高分辨率大面陣微型相機設(shè)計

陶淑蘋，鄭曉云，樸永杰

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所 小衛(wèi)星技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130033）

1 引 言

微型飛行器或微小衛(wèi)星為地球觀測、臨近空間目標(biāo)監(jiān)視、開發(fā)測試商業(yè)貨架產(chǎn)品等應(yīng)用研究提供了有效的低成本解決辦法［1－2］，因此開發(fā)支持這些基本或其他高級應(yīng)用的小型化相機成為必需。目前，一些微小衛(wèi)星已經(jīng)采用小相機來獲取圖像，如德國亞琛應(yīng)用科學(xué)大學(xué)于2008年發(fā)射的COMPASS－1即采用了OV7648FB相機模組，用于對地凝視拍照［1］。其中相機分辨率為640×480，像元尺寸5.6μm，輸出支持 YUV／YCbCr 4∶2∶2ITU－656和RAW RGB，相機電子學(xué)系統(tǒng)高度集成，其供電、驅(qū)動和數(shù)據(jù)輸出均通過FPC連接器與底端控制系統(tǒng)相連，功耗40mW，整星重量只有1kg。由于受微型飛行器或微小衛(wèi)星重量、體積和成本等的限制，其攜帶的成像系統(tǒng)也必須具備集成度高、體積小、成本低特點。因此相較于CCD傳感器在集成度、成像控制、功耗、成本方面具有明顯優(yōu)勢的CMOS傳感器更利于小型化相機設(shè)計。另外，將A／D轉(zhuǎn)換集成于芯片內(nèi)部的CMOS傳感器輸出為數(shù)字信號，避免了CCD傳感器輸出高頻模擬信號在傳輸中易受噪聲干擾的缺陷［3－7］。隨著CMOS制造工藝的不斷成熟，CMOS傳感器應(yīng)用于微型飛行器或微小衛(wèi)星成為極可能趨勢。

然而，人們對相機分辨率和幅寬等的要求越來越高，這對成像系統(tǒng)的設(shè)計也提出了更高的要求。為了滿足高分辨率、小型化需求，本文設(shè)計了一種基于CMOS傳感器OV14825的大面陣小型成像系統(tǒng)。

2 分辨率及幅寬分析

根據(jù)一次成像關(guān)系，如圖1所示，結(jié)合成像距離、光學(xué)系統(tǒng)的焦距和所選用的傳感器像元大小，可以由式（1）計算得到成像系統(tǒng)的目標(biāo)像元分辨率TSD。

式中：a為CMOS傳感器的像元尺寸，f為光學(xué)系統(tǒng)焦距，H為成像距離。在光學(xué)相機的方案設(shè)計階段則可依據(jù)目標(biāo)像元分辨率要求，反推得到光學(xué)系統(tǒng)焦距。

圖1 一次成像示意圖Fig.1 Schematic diagram of first imaging

所選傳感器像元尺寸a＝1.4μm，選取H＝20km，f＝50mm，計算得到地面像元分辨率可達到0.56m。

設(shè)計中采用3片傳感器交錯拼接方式（如圖2所示），將焦面組成一個大面陣，因此該系統(tǒng)在保證高分辨率的同時又兼顧了大幅寬。成像幅寬計算公式如下：

式中，Npixels為傳感器每行像元數(shù)，且對于本文所選傳感器Npixels＝4 416；m為兩相鄰傳感器的搭接像元，此處選用m＝20，由此計算得到大面陣相機幅寬為7.396km。

圖2 傳感器拼接示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor splicing

為了獲得最終圖像還需要對3個傳感器分別獲取的圖像進行拼接。如果對星下點成像則水平方向直接將搭接像元去除，垂直方向按照第2片傳感器與1、3片傳感器的位置幾何關(guān)系和相對運動速度得到以時間和行數(shù)為變量的拼接算法，將對應(yīng)于同一水平線上目標(biāo)景物的不同傳感器不同時刻不同行輸出圖像拼接。當(dāng)側(cè)擺成像時，還需要在上述操作之前增加幾何校正，從而去除成像角度引起的縮放比不同的影響。

3 電子學(xué)系統(tǒng)方案

設(shè)計的大面陣CMOS成像系統(tǒng)電子學(xué)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要包括控制采集部分和成像部分。控制采集部分由圖像快視系統(tǒng)、控制指令終端等組成，成像部分由FPGA、CMOS傳感器、時序驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)存儲電路、數(shù)傳電路等組成。實驗選用了OmniVision公司的OV14825彩色面陣CMOS傳感器，F(xiàn)PGA為Xilinx公司的XC4VFX60，另外采用了2片片外SRAM用于數(shù)字信號存儲。其中3片彩色面陣CMOS傳感器拼接組成一個大面陣焦平面。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of the hardware system

控制指令終端通過RS422接口向FPGA發(fā)送控制指令，F(xiàn)PGA收到控制指令后譯碼，完成對CMOS內(nèi)部寄存器的設(shè)置，同時相機有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)也可以返回上位機控制終端。CMOS傳感器的驅(qū)動時序由FPGA生成，彩色面陣CMOS傳感器初始化成功后會輸出串行差分圖像，圖像進入FPGA首先進行串并轉(zhuǎn)換，然后將信號轉(zhuǎn)換為滿足Camera Link接口時序的串行數(shù)據(jù)。另外FPGA控制2片SRAM實現(xiàn)數(shù)字圖像的存儲，最終數(shù)字圖像以Camera Link接口形式發(fā)送至快視系統(tǒng)。

