅s u b s y s t e m ，v i d e os i g n 鑫l 脚e e s s i n gs u b s 羚l e m ，i 髓t e r 氩c es 曲s y s t 蹴1 。 端黼秽燃i o ns u b 秽l e m 鑫n d 搬e 印t i cs 幻s y 啪黻。m n 豳s 抛露越em 嬲# 鳓蜘e 嚣o ：i s eo f e 疆 s e n s o f ， b o t h斑e e o 辩e l 激。d - q 醢a d n 母o 黔s 麟l p 嚣鹋 赫畦 c o 鞭e l a t e d m 浦l e s 潮p l 穗g 重e 馥骢i u 然a r eu s 醴洫m i ss 羚e m a 1 8 0 ，鞭l 摭re o 蕊嚣t h n i q u e 毯端u s e dt o 莨e 搴p 热尊 f 救n p o r 鼗t 醴c e de 脚砖o u 总o ，r c d u e 魄龇t h 黜赫删s e 。u s b 2 。o 波t 龆& o 耗e h n i q 豫oi s 嗣s o 娃s e d 协m m u 砖e a i eb 武o e 芏l 搬oc 蝴e r aa n dh o s lc o 黼p u t e ta 鑫e ft h 戤 t h 强p a p c rd q 蕊e s 墩es o 酗繇ed 霉s i 黔f 。re e de 勰1 e r a8 y s 毫e 嫩，i 鞋c i u d i n g 诹eu s bd e v i c 尊 d 蠢v 键勰d 蠡a r ep 群煳+ 礴# e x p 确m e 摊tr e s # l 抟i 嬲i e 娥辘采孙蠛攮。氧3 撼w a 始盎n ds o 蠹w a 黻踟s i 辨。fe e d c a m e r aa r 尊s h e c o s s 如l + 【l 魏y w o r d s 】：c c 黻p i x e bc o r r e l 矬t e d - q 娃鱼d r u p o l e - s 窘n l p l i 鞋g ，c o 室r e l 盏 e 畦，1 ) 臼瓤b l e s a m p l i n 豁f p g a ，u s 嚣2 ，o 图骑科技大学辑究黛浣攀缎论文 鬻2 。i 鞑o s 逮窑器蠹嚣蘩穆 鬻秘录 隧2 2 不霹鞲瑷下翡势漤。+ 鬻2 。3c e 静巍电旖转穆鬻。， 图2 4 三襁c c 轻中光电荷的转移7 潮2 5 电流输出方式结构8 图2 。6 浮鼹扩散放大嚣输出方式的结丰勾。+ 。9 黼2 7 浮邋栅敞丈器输出方式的结孛句，。p 黼2 + 8c e 9 输出溺复拉警熊掐懑。1 3 辫2 9 筵 藏镑霉逶黠聪瓷容翡究强避穗1 3 鼹2 。 e 筵蠢瞽蘸业辩耄饔黪皴瞧遵稷。1 4 鹫3 + le c b 据规系统黪络擒每臻艇强。l 鑫 溪3 2 轰绞供毫方褰框嚣。1 7 鬻3 3 戳? 8 8 3 建戆器蠹辩绩稳 s 弱3 ，4 馥7 8 8 3 祷感嚣的驱动穰零辩潆1 9 翻3 s 行转移麓阈的各脉冲硅誊序陵。1 9 麓3 6 行转穆脉冲的时序关系2 0 图3 + 7 捌转移脉冲时序要求。，”2 0 爨3 8 艇位脉狰与魏转移赫冲和襁籁德蛩熬# 尊序荧氖辫2 i 鲻3 9 c e 玢骥裁魄蘸实现糕鲻2 2 避3 + 1 0 禳关疑袋群渡影麓；2 3 麓3 。l la 辨8 4 毒a 臻畿与绣秘撵罄+ 2 莓 鼷3 j 2 矗d 9 8 4 4 a 三终率器接瓣麓连缓枣嚣麓操 馨时枣搽 懋3 、1 3e l p d m 翻e 醅o 转懿辩摩2 黼3 4 榴关翳象样朦瑷与时廖圈2 黼3 j 5 相关照j 袋群框图2 6 图3 1 6 瀚数阶伯特沃斯 氐邋滤波器端构。2 7 鞠3 1 7 实现信号与噪声姻减的原理熙2 8 测3 1 8 c y 7 c 黔8 0 1 3 芯片舞酃结构。 瑙3 。1 9 致冷片静安装蘩擒。3 2 黼3 。2 懑寝控瓤电蹙。3 2 嚣3 2 s 玉0 8 5 5 l 姑毙学镶头瓣s l 线澄3 4 鼷3 ，2 2e 0 蛰糨鞔电鼹疆歪鬣强，。、。豁 辫3 ，2 3c c 羚捆机电路掇斛键整3 ： 趱4 1w d m 鞭秘稳穿“容器”中游建密。3 6 第3 硪 醒防科技大学研究生院学位论文 圈4 。2 程序处理用户请求3 7 篷4 。3u s b 驱动程序绐擒蹦3 8 嚣4 4 w fs t h d i o 开发环壤。4 0 蕊4 5u s b 2 ，0 霆羚程序滚稷嚣。4 4 躅5 1 曦( 上) 和审2 l ( 下) 信号的蜜渊对序关系蘑4 6 图5 ，2 相关双采样的采样搪弩与c c d 输出信号的时廖关系图4 7 图5 3 黑暗房间中的亮点图像4 s 裘目录 表3 1t 7 8 8 3c c d 传感器所鬻电压典型值1 7 表3 2c d s 增益设置2 s 表3 3 五阶以内伯特沃斯低通滤波器i 胃一忧电容值2 7 袭3 4 镇热敏照阻的电阻俊与瀑发驹关系3 3 第4 臻 独剖性声蹦 本人声明所呈交的学位论文怒我本人在导啼指导下避行约研究工作及取得 的研究残暴。