行间转移型面阵CCD成像系统设计

采用行间转移型面阵CCD KAI-1020作为图像传感器,以现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制器,设计并实现了一个完整的成像系统。FPGA产生驱动时序、控制CCD上电顺序、调节曝光时间,并实现数据缓存。CCD模拟视频信号经过预处理,通过同轴电缆传输到CCD专用视频处理器进行相关双采样和模数转换,以10位像素深度输出到FPGA,数字视频信号经过差分芯片驱动以低压差分信号（LVDS）格式输出到数据采集卡。集成化视频处理电路提高了系统的信噪比,改善了成像质量。实验表明,CCD成像系统工作稳定可靠,像素读出时钟为10 MHz时,帧频为10帧/s。设计的CCD成像系统性能好、可靠性高、实现周期短,具有很强的可扩展性。     

CCD类成像器件的噪声研究

CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号,其中夹杂着各种噪声和干扰。对CCD信号进行处理的目的就是在不损失图像细节的前提下,尽可能地消除噪声和干扰,以提高信噪比,获取高质量的图像。为此,必须对CCD的噪声种类和特性有所了解,并针对各种噪声进行相应的去噪处理。所以对CCD成像器件噪声部分的研究,有利于提高CCD成像器件的分辨率,也能提高探测微弱光的能力。     

CCD／CIS图像处理

电荷耦合器件(CCD)和接触式图像传感器(CIS)已经广泛应用于扫描仪和数码摄像机等日常成像系统中。图1是一个成像系统的基本原理框图,图像传感器(CCD、CMOS或CIS)被图像或图片曝光,情况类似于摄像机中的胶片。曝光之后,传感器的输出信号经过一些模拟信号处理,再由A/D转换电路(ADC)转变成数字信号。大多数实际图像处理过程是由快速数字信号处理器完成的,因此,能够对图像实现压缩或颜色增强/校正等数字处理。     

以双读出方式工作的线转移成像传感器(上)

用一种新颖的辅助方法改进了625线TV摄像机所用的固态成像传感器。该传感器的“线转移”结构使用了电导汇流线以沿垂直方向平行地转移光电信息。然后,由CCD输出寄存器取出该信息。这种结构有一个特殊意义的性能是它通过垂直汇流线的双读出结构,有能力从寄生信号(如弥散)中分离出有用的信号。好的双读出结构要求有特殊的设计,在评述双读出过程之前,首先介绍这个设计,然后本文分析了汇流线读出机制和它的转移效率以及对于主要光电特性的关健参量。最后,给出实验结果并证实这种传感器结构的重要意义。     

气溶胶探测仪CCD成像系统的设计

设计了吸收性气溶胶探测仪CCD成像系统,该系统的硬件包括驱动时序电路、预处理和模拟前端电路、电源管理电路、FPGA主控单元,以及Camera Link通信电路等。提出一种带有反向转移的驱动时序来消除帧转移过程的残余电荷,并对该CCD成像系统性能进行测试验证。实验结果表明,该成像系统能稳定输出14 bit图像数据,帧频为1.8 frame/s,最短曝光时间为17.28 ms,非线性度误差为1.68%,当曝光饱和度为80%时,成像信噪比为54.36 dB,CCD可探测信号的动态范围为61.55 dB,可满足探测仪输出稳定、时间分辨率高、线性性能优、信噪比高、信号动态范围大的工作需求。     

基于CCD的太阳EUV射线成像探测系统

文中针对太阳日冕及色球层活动的EUV波段成像观测,采用E2V公司的CCD47-20光敏传感器,基于FPGA设计了一套读出电路系统,准确的还原并保持CCD采样图像。该系统模拟信号传输速率达到1 MHz,图像噪声低于10 e-,可以满足空间应用需求。     

高光谱成像用高速CMOS图像传感器设计

针对高帧频、全局曝光、通道数可选等成像应用需求,提出了一种高光谱成像用CMOS图像传感器,重点分析了8T像素结构和读出电路的设计方案与电路原理,完成了芯片的整体仿真和流片验证。结果表明:设计符合预期,成像效果良好,像素具备较高的满阱和全局快门功能,读出电路实现了输出通道数可选功能,同时保证了模拟信号在大面阵、低输出通道数条件下的高速、低噪声输出,最终实现的像素阵列为2048×256,像素尺寸为24μm×24μm,单通道最大输出频率为40×10⁶pixel/s,最高帧频为4000f/s,可满足高光谱成像系统对图像传感器的需求。     

