高分辨率全幀ccdff4052在導演上的應用

1面陣式fpga傳感技術隨著攝影測量數字化的發展，中國對高分辨率數字拍攝機的需求迅速增加。國外主要制造設備能夠達到數萬或數十億圖像的數字相機并投入運行。一些中國單位已經開始研究并取得了成果。高分辨率數字航拍相機大多采用大面陣CCD作為圖像傳感器,加拿大的DALSA公司是全球著名的高性能CCD制造商,其全幀(FullFrame)大面陣CCD系列產品很適合作為航拍相機的傳感器。FTF4052是該公司的一款代表產品,因其具有分辨率高、面陣尺寸大、動態范圍寬、噪聲低、配套IC成熟完善等優點而得到了廣泛應用。目前基于FTF4052的數字相機大多采用單通道輸出,幀頻不超過1f/s,不能滿足某些高幀頻的應用。一般而言提高幀頻可以采取兩種方法:提高CCD像素時鐘或將CCD信號分多個通道同時輸出,前者受器件極限參數的限制,效果不明顯,因此大多數面陣CCD采用多輸出通道的結構。本文針對FTF4052的結構特點,提出了一種對其基本驅動電路進行改進的方法,充分利用它的四個輸出放大器進行同時輸出,從而達到最大的讀出速率,克服了目前基于FTF4052的相機幀頻率低的缺點。2cdi結構設計FTF4052典型的基本驅動電路框圖如圖1所示,主要由控制單片機、時序發生器SAA8103、垂直驅動器TDA9991、前端處理電路TDA9965、RS422接口電路以及直流偏置電路等部分組成。系統在單片機的控制下協調工作,由時序發生器產生系統所需的各種時序信號,由垂直驅動器產生CCD直流偏置電壓和垂直驅動電平,由前端處理電路將CCD輸出的模擬信號進行黑電平箝位補償、放大、相關雙采樣和模數轉換,最后由接口電路將圖像傳輸給PC采集卡。系統中各IC都是可配置器件,可以通過控制單片機配置為支持DALSA公司的多種CCD。該驅動電路具有結構簡單、可靠性高、通用性強等優點,但它只能支持CCD單路輸出,不能充分發揮CCD高速輸出性能,當要求相機具有更高幀頻時,需要進行改進。3完成四個序列輸出ff40523.1電荷轉移時序FTF4052具有四象限對稱結構,中間是由感光像元構成的圖像區,大小為4008×5344像素,周圍是一圈由遮蔽像元構成的“黑像元”區,頂部和底部各有一行輸出寄存器,四角是輸出放大器W、X、Y和Z。每個象限都有獨立的垂直和水平轉移時鐘輸入端A1~A4和C1~C3,電荷轉移方向由轉移時鐘的相位關系決定。這種對稱結構使CCD能以1、2或4路進行輸出,4路輸出時能達到最快的輸出速度,此時圖像區電荷同時向頂端和底端移動,輸出寄存器電荷同時向左右兩端移動,如圖2中虛線箭頭所示。圖3和圖4分別是四路輸出時CCD幀轉移和水平像素轉移時序圖,圖中SSC是時序發生器內部基準時鐘,Trig_in是控制光積分起止的外部觸發信號,CR是清除CCD殘留電荷的復位脈沖,A1~A4是垂直轉移時鐘,C1~C3是水平轉移時鐘。由圖可見四路輸出時只需2678次垂直轉移和2052次水平轉移就能完成一幀的輸出(單路輸出分別需5356次和4080次),大大降低了輸出時間。為了使電荷朝四個方向移動,需按一定順序在各象限接入轉移時鐘,表1列出了各象限時鐘的接法。3.2tda2965封裝CCD四路輸出時需要4片TDA9965對輸出信號進行黑電平箝位補償、放大、相關雙采樣和模數轉換等處理,4片TDA9965并聯,所需的時序信號由SAA8103產生,通過緩沖器轉換為4路分配到各片。