尽我所知，除了文中将捌加以褥淫和致谢的琏方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育褫构的拳位或证书蜀捷溺进曲豺耩。与畿一甏工律的麓志对本研究所颧妁任 何羹教均巴在论文中俸了姨确舔谎臻舞表幂谶意。 学位论文题毯： 窒豳塑楚鐾烈裂鲎熟箜超越塞鬟基壅楚庭 学位论文髂寮签名：盘邀遗嚣巍： 埘年，月彩捂 学位论文舨权使雳授投书 本人完全了蝣嗣防辩学技术大学有关保留、使用学位论文畴规定。本人授权 图防科学技术大学可以保留并向瞬家有关部门或梳构送突论文的复印件和电子 文档，允许论文被查蠲秘倍凌；可毅将学位论文蛹全部残部分内容缡入麓关数据 库进行检索，可以采用彩印、缩印或扫嵇等爱剃手段傣存、茫编学位论支。 ( 攥巷学值论文在簿垮詹涟弼本授权书。) 学位论文趣琶： 窑魍磨撬冀鼗熬鬟熬g 堡燕麴。塞鍪薤盛爨窭 学位论文律袭签名：生墼墼 作毒攒导教烬蕊名 l 玉墨聋 餮蘩：坷年，? 月缪瞽 日期：硝年，月，壬翳 国防科技大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 目前，c c d ( c h a 疆e c o u p l e d d e v i c e ，即电荷藕合器件) 技术已经发展成熟，它在 许多科学领域起到重要作用。特别是在天文学方面，由于大尺寸c c d 阵列的蹬现，采 用c c d 技术的新型望远镜系统能够探测到字宙深处亮度极为微弱的天体。c c d 在短 短十余年内已引发天文观测的大革命，而且这项技术仍在不断改进。天文学家凭借望 远镜及c c d 将可进行更深入的科学观测，发现薪的星体，拍得动人的天文照片。可以 说，c c d 开翎了天文观澳的新纪元，它使我们做到了j f i 用传统照相和摄像方法永远做 不到的超高精度光度测定。 自行开发并研制科学级c c d 数码相机，实现其国产化具有 常深刻的现实意义和 广阔的开发前景。疆前，国内各天文台望远镜终端都是从外凿引遴的成套设备，使用 和维护很不方便，著虽价格昂贵，嚣此国内遮切需要发展自己的c c d 技术。我f | 、】在对 这一课题进行深入研究和广泛调研的基础上，从系统豹硬件设计到软件开发，构建了 自己的c c d 相机系统。 本课题主要研究c c d 传感器的应用，侧重予外围电路的设计，最终实现利塌c c d 传感器观测天体的强的。c c d 传感器相枫正目益广泛的应用于天文观测，我国各大型 天文台也使用大量躲c c d 相机。但是题前我豳在这一领域与国际先进水平存在较大的 差距，需要从国外高价购买c c d 相机，同对围步 对我们技术封锁，因此，研铡具有自 主知识产权的c c d 天文相机系统，掌握c c d 相机设计的核心技术，并将其应用予天 文台，在节约天文观测成本的阉时，为我国的天文观测提供强大的技术保障。 1 2 国内外研究状况 2 0 世纪6 0 年代末期，美国贝尔实验室的w ，s b o y l e 、g e s 蕊t h 等人在研究磁泡 时，发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一新概念和一维 c c d 器件模型，同对预言了c 器件在信号处理、信号储存及图像传感中的应用前 景。签于美国m o s 器件工艺及硅耩料磷究豹雄厚基础，这种新型器件的设想很快得至l 了实现，至1 9 7 4 年，美国r c a 公司的5 1 2 3 2 0 像素西阵c c d 摄像机首先筒世。随着 大舰模集成电路工艺的不断完善和推广，其它垡国家也相继越上，纷纷研制成功了 c e d 器件。线阵c c d 像素数在不断增加，性能也明显提高，芷朝着商灵敏度、商速 度和宽动念范围方向发展。在面阵c c d 器件方西，美国t e k t r o n i x 公司于1 9 8 5 年率先 推出了2 0 4 8 2 0 4 8 像素的面阵c c d 图像传感器；睡莉，2 0 0 万以上像豢的数码相机品 种已很多，飞利浦公司已开发出像素边距为2 4 u m 、像素数达6 6 0 0 万、用予太空探测 的世界顶尖c c d 。日本、美国、英图、荷兰、德国、饿罗斯、韩国等国家均投入大量 第l 页 鼷游科技大学硒究生虢学豫论文 抟资金秘入力从事c c d 圈像传感嚣瓣研究敬及c c d 掇豫椒翡骈毒l 鞫艇产，蕊孛霞本、 荧潮所生产的c c d 传感器芯片洋h 摄像机无论在籁掇上还怒在数量上都处于领先地位。 貔强瞧毒从露光如敲缘嚣锌及黎娩开发黟专垃研究中心，麴枧毫部2 0 5 掰等。 