高动态科学级CMOS相机设计与成像分析

为了满足高动态范围高灵敏度的全局曝光模式下成像系统的需求,基于CIS-2521科学级CMOS图像传感器设计了一个相机系统,通过分析CIS-2521芯片像素读出结构特点,通过芯片内部模拟相关双采样与FPGA片内数字域相关双采样完成相关四采样算法,列向噪声去除效果明显。通过设计曲线拟合双增益通道图像数据合成输出,保证了系统成像有较高输出动态范围。相机常温下输出图像峰值信噪比达62.9dB,采用半导体制冷后输出图像峰值信噪比74.3dB。根据EMVA1288标准实测相机动态范围达到78.2dB,设计的相机系统实现了每秒50帧2 560×2 160像素,16bit深度高清晰度高动态范围图像的实时全局曝光成像输出,能够满足低照度条件下的高帧频高动态范围成像的需求。     

科学级紫外CCD电路系统设计

为了获取高质量高帧频紫外图像数据,设计了一套基于科学级紫外CCD的成像电路系统。整个系统以E2V公司CCD57-10图像探测器为核心,以Microsemi公司低功耗FPGA—A3PE3000L为逻辑控制单元进行展开。首先,给出了系统的总体设计方案,分析了CCD57-10 的工作特性,并设计了一套性能可靠的硬件电路系统;分析了CCD探测器的时序关系并确定了详细的时序参数,在不影响探测能力前提下,为了提高系统帧频,设计上采用了CCD开窗工作模式;通过优化时序设计,在FPGA内完成了不同曝光时间工作模式的自适应。实验结果表明,系统在200KHz读出频率,256*256开窗条件下,帧频可达3f/s,读出噪声低至10个电子,具有较好的性能。成像系统性能稳定、可靠性高,设计理念具有较好的可扩展性。     

一种适用于目标快速定位和图像输出的有源图像传感器设计

提出了一种适用于目标快速定位和图像输出的有源图像传感器(Active Pixel Sensor,APS)的设计方案。与传统的图像传感器不同,这种传感器可以根据目标信号的位置进行区域图像输出,从而实现目标的快速定位和图像输出。阐述了这种传感器的区域划分原则和区域图像输出控制方法。通过设计和仿真测试一个48×48的面阵,验证了这种传感器的目标快速定位能力。测试结果表明,这种传感器的帧频比传统的传感器高4倍以上。     

多通道TDICCD卫星遥感相机图像噪声分析与处理

为了解决多路时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)拼接遥感相机成像的噪声问题,提高载荷焦面电箱的成像信噪比和成像质量,通过分析噪声现象,发现多路TDICCD成像噪声的主要原因有两个:一是多通道TDICCD未能实现同时刻开启成像,使得成像电路电源出现高频纹波噪声且多通道噪声相混叠,这样对各通道CCD模拟信号造成干扰;二是电路中的DC-DC电源开关噪声扰动影响了CCD有效视频信号的采集。从工程研制实际出发,采取CCD通道之间共用统一的系统时钟,相同系统复位等措施对多TDICCD成像电路系统进行改进,抑制通道间成像串扰的发生,通过对主要干扰源DC-DC电源进行滤波处理与TDICCD端多点接地等方式,抑制电源噪声对TDICCD成像的干扰。对改进后的多通道TDICCD成像电路系统进行成像和信噪比测试。实验结果表明,采取的措施有效地去除了TDICCD成像噪声,相机信噪比提高了2 dB,且外场成像质量高,可满足实际工程的需求。     

多通道扫描CCD相机的低噪声设计

根据CCD戍像电路的特点并结合高速电路信号完整性(SI)和电源完整性(PI)的分析方法,基于16×8线阵CCD器件,设计出具有低噪声、高动态范围的多通道扫描CCD相机.经实际测试,CCD输出信号的均方根噪声降到了0.25mV以下,在饱和信号幅度80%的条件下,信噪比达到了1000:1.

