超光譜成像儀成像電路的設計與實現

皮海峰 李自田 李長樂 薛利軍 劉學斌 胡炳樑

(中國科學院西安光學精密機械研究所, 西安 710119)

1 引言

超光譜成像儀是我國環境減災-1A(HJ-1A)衛星的主載荷之一,是集光學、光譜學、精密機械、電子技術于一體的新型探測器,它有115 個工作譜段,光譜探測范圍0.458～0.956μm ,平均光譜分辨率為4.32nm,對物體識別和信息提取能力強,可用于如大氣成分探測、水環境監測以及植被生長狀況監測等多種專題研究[1]。為獲得光譜數據,超光譜成像儀除相關光學組件外,還必須包含與之配套的成像電路。成像電路作為超光譜成像儀的核心組件之一,完成干涉圖像的數字化處理,以供地面反演計算,從而最終得到各譜段圖像。在成像電路設計過程中,應嚴格執行航天技術設計規范,在保證其性能指標的前提下,盡量采用高等級、高集成度的元器件,降低電路的復雜程度,提高設計可靠性。通過各項試驗及在軌運行表明,成像電路設計結果滿足了超光譜成像儀需求。

2 功能需求及系統組成

超光譜成像儀成像電路需要實現的功能包括:

1)將在空間推掃所形成的干涉光譜圖像轉換為二維空間的電荷分布,經掃描和讀出電路,形成隨時間變化的模擬電信號;

2)模擬電信號的數字化;

3)干涉光譜圖像數據的緩存、讀出。

根據超光譜成像儀成像電路的功能需求,我們將其劃分為焦面組件、信號處理電路、數據緩存與合成單元、時序發生器4 個功能模塊進行設計(見圖1)。其中,焦面組件安裝于光機主體上,其他三個單元安裝在電控箱內,光機主體與電控箱通過星上電纜連接。各單元在系統時鐘同步下工作,將光譜圖像按規定格式轉換為數據流,以供后續處理、傳輸。

圖1 超光譜成像儀成像電路功能框圖Fig.1 Function block diagram of imaging circuit

3 焦面組件

焦平面組件由CCD 傳感器和CCD 驅動電路組成。

CCD 傳感器是整個成像電路的核心,實現光信號到電信號的轉換。超光譜成像儀采用面陣CCD器件,以類似于線陣CCD 推掃成像模式工作。在飛行方向上,當衛星與地面每相對運動一個可分辨地元,探測器采集一幀數據。在與衛星飛行方向一致的每一列CCD 像元上采集到相應地元的干涉圖。在穿軌方向上,類似于線陣CCD 推掃成像,可以獲得目標空間圖像圖。

根據總體指標及光能量計算,我們選擇了一款512×512、分割幀轉移CCD 器件。其主要優點包括:光譜響應范圍寬,量子效率高,能夠滿足超光譜成像儀對能量的要求;多端口并行輸出,高幀頻,可以滿足衛星飛行速度、高度與地面分辨率的匹配關系;四相電極結構,有助于提高轉移速率[2]。

該CCD 由感光區、存儲區和讀出寄存器陣列構成。感光區包含有多個子陣列,感光區中的每個子陣列在存儲區中都有相應的子陣列與之對應,以存儲感光區中產生的電荷。

圖2 CCD 功能框圖Fig.2 Function block diagram of CCD

CCD 器件在驅動脈沖的作用下開始工作,在積分時間內進行光電轉換,將光信號轉換為電荷。轉換完成后,生成電荷按順序讀出。電荷移動方向如圖2 中箭頭所示,先由感光區轉移到存儲區,再由存儲區逐行轉移到讀出寄存器順序讀出。每個子陣列有各自的讀出寄存器和輸出放大器,信號由各自陣列的端口并行輸出。CCD 信號多端口并行輸出,雖然增加了后續信號處理電路(如:A/D 轉換)的設計復雜度,但相比于單端口輸出的CCD 器件,在不提高其內部時鐘頻率的情況下,大大提高了幀頻速率,提升了系統性能。