為了保持各路傳輸特性的一致性,設計電路板時應使各TDA9965輸入端到CCD輸出端的長度相同,時序信號到各TDA9965的傳輸延遲一致,各通道選用同一批次的元件,同時將各TDA9965的參考電壓輸入端通過較寬的走線連到一起。每片TDA9965通過3-W接口接收配置數據,其中兩片的數據由SAA8103轉發,另兩片由控制單片機直接發送,這樣可以對每個通道的增益、帶寬、箝位電平等參數進行分別控制。3.3及其驅動性能分析FTF4052工作時所需的直流偏置電壓主要有:用于控制CCD抗暈效能的N基底電壓VNS(20~28V),輸出放大器直流電壓VSFD(20V),復位管直流電壓VRD(20V)和輸出柵電壓VOG(5V)等,為了保證安全的上、去電順序,除VNS外其它電壓都由直流偏置電路從VSFD分壓得到。4路輸出時VSFD為4個輸出放大器供電,圖5是某一路輸出放大器的示意圖,圖中On-chipamplifier是CCD片上放大器,R1、R2、R3和三極管Q1構成片外放大器。VSFD給每路輸出提供的電流ISFD可以由式(1)計算:ISFD=IA+IC(1)式中,IA是片上輸出放大器電流,典型值由FTF4052數據手冊查得為4.5mA,IC是Q1集電極電流,其值可由式(2)計算:IC=IE=(Vb-Vbe)/R3(2)式中,IE為Q1發射極電流,Vb為基極電壓,與片上放大器的輸出電壓大致相等,計算時取最大值VSFD(20V),Vbe為發射結導通電壓,計算時取0.8V。由式(1)、(2)可得每路ISFD為13.2mA,4路輸出時則為4×ISFD=52.8mA,而垂直驅動器VSFD端最大只能輸出20mA的電流,顯然不能驅動四路輸出,必須對VSFD進行緩沖。采用集成運放構成電壓跟隨器是一種有效而安全的方法,如圖6所示,將TDA9991輸出的VSFD接入運放的同相輸入端,在功率三極管Q1的發射極就能得到較大驅動能力的VSFD。為了給運放和功率管供電,需要一個DC/DC轉換器將6V的系統供電電壓轉換到30V,用NS公司的LM3478構成SEPIC型開關穩壓電路能滿足要求。3.4lvds傳輸四路輸出時產生4×12bit的圖像數據,為了減少傳輸線纜的數量和連接器的尺寸,采用Camera-Link作為輸出接口。Camera-Link使用低壓差分信號(lowvoltagedifferentialsignaling,LVDS)傳輸數據,每個驅動器將28位并行數據以7∶1的比率串行化,調制成4對LVDS輸出,另外用1對傳送時鐘,接收端將LVDS信號解調,恢復出并行數據和時鐘。系統使用Camera-Link的中等配置(mediumconfiguration),采用兩片DS90CR287傳輸圖像數據和時鐘,一片DS90LV048接收采集卡控制信號和一片DS90CR049來串口通信。采用Camera-Link接口能提供足夠的傳輸速率并保證傳輸的可靠性,同時由于規定了接口和傳輸線纜,使相機對外呈現的接口簡單統一,增強了相機和采集卡之間的兼容性。4輸出通道的選擇FTF4052基本驅動電路經上述改進后具有了支持CCD四路同時輸出的能力,在25MHz的像素時鐘下,一幅圖像的讀出時間為293.1ms,最大幀頻率可達3.4f/s。圖7給出了采用1、2、4路輸出時幀頻率與積分時間的關系,可見4路輸出能明顯提高幀頻,隨著積分時間的增加,提高的程度逐漸減小,這是由讀出時間占整個拍攝時間的比例越來越小造成的,實際應用時可以根據積分時間和幀頻選擇合適的輸出通道數量,以達到最佳性價比。由于各輸出通道的傳輸特性不可能完全一致,導致四路輸