自l 争9 0 每第螽e e d 数弱禚瓿瀚毽戳来，c e d 摄影技术发震邋遂，攀麓美蚕替 耀它通过卫蹙辩地瓤传送太空照片，以后转为琵羽，势不新拓宽应用范濯，鼷蓊已具 有逐步占领部分传统毙掌辐祝带场盼势头。辩学缀e c 蚤罴基予7 0 零代解散冷扰d 技 术发展起来的，它的出现引起了成像学科豹一场新变革。旗予致冷技珠豹辩学级c c d 糖辊翼孝灵敏度离、噪声低、动态藏黧大等突掇优点。科学级c c d 穰枧戆在徽竞嚣境 下或豫，梭测嚣常徽弱懿毙信号，精确辘爱映窭入射笼熬微夸交纯。海予辩学级致冷 e c d 数髑桷枕灏使用的c c d 拣片偷橼蠢、控制曦鼹复杂、制造成本辩等缀潮，导致 箕价格器爨，键我隧对其存较大觞帘场鬟采，蕊嚣内静开发滏处予越疹阶段。 1 3 科学级c c d 棚枕的特点 在诲多疲震中，辞学缀c e 黔稽税静毪缝与瑗憨敬党梭潮器菲露稳似。理想豹巍检 测嚣能将每一个入瓣龙子转换为可捡渊豹嵇号，两曩能够农一幅圈审灏时检测副极强 釉稷弱戆光嵇号。辩学级c c d 穗枫与营逶c c p 橡褫及其它或像嚣转静邈瓣主要在予 它的离性徽，表现在噪声低、谶敏度商、量子效鬻胬、线性度好、渤惑范围大和空间 分瓣率离铐方蕊，楚中些特憋，拢翔爱敏度、线慷度和动态范邈与稠枫麴撼速度( 即 读蹬速度) 威接裰关。 科学级熬冷c e d 撩机主要用予徽光成豫，在锼鼹中檩枫憝予低照泼长辩潮积分状 态，瓣予鬣 薯接鞠橇。磅究表醒，这耱清嚣下稳撬懿噪声援隈是交穗瓿浆读潦爨声决 定的。由噪声引起的暗电漉受濑度的影响强烈，裁与光积分对闻成藏魄，c c d 芯片萨? 溢度每降低7 ，踏电漉就减少一半，所以翘祝必须工佟在数冷状态，邋常e c d 芯片 豹瀑度在。4 0 发丧。蒸予苏上黪点，辩学级文d 鞠橇又被称为爱援摇c e 秘鞠辘、离 分辨c c d 襁机、赫链畿c c d 稳概袋致冷c c d 捐襁。 科学缀e e 羚稻税在e c d 蕊片酾驱动瘫黯熬设计上慕弼了一整受邈淤搜零敷镶证 其离性能： 在茜片结构豹设计上，袋用蠼沟工艺、m 粉( m u l t i - p i n n e d 确a s e ) 投零等；+ 在鞣韵邀鼹的设诗主，袋两p p d ( p 蠢m 8 秽p o i n t d i 蘑蜒z 蠢。琏，帮摄始点数字证) 技术； 在海低e c 移芯片鳃骧瞧流噪声方溪采蘧致冷技零。 从c c d 芯片到c c d 驱动电潞的设暑卡，科学级e c d 糊桃与普通视频相机熙有很太 的送剐。它的燕要特瞧育： ( 1 ) 爨予效率蕊。量予效攀楚影鹃e c i ) 籀斌灵敏凌瓣一令重要囡索。它筵撂豫 索势璐中所收集的光生电荷数与入蓦重兜子数的滗馕。e e d 楣祝没有内部增益，理论上 燕2 受 国防辩技大学研究生疏学位论文 量子效率最大值是l o o ，雨实际上不可能达到。目前，离性能科学级c c d 相枫的量 子效率可赢达8 0 ，是酱逶视频相机的3 倍。应闵予微光环麓时，视频相枫通常要与 像增强器藕合，以便提高增益。尽管这些器件能够提高增益，但它们的量子效率实际 上仍低于c c d 相机。一般情况下像增强器因增益的薛线性，会引入附加噪声，所以俦 增强器并不适用于定量的图像处理和分析方面； ( 2 ) 线健度好。所谓线性度，是指c c d 相机产生的电信号与入射光强的线性关 系。在典型的视频或t v 应用中，人们并不关心系统的线性度，离达2 0 的偏差是允 许的。然而，在成像科学领域中，响应的线性度是必须考虑的重要参数，理想情况下， 每一个像素都可视为一个高保_ 粪的光子测量器件，它产生的电信号与入射光的强度碰 精确的正比。高性能科学级c c d 相枫的典型线性度在整个动态范围内要小于o 1 ， 同时像素与像素之间应具有良好的响应均匀性( o 9 9 拿，嚣戴在袋群闻隔小予l h s 霹，谈冀两 次采徉的噪声怒完全相关静。 2 。4 本章小结 本章对e c d 释传馁了麓要豹介绥，主要说锈了箕工俸琢理，势羹焱奔绍了臻声的 相关特性以及抑制噪声的方法，这是本文秘学级c c d 相枫设计豹基础。通过以上的蛩 述，我们可以得到以下结论： 万i 百一 潮黼辩技大学硪窥嶷院学位谂文 ( 1 ) e e d 传感嚣凝其鸯必跑转换豹翡熊，又其蠢蕊譬瞧蘩秘存铸、转移露读滋功 戆，它戆一穰空髑域分布的光学隧像，转换为光电薅簿列，最终输滋为一事接辩澜域 分布的离敬电压继号； ( 2 ) e e d 嚣转装要乡 热驱劫皴挣才筏工髂； ( 3 ) a ：d 器馋鹣蠹罄缨褥决定了噪声爨不可运受翁，只麓逶邀瑟续熬楚鹫寒减少 袋消酴； ( 4 c c d 存程多种噪声，对不游鲍啜声溪采用不瀚的处理方法。特嬲懿是，辩子 复位嫌声，采稃灏黼小予l 醛蟊寸，嚣次采梯黪噪声莛宠众鞠关懿。 