超光谱成像仪成像电路的设计与实现

2010-01-08皮海峰李自田李长乐薛利军刘学斌胡炳樑

航天器工程 2010年4期

皮海峰李自田李长乐薛利军刘学斌胡炳樑

(中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119)

1 引言

超光谱成像仪是我国环境减灾-1A(HJ-1A)卫星的主载荷之一,是集光学、光谱学、精密机械、电子技术于一体的新型探测器,它有115 个工作谱段,光谱探测范围0.458～0.956μm ,平均光谱分辨率为4.32nm,对物体识别和信息提取能力强,可用于如大气成分探测、水环境监测以及植被生长状况监测等多种专题研究[1]。为获得光谱数据,超光谱成像仪除相关光学组件外,还必须包含与之配套的成像电路。成像电路作为超光谱成像仪的核心组件之一,完成干涉图像的数字化处理,以供地面反演计算,从而最终得到各谱段图像。在成像电路设计过程中,应严格执行航天技术设计规范,在保证其性能指标的前提下,尽量采用高等级、高集成度的元器件,降低电路的复杂程度,提高设计可靠性。通过各项试验及在轨运行表明,成像电路设计结果满足了超光谱成像仪需求。

2 功能需求及系统组成

超光谱成像仪成像电路需要实现的功能包括:

1)将在空间推扫所形成的干涉光谱图像转换为二维空间的电荷分布,经扫描和读出电路,形成随时间变化的模拟电信号;

2)模拟电信号的数字化;

3)干涉光谱图像数据的缓存、读出。

根据超光谱成像仪成像电路的功能需求,我们将其划分为焦面组件、信号处理电路、数据缓存与合成单元、时序发生器4 个功能模块进行设计(见图1)。其中,焦面组件安装于光机主体上,其他三个单元安装在电控箱内,光机主体与电控箱通过星上电缆连接。各单元在系统时钟同步下工作,将光谱图像按规定格式转换为数据流,以供后续处理、传输。

图1 超光谱成像仪成像电路功能框图Fig.1 Function block diagram of imaging circuit

3 焦面组件

焦平面组件由CCD 传感器和CCD 驱动电路组成。

CCD 传感器是整个成像电路的核心,实现光信号到电信号的转换。超光谱成像仪采用面阵CCD器件,以类似于线阵CCD 推扫成像模式工作。在飞行方向上,当卫星与地面每相对运动一个可分辨地元,探测器采集一帧数据。在与卫星飞行方向一致的每一列CCD 像元上采集到相应地元的干涉图。在穿轨方向上,类似于线阵CCD 推扫成像,可以获得目标空间图像图。

根据总体指标及光能量计算,我们选择了一款512×512、分割帧转移CCD 器件。其主要优点包括:光谱响应范围宽,量子效率高,能够满足超光谱成像仪对能量的要求;多端口并行输出,高帧频,可以满足卫星飞行速度、高度与地面分辨率的匹配关系;四相电极结构,有助于提高转移速率[2]。

该CCD 由感光区、存储区和读出寄存器阵列构成。感光区包含有多个子阵列,感光区中的每个子阵列在存储区中都有相应的子阵列与之对应,以存储感光区中产生的电荷。

图2 CCD 功能框图Fig.2 Function block diagram of CCD

CCD 器件在驱动脉冲的作用下开始工作,在积分时间内进行光电转换,将光信号转换为电荷。转换完成后,生成电荷按顺序读出。电荷移动方向如图2 中箭头所示,先由感光区转移到存储区,再由存储区逐行转移到读出寄存器顺序读出。每个子阵列有各自的读出寄存器和输出放大器,信号由各自阵列的端口并行输出。CCD 信号多端口并行输出,虽然增加了后续信号处理电路(如:A/D 转换)的设计复杂度,但相比于单端口输出的CCD 器件,在不提高其内部时钟频率的情况下,大大提高了帧频速率,提升了系统性能。

根据CCD 的工作原理,其光电转换、电荷存储及读出的过程都是在各相电极高、低电平的交替作用下进行的。而CCD 各相电极的电平则由FPGA产生的时序脉冲来控制,包括像元转移脉冲、行转移脉冲、帧转移脉冲等。由于CCD 电极多为容性负载,在高速时序脉冲的作用下会产生很大的瞬态电流,远超过FPGA 输出端口所能提供的最大电流。而且不同电极对驱动脉冲高、低电平和脉冲幅度的要求也各不相同。因此,不能由FPGA 输出直接驱动CCD,需要增加相应的驱动电路将FPGA 产生的时序脉冲,经过MOS 驱动器及电压偏置电路,转换成为具有容性负载驱动能力并包含不同脉冲幅度和电平的CCD 驱动脉冲。超光谱成像仪CCD 驱动电路的原理图如图3 所示。

4 信号处理

CCD 的输出信号是含有较高直流电平的负极性信号(如图4(a)所示),复位电平约为+15V,暗电平略低于复位电平,信号电平又低于暗电平。信号处理电路的功能是提取出其中的有效视频信号并将此视频信号转换为12bit 数字信号。

视频信号首先经过一级放大电路,对幅度较小的视频信号进行放大(放大电路如图5 所示)。

输入视频信号,通过电容C1,实现与放大器同相输入端的交流耦合,滤掉视频信号中较高的直流分量,将视频信号转换为峰-峰值几百毫伏的交流信号。放大器通过R1、R2、R3调节放大倍数,使输出信号幅度满足后续处理电路的要求。在实际电路设计中,R3被设计成为可通过模拟开关调节的可调电阻,以实现输入信号多档增益切换。当目标背景亮度较低时选用较高增益,而目标背景亮度较高时则选用较低增益,以保证对于不同背景亮度的目标都能实现较好的成像效果。

