FTF4052型CCD圖像采集系統設計

文/左弟俊 李靜

電荷耦合器件（CCD）具有噪聲低、動態范圍大、量子效率高以及電荷轉移效率高等優點，而大面陣CCD 因其分辨率高和圖像質量高被廣泛的應用于科學研究、航天觀測、國防軍工等領域。但是長期以來包括 CCD 在內的科學級成像系統的基本采購自國外，提高了研究門檻和使用成本，因此高信噪比低噪聲的科學級成像系統的研究與開發具有重要的理論意義和應用價值。

本文針對Dalsa 公司生產的FTF4052M型全幀CCD 芯片，設計了一款基于半導體制冷的大面陣CCD 圖像采集系統。該系統使用千兆光纖以太網進行數據傳輸，并采用以TEC半導體致冷器為核心的溫度控制系統對CCD芯片進行制冷以降低暗電流噪聲。

1 相機結構

1.1 工作原理

本文采集系統工作時，CCD 芯片在驅動電路提供的驅動脈沖作用下，完成光電轉換和讀出過程。CCD 信號處理電路收到來自CCD芯片輸出的電信號，經過采樣保持、CDS（相關雙采樣）、模數轉換等處理，然后將處理后的圖像數據通過光纖以太網接口電路進行輸出，最終由上位機圖像采集軟件進行圖像顯示。采集系統的各種工作狀態和工作參數可通過以太網接口在上位機軟件進行設置。CCD 控溫電路包括鉑電阻測溫電路、TEC 半導體致冷器和溫度控制電路，采用水冷循環散熱方式可保證CCD 芯片處于較低的工作溫度，獲得低噪聲圖像數據。采集系統原理見圖1所示。

圖1：采集系統原理框圖

1.2 電路結構

系統的原理框圖見圖1所示，主要由以下六個部分組成。

圖2：CCD 時序圖

1.2.1 電源電路

本系統采用電池供電，電源進入系統后，需進行二次變換。對CCD 驅動電路和信號處理電路采取線性電源供電，以提高成像質量；對CCD 時序控制電路和接口電路等采取開關電源供電，以降低組件的整體功耗。

1.2.2 時序產生及驅動電路

時序產生及驅動電路主要作用為：1）產生CCD 信號電荷正常轉移輸出所需的時序脈沖（包括水平脈沖，垂直脈沖，復位脈沖等）；2）信號處理電路所需的控制脈沖信號。

1.2.3 信號處理電路

信號處理電路采用A/D 芯片為AD9826實現模數轉換，主要作用為接收來自CCD 的輸出信號，然后視頻跟隨、CDS（相關雙采樣）、A/D 轉換，接著將圖像數據信號送往相機控制及數據傳輸電路。

1.2.4 相機控制及數據傳輸電路

系統的工作狀態可以根據用戶的需要進行調節，計算機的控制命令經過網絡傳輸芯片后，修改FPGA 內部的系統控制邏輯，從而對系統的參數進行更改。FPGA 在接收到A/D 轉換后的數據后先緩存好存儲器，待存滿一幀后寫入網絡MAC 芯片發送緩沖區，緩沖區滿后啟動發送，將數據通過光纖收發器傳送到計算機顯示圖像。

1.2.5 CCD 控溫電路

溫度測量電路采用標準的鉑熱敏電阻(Ptl00)作為溫度傳感器。以LTC1923 為核心設計溫度控制電路，根據鉑電阻兩端的電壓差值，改變輸入TEC 半導體致冷器電流，使CCD 保持在設定溫度，實現CCD 的低溫穩定工作。

1.2.6 光纖以太網接口電路

光纖以太網接口電路，使用的物理層芯片為88E1111，該芯片傳輸速率達到1000Mb/s。選用單模光纖作為千兆以太網的傳輸介質，支持全雙工模式的數據傳輸。選用的光收發器采用了LVPECL 電平，SC 光纖接口，工作在1310nm 波段，最長傳輸距離為10km。

2 時序設計

本文采集系統以FPGA 作為時序生成芯片，采用Verilog 語言設計CCD 時序，軟件平臺為Quartus Ⅱ。CCD 的幀轉移時序如圖2所示,SSC 為系統內部基準時鐘信號,用于校準整個CCD 的時序。FPGA 的工作流程為：收到曝光開始命令后，生成CR 信號，復位CCD芯片；同時Trig_in 信號變為高電平，CCD芯片開始積分；當達到設定的積分時間后，Trig_in 信號變為低電平，垂直轉移信號A1、A2、A3、A4 產生不同的脈沖信號，將積累的電荷信號按行轉移到輸出端口，完成圖像采集。

3 圖像采集軟件

本文使用Visual C++ 6.0 編寫圖像采集軟件，可通過網絡進行圖像采集控制、圖像保存和工作參數設置、溫度設置與顯示、電池電量顯示。如圖3所示。

4 測試結果

通過光電測試系統測試，本系統的動態范圍可達到65dB，動態范圍滿足科學研究使用。將本系統的CCD 芯片溫度保持在25℃、0℃、-5℃、-10℃、-15℃和-20℃的狀態下，在無光條件下分別采集20 幀圖像，然后分別圖像噪聲均方根值，計算結果如表1所示，由此得出，隨著CCD 芯片工作溫度降低，系統的噪聲均方根值也相應降低。

5 結論

本文圖像采集系統采用了具有高分辨率、高動態的大面陣CCD 芯片，通過光纖以太網接口將采集的數字圖像數據傳輸到計算機，利用半導體致冷器配合溫控電路實現CCD 芯片制冷功能，并通過制冷實驗對比，該方式方式可以降低CCD 相機的噪聲均方根值，從而降低相機的輸出噪聲，提高成像質量，因此可滿足科學研究的使用要求。

表1：不同溫度下的系統的噪聲均方根值

圖3：圖像采集系統軟件界面