第1 5 粥 鞫游释接失学研究嫩麓学德论文 繁三章e e 羚糖鞔器统盼漤磐设诗毒赛豌 本文溪绕1 0 l 傣巷嚣薜特毽，开发繇嗓黟、蠢茭敝凄、实露健徐、曝凫薅越辩麓 铡且带致冷功藏躲穗瓿系统。该系统硬彳串潜袋驰主黉链务鸯； 窕徙澍e e 秘传感器的控镄，包摄躁光、眩辩转移豁 蹲援灏模叛信号逶嚣缝壤，主要德糖去礤簿、藏大、舳转换铸； 数据健输，程接口设计上采用u s 嚣2 o 鞠举嗣的双羧目模式； 瓣c e d 绩感器逶幸亍半等俸致冷，控猁e e 移游溢菠并实辩鬣器； 豢搬学键头黪控澍，包撩免骚、焦躐帮聚焦憋调整。 针对嫒 孛零统粒竣计任努，零系统的设计锸构殿功艇拳慧塑粥鼹3 ，埘f 示。 罄3 1e c d 穗懿鬃统瓣缝秘与秘栽越 谈添绫滋是学辫分、c e 转驱舔奄路、援颓娥溅淑鼹、接鼗邀黠簿死帮分组残。蕊 f p g a 为矮它各酃分电路提袋控铡麓号，毙学镜头采鬃毙线并将其聚憩在c c d 臻戆器 懿感巍瑟上，然惩e e d 传墓嚣在鞣凄逛鼹懿投秘下竞躐光淹转裴莠辘建摸熬疆频偿弩， 该嫒羧裁频蘩号经邈稳蓑竣袋撵壤螽荚嚣采襻楚瑗瑟森鼷灞西装磁中存蘧，薅餐、 u s 辩2 + e 瀵鞠残窀隧竣留簿兰穰避嚣誊豫鼗示。下嚣番节褥蒸俸蘑逮蕊个零元斡络事霉j i 功懿。 第j 6 授 蓬防辩救大学骄究魅院譬键谂文 3 1 擞魄荤蠢 本文使翻鹣e c d 转感嚣所需恕压典型德辩袭3 + l 搿瀑。 袋3 髓1 7 8 8 3e e 蚤接感器麟嚣壤篷典黧馕 f 惫蘧符号v v 豫v sv g s臻托瓴b 锄o ，娆如辔4 l垂l h ，鹞h ，渤k 热潼俊( v ) 1 51 2 8o1 sl 。8o 3l o 另外，c c d 视频傣号处理芯片a d 9 8 4 4 a 嚣簧模拟+ 3 。3 v 和数字+ 3 3 v 。供魄；m ) 转换芯片a d 6 6 4 4 辫要十3 3 v 静+ 5 v 供奄，为秣谖蛐6 6 4 4 熬瞧麓，这两个电骥需要与 模投嘏踌狂数警魄薅隔蒜；s p a 蛙黼l 鞋张g _ 焱霭鼗+ 2 v 、+ 2 5 v 帮3 3 v 供魄；横撤憩 鼹部分姆遥髯放大器、模拟开关等需要+ 5 v 帮5 v 鼠氍。 经默上考虑，本系绞共需要以下几种毫蕊；+ 1 5 v ，十i 2 。8 v ，l 执，十s v ，+ 3 。3 v ， 十2 。5 v ，+ 1 s v ，+ j 5 v ，+ 1 2 、，。s v ，芒孛+ i 5 v ，+ 1 2 8 v ，+ l 蛰v ，+ 1 8 v ，i 5 v ，与v 为模拟瞧爨供惫，+ 2 5 v ，+ l 。2 v 魏数字彀路供嘏，薅5 v ，书3 。3 v 篱要耀疆爨隔离为 三帮分分嗣魏模羧、数字、艇玲爨惫。鼗努，s p a 娃鑫曩嚣l 羚泓存在上惫鞭瘠酶滏题： 内棱电愿+ 1 2 v 不能竣詹供邀，帮+ 3 3 v 秘+ 2 ，5 v 慧少蠢个程+ l 。2 v 之屠供瞧。 南予系统所需电聪较多，不可避免的采用了逐级实现的方式，如图3 2 魇示。 蓬3 。2 系统供雹方寨楼鍪 各缴咆滕主袋融稳压芯片产生，丽s p a n a n 撇神g a 供魄蕊片( 静醋申+ 3 3 v d ， 十2 ，5 v d ，+ l 。2 v d ) 则选择了t i 公司的t p s 7 5 0 0 3 蕊片，该芯片专为s p a n a l l i i if p 好a 设计，越够阊辩提供三路可调电惩 电疆变化溅灏o 9 v 。6 。5 v ) ，每一路电压舆裔狱亚 馕缝，搿根攘簧婺溺整三鼹奄压黪供电颞露搿，宠全满怒s p 粼a 挂激f 粥a 转供露器爨a 3 。2e e 羚驱动瞧路 c c 矜镪糖器鹣翁稔楚在控制腺浠翁终恁下懿戒光电转换芳输如褫频倍号，驱动电 蹲虢怒为c e d 提供满是王 乍条件的驱确璃号褒控铡c c d 镱黎器宽戚其功麓j 憩耩c e 羚 龙邀转羧、泡蘅转移、电蓊清除、囊继簿秘畿。驱动电路熬设计蠹接彩旗e e 转兹工露 辩1 7 蕊 臻院瓣技大学臻窕爱浚学位论文 谯翡，本系统麓驱魂魄路懑歉渖产懋嘏黪器惫乎转换奄鼷缓藏。 本文选弼熬e e d 姆撩灏必鞭0 m s 溅公递熟t l = 差7 8 8 3 蠢麟c e 黔健感游，主要缝 畿及德点1 6 l 如下： 感竞医壤露获1 3 ，2 魏擞x 8 嚣3 街搬( 5 7 融s 8 霹争豫素) 旗瘦波长范囊毒轻蕊ll 瓣，耀霹冤党与邋勉努 涣态范溪9 敷激 输感噪声i 0 个穗予 键和输出龟聪2 v ( 1 m v 珥7 0 # l 。c 的n s ) 整帧图像最小读出时闻1 7 m 8 矮海遘设诗 4 糖辩镑操露 典袋赣爨菝攀7 + 霹撇嚣z 窜 亍输窭 可在繇熙度象络下攘掇 t 鞭7 8 8 3 辫像镄感瓣辩绩构她鬻3 + 3 繇承。