高分辨率全帧ccdff4052在导演上的应用

高分辨率全帧ccdff4052在导演上的应用

1面阵式fpga传感技术随着摄影测量数字化的发展，中国对高分辨率数字拍摄机的需求迅速增加。国外主要制造设备能够达到数万或数十亿图像的数字相机并投入运行。一些中国单位已经开始研究并取得了成果。高分辨率数字航拍相机大多采用大面阵CCD作为图像传感器,加拿大的DALSA公司是全球著名的高性能CCD制造商,其全帧(FullFrame)大面阵CCD系列产品很适合作为航拍相机的传感器。FTF4052是该公司的一款代表产品,因其具有分辨率高、面阵尺寸大、动态范围宽、噪声低、配套IC成熟完善等优点而得到了广泛应用。目前基于FTF4052的数字相机大多采用单通道输出,帧频不超过1f/s,不能满足某些高帧频的应用。一般而言提高帧频可以采取两种方法:提高CCD像素时钟或将CCD信号分多个通道同时输出,前者受器件极限参数的限制,效果不明显,因此大多数面阵CCD采用多输出通道的结构。本文针对FTF4052的结构特点,提出了一种对其基本驱动电路进行改进的方法,充分利用它的四个输出放大器进行同时输出,从而达到最大的读出速率,克服了目前基于FTF4052的相机帧频率低的缺点。2cdi结构设计FTF4052典型的基本驱动电路框图如图1所示,主要由控制单片机、时序发生器SAA8103、垂直驱动器TDA9991、前端处理电路TDA9965、RS422接口电路以及直流偏置电路等部分组成。系统在单片机的控制下协调工作,由时序发生器产生系统所需的各种时序信号,由垂直驱动器产生CCD直流偏置电压和垂直驱动电平,由前端处理电路将CCD输出的模拟信号进行黑电平箝位补偿、放大、相关双采样和模数转换,最后由接口电路将图像传输给PC采集卡。系统中各IC都是可配置器件,可以通过控制单片机配置为支持DALSA公司的多种CCD。该驱动电路具有结构简单、可靠性高、通用性强等优点,但它只能支持CCD单路输出,不能充分发挥CCD高速输出性能,当要求相机具有更高帧频时,需要进行改进。3完成四个序列输出ff40523.1电荷转移时序FTF4052具有四象限对称结构,中间是由感光像元构成的图像区,大小为4008×5344像素,周围是一圈由遮蔽像元构成的“黑像元”区,顶部和底部各有一行输出寄存器,四角是输出放大器W、X、Y和Z。每个象限都有独立的垂直和水平转移时钟输入端A1~A4和C1~C3,电荷转移方向由转移时钟的相位关系决定。这种对称结构使CCD能以1、2或4路进行输出,4路输出时能达到最快的输出速度,此时图像区电荷同时向顶端和底端移动,输出寄存器电荷同时向左右两端移动,如图2中虚线箭头所示。图3和图4分别是四路输出时CCD帧转移和水平像素转移时序图,图中SSC是时序发生器内部基准时钟,Trig_in是控制光积分起止的外部触发信号,CR是清除CCD残留电荷的复位脉冲,A1~A4是垂直转移时钟,C1~C3是水平转移时钟。由图可见四路输出时只需2678次垂直转移和2052次水平转移就能完成一帧的输出(单路输出分别需5356次和4080次),大大降低了输出时间。为了使电荷朝四个方向移动,需按一定顺序在各象限接入转移时钟,表1列出了各象限时钟的接法。3.2tda2965封装CCD四路输出时需要4片TDA9965对输出信号进行黑电平箝位补偿、放大、相关双采样和模数转换等处理,4片TDA9965并联,所需的时序信号由SAA8103产生,通过缓冲器转换为4路分配到各片。为了保持各路传输特性的一致性,设计电路板时应使各TDA9965输入端到CCD输出端的长度相同,时序信号到各TDA9965的传输延迟一致,各通道选用同一批次的元件,同时将各TDA9965的参考电压输入端通过较宽的走线连到一起。每片TDA9965通过3-W接口接收配置数据,其中两片的数据由SAA8103转发,另两片由控制单片机直接发送,这样可以对每个通道的增益、带宽、箝位电平等参数进行分别控制。3.3及其驱动性能分析FTF4052工作时所需的直流偏置电压主要有:用于控制CCD抗晕效能的N基底电压VNS(20~28V),输出放大器直流电压VSFD(20V),复位管直流电压VRD(20V)和输出栅电压VOG(5V)等,为了保证安全的上、去电顺序,除VNS外其它电压都由直流偏置电路从VSFD分压得到。4路输出时VSFD为4个输出放大器供电,图5是某一路输出放大器的示意图,图中On-chipamplifier是CCD片上放大器,R1、R2、R3和三极管Q1构成片外放大器。VSFD给每路输出提供的电流ISFD可以由式(1)计算:ISFD=IA+IC(1)式中,IA是片上输出放大器电流,典型值由FTF4052数据手册查得为4.5mA,IC是Q1集电极电流,其值可由式(2)计算:IC=IE=(Vb-Vbe)/R3(2)式中,IE为Q1发射极电流,Vb为基极电压,与片上放大器的输出电压大致相等,计算时取最大值VSFD(20V),Vbe为发射结导通电压,计算时取0.8V。由式(1)、(2)可得每路ISFD为13.2mA,4路输出时则为4×ISFD=52.8mA,而垂直驱动器VSFD端最大只能输出20mA的电流,显然不能驱动四路输出,必须对VSFD进行缓冲。采用集成运放构成电压跟随器是一种有效而安全的方法,如图6所示,将TDA9991输出的VSFD接入运放的同相输入端,在功率三极管Q1的发射极就能得到较大驱动能力的VSFD。为了给运放和功率管供电,需要一个DC/DC转换器将6V的系统供电电压转换到30V,用NS公司的LM3478构成SEPIC型开关稳压电路能满足要求。3.4lvds传输四路输出时产生4×12bit的图像数据,为了减少传输线缆的数量和连接器的尺寸,采用Camera-Link作为输出接口。Camera-Link使用低压差分信号(lowvoltagedifferentialsignaling,LVDS)传输数据,每个驱动器将28位并行数据以7∶1的比率串行化,调制成4对LVDS输出,另外用1对传送时钟,接收端将LVDS信号解调,恢复出并行数据和时钟。系统使用Camera-Link的中等配置(mediumconfiguration),采用两片DS90CR287传输图像数据和时钟,一片DS90LV048接收采集卡控制信号和一片DS90CR049来串口通信。采用Camera-Link接口能提供足够的传输速率并保证传输的可靠性,同时由于规定了接口和传输线缆,使相机对外呈现的接口简单统一,增强了相机和采集卡之间的兼容性。4输出通道的选择FTF4052基本驱动电路经上述改进后具有了支持CCD四路同时输出的能力,在25MHz的像素时钟下,一幅图像的读出时间为293.1ms,最大帧频率可达3.4f/s。图7给出了采用1、2、4路输出时帧频率与积分时间的关系,可见4路输出能明显提高帧频,随着积分时间的增加,提高的程度逐渐减小,这是由读出时间占整个拍摄时间的比例越来越小造成的,实际应用时可以根据积分时间和帧频选择合适的输出通道数量,以达到最佳性价比。由于各输出通道的传输特性不可能完全一致,导致四路输