3.1 OV14825及其工作原理

OV14825是OmniVision公司生產(chǎn)的一款高性能彩色CMOS傳感器。分辨率為4 416×3 312，像元尺寸1.4μm，其數(shù)字輸出圖像接口支持12bit并行DVP、MIPI或LVDS格式，數(shù)據(jù)格式為RAW RGB。串行相機控制總線SCCB接口用于實現(xiàn)對傳感器驅(qū)動及成像參數(shù)有關(guān)寄存器的設(shè)置。

OV14825的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，包含圖像傳感器核、圖像傳感器處理器、圖像輸出接口、時序發(fā)生器、SCCB接口及控制寄存器，鎖相環(huán)PLL。其中圖像傳感器核內(nèi)部集成一個12bit的ADC模塊，并可以實現(xiàn)外界光頻率自動檢測和增益調(diào)整；圖像傳感器處理器用于完成一些數(shù)字圖像處理功能；圖像輸出接口支持DVP、MIPI或LVDS，可根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇合適的接口方式。

圖4 OV14825組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of OV14825

3.2 串行差分數(shù)據(jù)接收與發(fā)送

為了提高傳輸速率，本文選用LVDS數(shù)據(jù)接口方式進行系統(tǒng)設(shè)計。共有4對差分數(shù)據(jù)信號和1對差分時鐘信號，當(dāng)采用4通道數(shù)據(jù)輸出時，其工作時序如圖5所示。圖中LCLK為像素時鐘，LD0為第1個串行差分數(shù)據(jù)通道，LD3為第4個串行差分數(shù)據(jù)通道，單個數(shù)據(jù)通道內(nèi)部為串行數(shù)據(jù)，多個數(shù)據(jù)通道之間形成并行發(fā)送，F(xiàn)H為4個幀頭標(biāo)識，F(xiàn)E為4個幀尾標(biāo)識。

圖5 LVDS圖像工作時序圖Fig.5 Timing diagram of the LVDS images

傳感器LVDS圖像數(shù)據(jù)直接進入FPGA，由于圖像快視系統(tǒng)的采集卡為CAMERA LINK接口，因此FPGA除了完成圖像數(shù)據(jù)的接收緩存外，還需完成CAMERA LINK接口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)控制。

CAMERA LINK為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)相機輸出接口，其傳輸信號仍為低電壓差分信號，但數(shù)據(jù)格式異于圖像傳感器輸出的LVDS圖像數(shù)據(jù)，且與并行圖像數(shù)據(jù)之間滿足圖6所示時序關(guān)系，因此可將輸入串行差分數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行圖像數(shù)據(jù)，然后再按照圖6時序?qū)⒉⑿袌D像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合CAMERA LINK接口時序的差分信號后輸出。串并轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換操作均在FPGA內(nèi)部完成，尤其在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)的并串轉(zhuǎn)換操作可以省去CAMERA LINK接口轉(zhuǎn)換芯片。編寫FPGA程序并仿真，得到串行差分數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的功能仿真圖分別如圖7和圖8所示。

圖6 Camera Link接口時序圖Fig.6 Interface timing of the Camera Link

圖7 串并轉(zhuǎn)換FPGA程序仿真圖Fig.7 FPGA based simulation results of the SERDES

圖8 并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Camera Link差分信號的FPGA程序仿真圖Fig.8 FPGA based simulation results of the parallel data being converted to differential signals for Camera Link

4 成像實驗

基于以上軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了FPGA對CMOS圖像傳感器的SCCB時序驅(qū)動以及成像參數(shù)配置，并基于FPGA完成圖像數(shù)據(jù)接收、緩存及轉(zhuǎn)發(fā)模塊功能，最終圖像通過CAMERA LINK接口傳輸至圖像快速采集顯示系統(tǒng)。整個成像系統(tǒng)高度集成，除去光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)總重量250g；體積4cm×4cm×3cm；功耗2W。另外高質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)必然會帶來高結(jié)構(gòu)剛度要求和大質(zhì)量的代價，因此在工程應(yīng)用時還必須從選材和結(jié)構(gòu)形式等方面周密考慮，從而滿足微型飛行器或微小衛(wèi)星對重量、體積、功耗等的小型化設(shè)計要求。

圖9 成像實驗獲取圖像Fig.9 Image gotten by the imaging experiment

為了驗證系統(tǒng)成像效果，開展成像實驗，并獲取圖像如圖9所示。實驗中，靶標(biāo)與相機距離13m，理論分辨率為0.364mm，實際獲取圖像分辨率優(yōu)于0.5mm，而且獲取圖像細節(jié)豐富，層次分明，達到了預(yù)期的設(shè)計效果，證明該方案切實可行。

5 結(jié) 論

本文針對低成本小型化相機應(yīng)用需求，提出了一種高分辨率大面陣的小型化成像系統(tǒng)，詳細闡述了該系統(tǒng)的電子學(xué)方案，并預(yù)估了該成像系統(tǒng)用于目標(biāo)觀測的像元分辨率和幅寬。利用3片高集成度CMOS傳感器交錯拼接的大面陣相機最終重量控制在250g，體積4cm×4cm×3cm，功耗2W。最后基于設(shè)計的相機樣機開展了成像實驗，在13m成像距離條件下獲取圖像分辨率優(yōu)于0.5mm，而且圖像細節(jié)豐富，層次分明。

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