根據CCD 的工作原理,其光電轉換、電荷存儲及讀出的過程都是在各相電極高、低電平的交替作用下進行的。而CCD 各相電極的電平則由FPGA產生的時序脈沖來控制,包括像元轉移脈沖、行轉移脈沖、幀轉移脈沖等。由于CCD 電極多為容性負載,在高速時序脈沖的作用下會產生很大的瞬態電流,遠超過FPGA 輸出端口所能提供的最大電流。而且不同電極對驅動脈沖高、低電平和脈沖幅度的要求也各不相同。因此,不能由FPGA 輸出直接驅動CCD,需要增加相應的驅動電路將FPGA 產生的時序脈沖,經過MOS 驅動器及電壓偏置電路,轉換成為具有容性負載驅動能力并包含不同脈沖幅度和電平的CCD 驅動脈沖。超光譜成像儀CCD 驅動電路的原理圖如圖3 所示。

4 信號處理

CCD 的輸出信號是含有較高直流電平的負極性信號(如圖4(a)所示),復位電平約為+15V,暗電平略低于復位電平,信號電平又低于暗電平。信號處理電路的功能是提取出其中的有效視頻信號并將此視頻信號轉換為12bit 數字信號。

視頻信號首先經過一級放大電路,對幅度較小的視頻信號進行放大(放大電路如圖5 所示)。

輸入視頻信號,通過電容C1,實現與放大器同相輸入端的交流耦合,濾掉視頻信號中較高的直流分量,將視頻信號轉換為峰-峰值幾百毫伏的交流信號。放大器通過R1、R2、R3調節放大倍數,使輸出信號幅度滿足后續處理電路的要求。在實際電路設計中,R3被設計成為可通過模擬開關調節的可調電阻,以實現輸入信號多檔增益切換。當目標背景亮度較低時選用較高增益,而目標背景亮度較高時則選用較低增益,以保證對于不同背景亮度的目標都能實現較好的成像效果。

圖3 CCD 驅動電路Fig.3 Driving circuit for CCD

圖4 CCD 輸出視頻信號Fig.4 Video signal output f rom CCD

圖5 視頻信號放大電路Fig.5 Amplified circuit for video signal

放大后的視頻信號,仍無法直接A/D 轉換,必須進行相關雙采樣處理。相關雙采樣(Correlated Double S ampling)是常用的CCD 視頻信號處理方法,先對像元的暗電平進行采樣,稍后再對相同像元的信號電平進行采樣,然后將兩值相減,得到該像元的有效視頻信號,如圖4(b)所示。由于兩次采樣時間間隔很近,則噪聲近似相關,將兩次采樣值相減,不但可以得到像元的有效視頻信號,還可以消除信號中的噪聲,提高系統信噪比[3-5]。

完成相關雙采樣后,對采樣信號進行A/D 轉換,通過A/D 轉換器將視頻信號數字化。設計中選取了一款采樣型A/D 轉換器,其最大轉換速率為3Mpps(million pixels per second);信噪比大于70dB。

為保證視頻信號處理速率和準確性,信號處理電路應保證足夠的模擬信號帶寬。但對于低頻模擬信號而言,過高的模擬信號帶寬反而會增加系統噪聲。因此,在視頻處理電路的設計和器件選擇上,沒有追求過高的設計指標,盡量與超光譜成像儀CCD視頻信號相適應。

5 數據緩存

CCD 信號是多路端口并行輸出,相應的信號處理電路也是多路并行處理,數據緩存單元的作用是將多路圖像數據整合為一幀完整的光譜圖像,并在圖像數據間隙插入整星時間、衛星姿態、超光譜成像儀工作狀態等輔助數據。

數據緩存器由k+1 片雙口RAM 組成,其功能框圖如圖6 所示。其中k 片雙口RAM 對應CCD的k 個子陣列,采取“同時并行寫入,分時串行輸出”的工作模式,記錄CCD 傳感器k 個子陣列所對應的圖像數據,第k +1 片雙口RAM 則用來記錄由下位機轉發的當前數據幀所對應的輔助數據。

數據緩存器輸入的多路圖像數據對應于CCD傳感器的多個子陣列, 當寫入數據時, 按照每個CCD 子陣列的掃描順序(m 行×n 列)同步并行向對應的雙口RAM 進行寫操作。而輸出數據則是按照k 個子陣列拼接后的完整感光面的掃描順序讀出,順序讀取RAM-1…直至RA M-K 的第一行圖像數據,再依次讀取RAM-1 至RAM-k 的第二行圖像數據, ……一直到K 片雙口RAM 的第m 行圖像數據讀取完畢。