鬻稼嚣在曝党辩蠲巍获累巍娥耩( 瘗瑟 游瓴p ，辔2 p ，魂p ，审珈秭r 控镪) ，然强媳辩猿嚣转移戮埝密寄存撩( 出辣冲由i p ，p ，散p ， 辔4 p ，秭r 控制) ，孬爱过输密逮薅窜行输凌( 自冁露辔 b 碜2 l 控露) 。 强3 3 烈7 8 8 3 转感器漆帮臻穆 籀 8 页 翟跨秘授大攀酶褒燮虢攀键埝文 鞭彳8 豁嵇感爨舞器褪c c 玲蒋惑器，麓帛簿骞箴赣寝薅蕊，驱臻蘩弩王佟潜参 熟阉釜4 踞恭。该e e d 鍪像传感器获取一裱辫像酌潞稔龟捂三令辨羧：清除除羧、潦 澎输袋翻转移除淡。在渍豫除段，c e 矜将辫豫逸中的热积累海萄全都清除，等特曝溅， 邃瓣埝懑麓稼豢楚无效舞；霞骥竞狳段，僦d 究袋巍堍转换凄戆，嚣富匏霹懿镲曝绦 祷灏定瓣魄平，曝光簿藤胃霰攥蠢的羧度谲麓；程转移淤段，e e d 蒋瀑竞酚羧欷紫静 魄礴全部输出，熊中包括繇有的离效栽鞭传潆鞠少墩懿它像素( 如隔离豫潦、豫参奄 像紫镣) 中豹瞧楗信号。 冀3 ，毒t 瓣7 8 豁鼹感瓣鞠驱劲搭譬蹲拳 薯疆? 8 豁盼戮貔甓号霉菠势兔孬转移躲冷、瓣转移躲洚、羹整慰耱三类； ( 1 ) 抒转移默冲嗽p ，龟p ，锅甑鹣鳓鼬程瀵滁除疑辍转移除段露慕鞑蘸e e 羚戴漤 嚣浇威抒转移，镶次将e e d 麴一行像素濑瀚橡送转移歪输崽寄存嚣，在瀑邋黔黢则缫 持溅窀拣惫警辍餐臻竞套熬。錾3 。5 辨舔鼯蕊行转移鬻瓣潋及粪移蘩嚣熬餐菰狰露黪焚 蘩圈。杼转穆鞫弼转移翁瓣阕鬻隔签少鼹轨5 黼，套车系统设诗孛，孬转移赫渖鞫瓤转 移脉冲的黼聪掰个对闷闻隔分舅为1 魄s 襁2 4 u s 。 毽3 5 嚣转移鬻瓣戆番敞冷嚣幸澎錾 髂1 9 贰 国防科技大学研究生貌学位论文 圈3 6 为行转移脉冲之闻的时序关系图。豳个脉冲依次向后延迟一段时闻，在设计 时，将o l p 和m 3 p 甓为反相关系，丽m 2 p 和m 4 p 分别相对于m l p 和m 3 p 延迟l ，4 个周期。 中i p = 口 o 2 p 审3 p 审4 p t 。3 0 n s t r 3 0 n s t 5 0 n s 图3 6 行转移脉冲的时序关系 ( 2 ) 列转移脉冲中1 l ，m 2 l 。在每一行的所有像素转移至u 移位寄存器中以后，列转 移脉冲将这一幸亍中的像素串行输出。歹i 转移脉冲在曝光时海内不工作。国l l ，西2 l 成严1 格的反相关系，具体时序要求如图3 7 所示。 m 毒 母2 p 0 3 p 0 4 p o l l 中2 l 中r v o s 豳3 7 列转移脉冲时序要求 在转移期阈，列脉冲至少要有4 0 7 个周期，因为t h 7 8 8 3 传感器每一行有3 8 4 个 有效视频信号，还有2 3 个其它辕助信号，这些信号的输出顺序为： 7 个“蘸扫描”像素 1 个隔离像素 3 8 4 个视频像素 4 个隔离像素 1 0 个路参考像素 1 个隔离像素 以上这些信号中除了视频信号和暗参考信号( 可璃来做咯电平 偿) 外，其它：3 个像素的输出电荷是无用的。在后续的视频信号处理中，将2 3 个辅助信号置零( 在进 第2 0 页 _ _ _ _ _ * p _ - _ _ w _ _ - - - _ _ _ _ w _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ w - - - _ _ h _ _ _ h _ _ _ _ - _ _ _ - _ + w _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ - _ - - 一 国防科技大学研究生院学位论文 行了嚷电平补偿之后) ，具体见3 3 节。 ( 3 ) 复位脉冲畈。在每个像素电荷输出以后、下一个像素电蘅到来之闻，一个 瞬间的复位脉冲商电平将浮置扩散电容放电，从两为下一个像素的电荷转移做好准备。 复位脉冲在曝光时阀内不工作。国r 与列转移脉冲和视频信号霄着严格的回步关系，如 图3 8 所示。巾r 的离脉冲岿须在0 2 l 的上升沿之鹾到来，丽且t 2 要尽量大以便于相关 双采样的实现，本设计中t 2 = 5 0 n s 。 壅翌焦! i i ! ! - o i l 乖2 l o r t r 1 0 n s t f l o n s t l 2 0 l l s t 2 o n s t 3 2 0 n s 典型馈t 4 = 1 5 i l s 图3 8 复位脉冲与列转移脉冲和视频信号豹时序关系图 根据以上所述，c c d 传感器的时序要求较复杂，且各个驱动脉冲需要严格同步， 本文选择了x i l i n x 公司s p a r t a n i i if p g a 系捌中的x c 3 s 2 0 0 芯片产生以上各驱动信号， 它是x i l i l l ) 【公司的新一代f p g a 产品，可靠性和稳定性高，能够满足c c d 传感器对驱 动信号的要求。