Abstract：

According to the characteristics of CCD imaging circuit and the analysis of Signal Integrality (SI) and Power integrality (PI) in high-speed circuit,based on 16×8 linear scanning CCD sensors,designed is a multi-channel scanning CCD camera with low noise and high dynamic range.Test results show that the RMS noise of CCD output signal decreases to 0.25 mV.And the signal-noise ratio (SNR) reaches 1 000 ： 1 when the amplitude of saturation signal is 80%.     

用图像采集卡实现CCD摄像机信噪比测试的方法

介绍了用高精度图像采集卡实现CCD摄像机信噪比测试的方法,并对CCD摄像机视频信号噪声提取方法进行了研究,提出了基于视频帧内噪声均方根值信噪比的改进算法,采用该算法设计的测试系统经实验证明测量结果准确度高。     

CCD噪声分析及处理技术

为了提高CCD的工作性能,根据CCD器件的工作原理,对CCD图像的噪声组成进行了较完整的分析,给出了其噪声的详细分类。根据各噪声的特点,提出了相应的噪声处理技术,并针对输出噪声,给出了双相关采样法、双斜积分法、钳住采样法三种相关双采样电路处理方式,使器件的信噪比得以提高。     

海洋成像光谱仪信噪比研究

为实现海洋遥感卫星高光谱分辨率及弱目标的探测需求,需要在窄谱段内、低照度下实现高信噪比.通过对成像光谱仪信噪比的推导,建立了成像光谱仪信噪比的评估模型.利用成像光谱仪的光学透过率、光栅的衍射效率、CCD器件的量子效率、CCD暗电流、读出噪声,以及视频噪声等,对海洋水色谱段、中心波长处、典型辐亮度下、5 nm光谱带宽内的系统信噪比进行仿真分析.最后,对系统信噪比进行了测试.测试结果表明:仿真分析正确,此成像光谱仪信噪比可达到60 dB.     

A 2-million-pixel CCD image sensor overlaid with an amorphoussilicon photoconversion layer

A highly sensitive 2-million-pixel high-definition charge-coupled device (CCD) image sensor was developed that features an overlaid amorphous silicon photoconversion layer on an interline transfer-type CCD scanner. The device is adapted to the 16:9 aspect ratio. 1125 scanning lines and 2:1 interlace high-definition TV system. A dual-channel horizontal CCD register is used to reduce the operating frequency to one half of the 74.25-MHz readout frequency. A horizontal period signal storage memory (1H line memory) is provided between the vertical CCD register and the horizontal CCD register to provide the signal distribution from the vertical CCD to the horizontal CCD register during the 3.77-μs short horizontal blanking interval. This device realized a 1000 TV line horizontal limiting resolution 210 nA/1x high sensitivity. Total random noise was found to be 52 electrons RMS and a 72-dB dynamic range was achieved     

瞬态成像模式下高帧频CMOS图像传感器性能研究

高帧频CMOS图像传感器具有集成度高、帧频高、功耗低、抗干扰抗辐照能力强等特性,在科学实验中应用广泛。为提高外同步触发瞬态成像模式下的成像性能,首先介绍了基于高帧频CIS(5T像素,超大快门)的瞬态成像系统构成及其工作模式;从像素结构出发,对该款CIS在不同工作模式下的成像性能进行了理论分析;搭建了基于EMVA1288的标准化测试平台,对瞬态工作模式下的多项关键性能指标进行了测试,并与稳态工作模式下的性能进行了对比。分析结果表明:与稳态工作模式相比,瞬态成像模式下图像传感器具有更大的暗本底和固定模式噪声,但传感器的时序噪声、光响应非均匀性优于稳态工作模式,具有更高的信噪比和动态范围,与理论分析基本吻合。测试分析结果可用于指导科学成像系统设计与性能优化。     

高功率倍频激光系统信噪比测试

用硅光电导开关测试高功率激光系统的信噪比，测试范围高至１０６。讨论了基频光与倍频光间的信噪比关系及如何测试倍频光信噪比等问题