圖6 數據緩存單元功能框圖Fig.6 Block diagram of data buffer function

輔助數據由下位機送出,在寫入圖像數據時,同時寫入第k +1 片RAM;當全部圖像數據讀出后,緊接著將k+1 中的輔助數據順序讀出。這樣便實現了圖像數據格式的轉換,并完成了輔助數據與圖像數據的合成,組成了一幀完整下傳圖像數據。

為了避免讀寫地址競爭而使數據丟失,滿足圖像數據合成的需要,將雙口RAM 分成上下兩區,前一幀周期,寫上半區,讀下半區;后一幀周期,寫下半區,讀上半區。這樣就可以絕對保證讀寫操作不會沖突,而且同幀圖像數據完整,只是輸出延遲了一個幀周期。由于超光譜成像儀的任務是對地觀測,并不要求數據的實時性。因此,輸出數據延遲一個幀周期不會對任務的完成產生影響。

6 時序發生器

超光譜成像儀使用一片現場可編程門陣列(FPGA)作為時序發生器,產生CCD 驅動脈沖時序、相關雙采樣控制時序、A/D 轉換時序、數據緩存讀寫時序及地址信號。

FPGA 軟件采用VHDL 語言設計, 除命令(CT L)轉換部分外,全部用時序邏輯進行設計,所有輸出信號都和主時鐘同步。

在可靠性設計方面,設計了FPGA 上電復位電路,在設備上電時,為FPGA 提供復位信號,使FPGA 在復位后立即進入正常工作;在FPGA 器件和電源之間設置了限流電阻,這樣,在萬一發生單粒子翻轉時,FPGA 重新上電,即可恢復正常工作;

FPGA 器件本身除選擇具有抗輻照能力的航天級器件外,也采取了充分的降額措施,工作頻率、內部資源及I/O 所帶負載均留有足夠余量,符合I 級降額要求。

7 特點與創新

本文設計和實現的成像電路具有以下特點:

1)由于自身特點及衛星運行軌道限制,超光譜成像儀要求CCD 輸出幀頻較高,對于傳統的單路輸出CCD, 工作時鐘頻率=幀頻×面陣像元數。而過高的工作時鐘頻率除降低CCD 的電荷轉移能力外,還會成倍提高CCD 及其驅動電路的功耗,增大器件發熱,降低其工作可靠性。為解決這一矛盾,在設計上選取了分割幀轉移CCD 器件,其包含多個輸出端口,可同時輸出視頻信號,相當于多個小面陣CCD同時工作,這時工作時鐘頻率=幀頻×面陣像元數/輸出端口數。即在保持CCD 幀頻不變的情況下,大大降低了工作時鐘頻率,有效地減少了器件功耗,提高了可靠性。

2)與CCD 多端口并行輸出形式相對應,采用多片RAM 組成數據緩存器。通過讀寫時序控制,完成“同步寫入,順序讀出”,實現了光譜圖像數據的重組合成,保證了每幀下傳圖像的完整一致性。圖7為超光譜成像儀在軌運行所獲得的數據立方體。

圖7 超光譜成像儀獲得的數據立方體Fig.7 Data cube acquired by the hyperspectral imager

8 結束語

經過超光譜成像儀的整機測試,以及整星的各項測試、試驗和衛星在軌測試,超光譜成像儀成像電路工作正常,各項指標符合設計預期,滿足任務要求。

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[1]李傳榮, 賈媛媛, 胡堅, 等.HJ-l 光學衛星遙感應用前景分析[J].國土資源遙感, 2008,77(3):1-3

[2]王慶有.圖像傳感器應用技術[M].北京:電子工業出版社, 2003

[3]許秀貞,李自田,薛利軍, 等.CCD 噪聲分析及處理技術[J].紅外與激光工程, 2004,33(4):343-346

[4]劉國媛,李露瑤, 張伯珩, 等.CDS 器件在CCD 視頻信號處理中的應用[J].光子學報, 2000,29(1):82-85

[5]黃美玲,張伯珩, 邊川平,等.相關雙采樣技術在航天相機中的應用研究[J].傳感器技術, 2005,24(8):31-33