而且与以往开发的f p g a 稚沈，s p a n a n 珏i 的f p g a 性价比高且与这 系列的其它f p g a 管脚兼容p j 。 从f p g a 产生的驱动信号并不能直接驱动c c d ，因为f p g a 输出信号为t t l 电平 面c c d 所需信号为低融平+ o 。3 v ，高电平+ 1 0 v 。因此需要在x c 3 s 2 0 0 与c c d 之闻增 加电平转换芯片d s 0 0 2 6 ，该芯片可以将输入的t t l 信号电平转换为所需的任意电平 ( 高低电乎压差最大为2 0 v ) ，工作频率5 m 1 0 m h z 捧l 。 另外，需要注意的是，在t h 7 8 8 3 所需的驱动信号中存在一个特殊信号母2 p ，该信 号需要在三种电平o v ，+ 1 8 v ，+ l o v 之间转换，积分阶段的高、低电平分别为十l o v ， + 1 8 v ，清除阶段和转移阶段的离、低电平分别为+ l o v ，o v 。在对这一阀题的处理上 本文采用了视频模拟开关m a x 4 1 2 l 潮辩d s 0 0 2 6 的直流低电平进行控制，使之在o v 和十1 8 v 之间转换，丙直流离电平则一赢保持+ 1 0 v 。 c c d 驱动电路的实现框闺如圈3 9 所示。 第2 l 页 国骆科技大学研究生豌学位论文 + l 图3 9c c d 驱渤电路实现框图 豁3 巍频信号处理魄路 获e e 势传感器羧窭熬信号必搂叛穰弩，需要缝遨骰貉放大、去漂、a 蛰等一系残 瓣处避，才憨传入主枧逡霉亍滔像嚣示。英孛去噪声是零文研究静重点，去噪声泡踌懿 效聚蠢搂决定了c c d 鞠辊藜瞧貔。 为瓣制翻消除噪声，本文褒设计中袋鹅了以下方法： ，桶关被采梯电路楚一稀莪够裔敷罐 溺滁复靛嗓声熬魄路。 楣凝双采样的原理如踅3 o 所示：程每一个笈位脉冲r e s 蜣完成之愆，e c 羚传感嚣 霹面r 一 豳防科技大学研究生院学位论文 输趱的是噪声信号；然后s a m p l o l 脉冲到来，对嗓声遴彳亍采样：接下米在剐转移脉冲 垂锄l 鲶佟鼹下，在垂l l 黔上舞淤输嵩包含噪声瓣有效e e d 信号，在该偿譬平稳以赢， s a 毪l p i e 2 辣狰至l 寒，采样缮戮含臻声戆蠢效绩专；最嚣将s a 璎p l e l 秘s 8 热p l e 2 两次袋襻篱 嚣靛缝蒙耱藏。蠢第二意懿分褥蜀簸，x 尊c e d 赣窭番号夔采样窝蕊f s i 潞时，嚣次秉 榉所得戮弱复位臻声是完全礤荚的。零系统将疆7 8 8 3 登c e d 抟感器黪数据读爨速率设 置为6 m 酲z ，龋两次采样的闼隔为o ，1 7 u s 窀簿慕燧s 堇主p 耧s 努剐愁臻声黎售号聚撵，邃两令慕襻陵渖 瀚放释对系绞瞧慧舂授大彩蹶。强藏弱中，辱鬣谯嗓黟耪信号平稳麓魁箕采搭，霹不 籍2 4 贸 国防科技大学研究生院学位论文 簧在噪声和信号剐到来时采样。c d s 嘏鼹酶输港信号应该在1 5 v 1 6 v 之间。c d s 增益 的默认憧为能b ，可以通过改变c d s 增益寄存嚣鲍值嫒c d s 输出电平焱1 s v 1 6 v 之海。 e d s 瓒蕊戆选簿可参考袭3 2 。 寝3 乏c d s 增慈浚嚣 最大输入信号( v p 巾)掰需豹增益范围寄存器豹俊 2 5 侥n v 8 一l o d b2 1 3 l 5 0 0 m v6 8 d bl o 。2 l 8 0 0 m v4 6 d b6 3 1 0 l v2 4 d b 5 3 6 3 1 2 5 vo _ 2 d b 4 2 5 3 1 5 v 2 o d b3 2 4 2 霉露使 睾蓥箍稼洚e 口d 鹾稻e l p 0 鼹懿辩蓐翔琵3 + 1 3 繇嚣。e 谤麟躲狰热来程浚入除袋渣 除e c d 蘩号孛憝竞学踣德黉( 这镶嚣存在予e e d 铸惑嚣被遮羲黪蹬镶索审) ，c l 王蛰m 脉；串必须在e c d 蠢效豹噻像索麓阏绘出，至少占存4 个像素；c l ，0 b 脉j 串爝采在知d 输 出数字信号之自誊清除信号中麴残躲编鬻，并跟踪c c d 暗电平豹低频交纯，该脉冲在c c d 光学暗像素期间给出，至少占肖2 0 个像素，否则会导致性能下降、噪声增加。另外， 在预匿影脉冲p b l k 有效期闽，a p 9 8 4 4 a 输出数据全部为零。 、 卜且j 、k 且 芝至挚j l 儿扎 l i “一 厂一 “一 厂一 厂一 嗽二三三巫 二三至口臣三三卫至 圈3 1 3 c 聃d m 和c l p o b 豹时序 a d 转换 a d 9 8 4 4 a 的d 转换时钟也照幽f p g a 提供，该对钟的上井浍必须程s 联d 的上升沿 和下一个s p 的下降沿之阉，谣黩a 国输淑的数字信号租对于s h d 和s 辨瓣慕梯信号延 遐9 个僖号周期。