图3 CCD 驱动电路Fig.3 Driving circuit for CCD

图4 CCD 输出视频信号Fig.4 Video signal output f rom CCD

图5 视频信号放大电路Fig.5 Amplified circuit for video signal

放大后的视频信号,仍无法直接A/D 转换,必须进行相关双采样处理。相关双采样(Correlated Double S ampling)是常用的CCD 视频信号处理方法,先对像元的暗电平进行采样,稍后再对相同像元的信号电平进行采样,然后将两值相减,得到该像元的有效视频信号,如图4(b)所示。由于两次采样时间间隔很近,则噪声近似相关,将两次采样值相减,不但可以得到像元的有效视频信号,还可以消除信号中的噪声,提高系统信噪比[3-5]。

完成相关双采样后,对采样信号进行A/D 转换,通过A/D 转换器将视频信号数字化。设计中选取了一款采样型A/D 转换器,其最大转换速率为3Mpps(million pixels per second);信噪比大于70dB。

为保证视频信号处理速率和准确性,信号处理电路应保证足够的模拟信号带宽。但对于低频模拟信号而言,过高的模拟信号带宽反而会增加系统噪声。因此,在视频处理电路的设计和器件选择上,没有追求过高的设计指标,尽量与超光谱成像仪CCD视频信号相适应。

5 数据缓存

CCD 信号是多路端口并行输出,相应的信号处理电路也是多路并行处理,数据缓存单元的作用是将多路图像数据整合为一帧完整的光谱图像,并在图像数据间隙插入整星时间、卫星姿态、超光谱成像仪工作状态等辅助数据。

数据缓存器由k+1 片双口RAM 组成,其功能框图如图6 所示。其中k 片双口RAM 对应CCD的k 个子阵列,采取“同时并行写入,分时串行输出”的工作模式,记录CCD 传感器k 个子阵列所对应的图像数据,第k +1 片双口RAM 则用来记录由下位机转发的当前数据帧所对应的辅助数据。

数据缓存器输入的多路图像数据对应于CCD传感器的多个子阵列, 当写入数据时, 按照每个CCD 子阵列的扫描顺序(m 行×n 列)同步并行向对应的双口RAM 进行写操作。而输出数据则是按照k 个子阵列拼接后的完整感光面的扫描顺序读出,顺序读取RAM-1…直至RA M-K 的第一行图像数据,再依次读取RAM-1 至RAM-k 的第二行图像数据, ……一直到K 片双口RAM 的第m 行图像数据读取完毕。

图6 数据缓存单元功能框图Fig.6 Block diagram of data buffer function

辅助数据由下位机送出,在写入图像数据时,同时写入第k +1 片RAM;当全部图像数据读出后,紧接着将k+1 中的辅助数据顺序读出。这样便实现了图像数据格式的转换,并完成了辅助数据与图像数据的合成,组成了一帧完整下传图像数据。

为了避免读写地址竞争而使数据丢失,满足图像数据合成的需要,将双口RAM 分成上下两区,前一帧周期,写上半区,读下半区;后一帧周期,写下半区,读上半区。这样就可以绝对保证读写操作不会冲突,而且同帧图像数据完整,只是输出延迟了一个帧周期。由于超光谱成像仪的任务是对地观测,并不要求数据的实时性。因此,输出数据延迟一个帧周期不会对任务的完成产生影响。

6 时序发生器

超光谱成像仪使用一片现场可编程门阵列(FPGA)作为时序发生器,产生CCD 驱动脉冲时序、相关双采样控制时序、A/D 转换时序、数据缓存读写时序及地址信号。

FPGA 软件采用VHDL 语言设计, 除命令(CT L)转换部分外,全部用时序逻辑进行设计,所有输出信号都和主时钟同步。

在可靠性设计方面,设计了FPGA 上电复位电路,在设备上电时,为FPGA 提供复位信号,使FPGA 在复位后立即进入正常工作;在FPGA 器件和电源之间设置了限流电阻,这样,在万一发生单粒子翻转时,FPGA 重新上电,即可恢复正常工作;

FPGA 器件本身除选择具有抗辐照能力的航天级器件外,也采取了充分的降额措施,工作频率、内部资源及I/O 所带负载均留有足够余量,符合I 级降额要求。

7 特点与创新

本文设计和实现的成像电路具有以下特点:

1)由于自身特点及卫星运行轨道限制,超光谱成像仪要求CCD 输出帧频较高,对于传统的单路输出CCD, 工作时钟频率=帧频×面阵像元数。而过高的工作时钟频率除降低CCD 的电荷转移能力外,还会成倍提高CCD 及其驱动电路的功耗,增大器件发热,降低其工作可靠性。为解决这一矛盾,在设计上选取了分割帧转移CCD 器件,其包含多个输出端口,可同时输出视频信号,相当于多个小面阵CCD同时工作,这时工作时钟频率=帧频×面阵像元数/输出端口数。即在保持CCD 帧频不变的情况下,大大降低了工作时钟频率,有效地减少了器件功耗,提高了可靠性。

2)与CCD 多端口并行输出形式相对应,采用多片RAM 组成数据缓存器。通过读写时序控制,完成“同步写入,顺序读出”,实现了光谱图像数据的重组合成,保证了每帧下传图像的完整一致性。图7为超光谱成像仪在轨运行所获得的数据立方体。