舅夕 ， 2 b i s 的a 转换器输入信号范围2 v ，也裁是彤d 蘸蠢嚣级处理 蘸增益累掘越来应该使e c d 壤号魄羼蝾。漳馕接近2 v 。 第2 5 页 国防科技大学研究生浣学位论文 3 。3 + 2 褪关霾采群邀耱 檑关翻采榉技术怒从c c d 信号弥冲静褥屠两个沿上分别褥弼相关采群，从磁船遵 了恢复信号。电路的工作厥理及时序如图3 1 4 所示，电路恰好农信号的前沿跃进之前 提供钳位，以及在完成佑母的前沿跃迂之艏采出信号的幅值。然后再把上述过穗颠倒 避米，这群就褥到了籍潞靛采样。随詹把褥戳静蘧个信号都按戮差动放丈器中，遮个 敖丈瓣哥黻毒效速会或采襻。逶遗上述分辨不藤器凄，稳关辫采样燕稿关取采谨豁发 展，它可以魄相关双采样的噪声籀制性熊掇离4 0 。毽是它对聚样脉冲的时序要求比 较严格，如栗要求系统工作在商速豹情况下，技术土难度比较大l 。 c c d i 羔 b u f | j 撙 l e v e i s 8& 零3 1 4 程关蹼袋榉漂瑗与醚序謦 零文尝试鹃糖关豳采样采稳了霜3 5 掰示豹处理淹程。a d 8 0 9 9 f 1 麓移有源器谗椽成 三除低遁滤波器，滤除筒频噪声；a d 8 0 7 9 u 麓和f s a l1 5 6 删檬当予构成了两路相关瓶袋 样，分别键到信号前沿茅睚震沿的相关双采榉；采样看的两路信姆在a d 8 1 3 8 中相减 合成了糨关蹉采样。 c 硼 c 唑莎斟：黟硼 叵于飞岩 第2 6 翼 国防辩技大学研究生院学位论文 低通滤波器的设计 分析c c d 的各种噪声信号，可知噪声信号的频率都比较禽。例如复位噪声的频鸯_ i 与c c d 输出复位脉冲频率相同，丽教粒噪声、电流噪声等都眈复位脉冲频率高的多， 所以完全可以用低通滤波法消除或减少干扰噪声。 为有效滤除商频噪声，本文采羯了三阶有源低通滤波器。综合考虑滤波器的疆度 平坦性和曲线陡度，选用伯特沃斯低通滤波器，伯特沃斯奇数阶低通滤波器的结构和 归一化电阻值分别如圈3 1 6 和表3 3 所示1 1 6 】。 圈3 1 6 奇数阶伯特沃斯低通滤波器结构 表3 3 五阶以内伯特沃斯低通滤波器归一化电容傻 v o nc lc 2c 3c 4c 5 l1 o o o o o 22 1 2 1 3 2o 4 1 7 4 0 32 3 7 4 3 42 5 9 l l oo 3 2 5 0 3 43 9 i 9 6 9o 2 5 5 1 2l 。6 2 3 5 9o 6 】5 9 2 52 1 6 7 4 l4 ，3 1 4 8 l0 1 2 1 3 8 61 3 5 4 l oo 5 3 9 3 5 表中电容值近似于国o = 1 显电阻均为l 欧姆的情况，实选的电容傻应等于表中归一 1 化电容傻的一倍。 k 出o 为了尽量降低滤波器引入的噪声，本文选用超低失真、超低嗓声的运算放大器 a d 8 0 9 9 来构建低通滤波器，该运放的输入噪声仅为o 9 5 n v h z 。将a d 8 0 9 9 按照霉 3 1 6 的方式接成三阶滤波器，参考表3 3 选择电容值c l = c 2 - 2 2 p f ，c 3 = 3 p f ，电阻 r = 2 k n 。 鸯效视频信号的获取 女羹上所述，我们是利用两个相关双采样得到的信号与噪声差值来合成相关四采样， 其中每一个信号与噪声的差值都是利用电容鲍特性来实现豹，如图3 i 7 所示。 假设c c d 信号经过滤波以后的波形为图3 1 7 中( a ) 豳所示，即复位脉冲r e s 。t 完成之后的噪声电平为2 v ，两随后到来的信号( 有效信号嬲噪声) 电平为o - 3 v ，则相 应的工作过程如图3 1 7 中( b ) 图所示： 第2 7 负 国防科技大学研究生院学位论文 ( 1 ) 在t l 时刻模拟开关闭合，则此时a 点的电压+ 2 v ( 该信号是含复位噪声的暗 输出信号) ，b 点电压o v ，然后开关断开，电容上已经存储电荷q ； ( a ) c c d 输出信号波形( b ) 电路上实现信号与噪声的相减 图3 1 7 实现信号与噪声相减的原理图 ( 2 ) 在t 2 时刻，由于缓冲器输入电阻很大，电容上保持电荷不变，而电容的两就 电压差与存储的电荷成正比，故a 点电压变为0 1 3 v ，则相应的b 点电压为17 v 。1 7 v 就代表了此时输出信号与前面已保存下来的噪声之间的差值，即有效信号； ( 3 ) 前沿采样完成后，缓冲器后面的采样保持电路对信号采样，然后保持这一值， 等待后沿采样完成后与其相减。 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 完成了c c d 信号的前沿采样，同样的方法可以得到后沿采样。 以上过程中的模拟开关选择很关键，本文采用了陋c h i l d 公司的f s a l1 5 6 ， 其导通电阻摄大为0 9 q ，且导通时间和切断时问很短，与目前市面上的其它模拟开关 相比有明显的优势。缓冲器采用的是a d 8 0 7 9 ，它具有两路缓冲功能，分别对前沿和后 前采样信号进行缓冲。采样保持放大器则采用a d 7 8 3 ，它的小信号带宽可达1 5 m h z 【1 i 满足奉系统的要求。 相关四采样的合成及a m 转换 在完成c c d 信号的前沿和后沿的相关双采样后，这两路信号在差动放大器 a d 8 1 3 8 中相减，合成相关四采样信号。 由于c c d 信号前沿的相关双采样是用信号减噪声，得到有效信号，后沿的采样是 用噪声减信号，得到的是有效信号的负值，两者相减后，信号增大为原来的二倍，讪 其中的不相关噪声则增大为原来的互倍【1 ”，即相对于相关双采样来说，信噪比提高压 倍，抑制噪声的性能提高了4 0 。 相关四采样信号由a d 8 1 3 8 输出后进入a d 6 6 4 4 进行1 4 b j t s 的刖d 转换。 由a d 转换后的数据先存储在双端口r a m 中，然后通过u s b 2 o 接口或串口传逆 到主机。经相关双采样和相关四采样电路处理后的数据分别是1 2 b i t s 和1 4 b i t s 在向双 端口r a m 中存储时，两种方法处理后的数据全部按照1 4 b i t s 存储，只是在存储相关双 采样数据时，将高两位置零。 第2 8 页 嘲防科技大学研究生院学位论文 3 4u s b 接口电路 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 跫用来连接外围设冬与计算机的灏1 i 标准接一总线，它是一季孛快速、双淘、闻步传输、廉价，并可以实现热拔插的串行谈 l 。本文的c c d 相讥系统不但输出数据量大，而且要求实时传输，u s b 2 ，o 薅向高数 据率传输的场合，支持4 8 0 m b p s 的传输速度，并向下完全兼容u s b l 1 协议，所以u s b 20 标准自然成为首选。而且u s b 接口鄂插即用、易扩展等优点极大方便了相机使用。 合考虑其各种性能，我们选择u s b 2 o 接口来实现本系统的数据传输及主机对相机的? ! 捌。 本系统选用c v p r e s s 的毫z u s bf x 2 u s b 2 o 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 剧i 作为核心控制 器柬完成u s b 2 o 接口的开发。e z 。u s 8f x 2 系列芯片是最早符合u s 8 20 协议的微控 制器之一，它集成了符合u s b 2 o 协议的收发器( t r a l l s c e i v e r ) ，串行接口引擎( s 基) 增强型的8 0 5 l 内核以及可编程的外围接口，其结孛句如图3 1 8 所示。 图3 1 8c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片内部结构 l ? x 2 矗、二利l 川蛐0 接l | 模式：端口、从f i f o 和g p i f 差控。在端日模式下，所有 i og 猢吲j 可作为8 0 5 l 的通用i o 口。在从f i f o 模式下，外部逻辑或外部处理器 。i 接7f x 2 端点f i f o 相连。在这耱模式下，g 王) i f 不被激活，因为夕 部逻辑可囊接控菩j 端点f i f o ，外部主控端既可以是异步方式，也可以是间步方式，并可以为f x 2 接e 箍 供自己的独立时钟。g p i f 主控接团模式使用p o r t b 和p o r l m 构成通向四个f x 2 端 点f l f o ( p 2 ，e p 4 ，e p 6 和e p 8 ) 的1 6 位数据接口。g p i f 作为内部的主控制器与f i f 0 国防科技大学研究生院学位论文 直接相连，并产生用户可编程的控制信号与外部接口进行通信。阚时，g p 礤还可以避 过r d y 引脚采样外部信号并等待外部事件。由于g p 琢的运行速度比f 琢o 快得多， 因此其时序信号具有很好的编程分辨率【2 1 1 。另外，g p 瑾既可以使用内部时钟，也可以 使用外部时钟。 本文选择了g p 婿主控接口模式，所有的读写及控象l 逻辑通过c y 7 c 6 8 0 】3 的g p 职 以软件编程的方式实现，盟控暴4 逻辑的变换方便灵活( 只需要改变接口的一个配置寄 存器的傻) 。 g p i f 方式下接口内核可产生6 个控制输出端( c t l o c t l 5 ) 和9 根线的地址 ( g a d r 【8 ：o 】) 输出，同时可以接收6 个外部输入( r d y o r d y 5 ) 和2 个内部