光學(xué)精密工程.2008年3月16日收稿日期:;修改日期:.基金項(xiàng)目:國(guó)防科技核高基基金捐贈(zèng)項(xiàng)目(編號(hào))文章編號(hào)(2008)用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤的面陣CCD成像系統(tǒng)中國(guó)科學(xué)教授【作者單位】： 成都理工大學(xué)春光精密機(jī)械與化學(xué)研究所;成都理工大學(xué);遼寧鐵嶺;摘要:以面陣為傳感元件,設(shè)計(jì)了一種新型面陣CCD動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤成像系統(tǒng)。 成像系統(tǒng)通過(guò)光學(xué)拼接兩個(gè)面陣CCD，使其完全共面，從而保證在目標(biāo)碼率不變的情況下視場(chǎng)增加一倍，滿足大視場(chǎng)搜索目標(biāo)的要求。 在介紹面陣結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，完成了定時(shí)電路和電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 采用相關(guān)雙采樣（CDS）技術(shù)不僅可以濾除視頻信號(hào)中的相關(guān)噪聲，還可以提高系統(tǒng)的幀率。 為了獲得良好的成像質(zhì)量，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了輻射校準(zhǔn)。 根據(jù)本文標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了最佳動(dòng)態(tài)范圍和工作點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，曝光時(shí)間為0.192~0.72ms時(shí)，成像系統(tǒng)工作正常，曝光時(shí)間為0.32ms時(shí)，成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍最大。
整個(gè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）作為核心控制元件，完成自上而下的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)的軟件化，提高了開(kāi)發(fā)效率。 關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤； 面陣CCD； 驅(qū)動(dòng)時(shí)序； 相關(guān)雙采樣； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列； FPGA（FPGA）動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)載火控系統(tǒng)、機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)、彈載系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)和地面預(yù)警系統(tǒng)等大量軍事系統(tǒng)中。
所謂動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤，就是借助獲得的視頻圖像信息對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量、識(shí)別和定位，手動(dòng)控制單反的運(yùn)動(dòng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤鎖定。 實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的第一步是設(shè)計(jì)一個(gè)能夠獲得高質(zhì)量、高幀率視頻圖像信息的成像系統(tǒng)。 電荷耦合器件（CCD）不僅具有體積小、重量輕、功耗低、工作電壓高、抗燒毀等優(yōu)點(diǎn)，而且在碼率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度等方面具有其他傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。其它元件，因此CCD被廣泛應(yīng)用于各種高性能成像系統(tǒng)中。 如今透鏡成像原理ccd相機(jī)，許多公司已經(jīng)生產(chǎn)大面陣CCD。 像素?cái)?shù)量達(dá)到成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角，視場(chǎng)角急劇下降，幀率急劇下降，無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)目標(biāo)的精確跟蹤； 雖然有些面陣CCD的幀率提高了不少，但像素?cái)?shù)相對(duì)減少，成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角也急劇減小，無(wú)法滿足大規(guī)模動(dòng)態(tài)搜索的要求。目標(biāo)。 本文提出了一種新穎的成像系統(tǒng)來(lái)解決這一矛盾。 面陣CCD光學(xué)拼接本文采用兩個(gè)面陣作為傳感器元件，逐行掃描模式下每個(gè)區(qū)域的幀率最高可達(dá)50Hz，可以滿足動(dòng)態(tài)目標(biāo)的精確跟蹤。 光學(xué)系統(tǒng)采用分光棱鏡將兩個(gè)面陣CCD的光學(xué)焦平面結(jié)合在一起，即利用分光棱鏡將光學(xué)成像目鏡形成的光學(xué)圖像均勻地分成兩路，并產(chǎn)生兩路光路。具有相同成像效果的焦平面（焦平面在每個(gè)焦平面對(duì)應(yīng)的不同半視場(chǎng)位置放置面陣CCD，兩個(gè)焦平面的頭尾有效感光單元元件“零距離”重疊，光學(xué)熔接原理如圖1所示。
分光棱鏡是實(shí)現(xiàn)拼接的關(guān)鍵部件，對(duì)分光棱鏡的光學(xué)材料、透射光和反射光波段以及分光比都有一定的要求。 特別地，二向色棱鏡的透射光和反射光路長(zhǎng)度應(yīng)盡可能相同，以保證兩個(gè)CCD元件的共面性。 光學(xué)拼接示意圖如圖，元件在像側(cè)光學(xué)焦平面處拼接。 除任意CCD首尾感光單元位置按要求重疊外，拼接后所有感光單元照度均勻。 不會(huì)出現(xiàn)漸暈。 這樣，拼接就可以保證在不增加幀率的情況下，成像系統(tǒng)的視場(chǎng)縮小一倍。 視野越大，成功跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)的概率就越高。 面陣CCD成像系統(tǒng)的組成用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤的面陣CCD成像系統(tǒng)主要由光學(xué)鏡頭、面陣CCD傳感器、定時(shí)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)器、前置放大器、視頻處理器和圖像合成單元等組成。 動(dòng)態(tài)目標(biāo)通過(guò)光學(xué)鏡頭投射到輸出的模擬信號(hào)上進(jìn)行阻抗匹配和放大。 定時(shí)發(fā)生器形成CCD工作所需的定時(shí)脈沖。 驅(qū)動(dòng)器降低了這個(gè)定時(shí)脈沖的功率，使其可以驅(qū)動(dòng)大的容性負(fù)載，視頻處理器然后改變CCD輸出的模擬信號(hào)，同時(shí)增加信號(hào)中的噪聲，減少頻率混亂。 由于采用了兩個(gè)面陣CCD等：用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤的面陣CCD成像系統(tǒng)往往精度很高，因此數(shù)據(jù)量非常大，圖像數(shù)據(jù)在發(fā)送到主機(jī)之前必須進(jìn)行緩存以避免數(shù)據(jù)丟失。
圖像合成單元一方面充當(dāng)緩沖器，另一方面根據(jù)兩個(gè)CCD連接時(shí)圖像感光單元的重疊位置來(lái)合成圖像數(shù)據(jù)。 最終的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)圖像采集卡發(fā)送至上位機(jī)，由CRT顯示圖像。 其中重要的是CCD時(shí)序發(fā)生器和視頻處理器的設(shè)計(jì)。 CCD成像系統(tǒng)框圖 圖1 面陣CCD的工作模式：逐行掃描模式、中心掃描模式和場(chǎng)讀出模式。 當(dāng)工作在逐行掃描模式下，即讀出每幀的所有像素時(shí)，幀率最快可達(dá)50，當(dāng)工作在中心掃描模式時(shí)，即讀出每幀的中心264行，幀率最快可達(dá)100 mode mode CCD Scan mode 圖 時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)及時(shí)序仿真結(jié)果 時(shí)序發(fā)生器形成CCD工作所需的驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖和視頻處理器所需的各種時(shí)序，直接影響飽和電流值CCD 輸出和圖像噪聲的關(guān)系。 它在CCD成像系統(tǒng)中起著極其重要的作用。 時(shí)序發(fā)生器除了完成電荷收集和電荷轉(zhuǎn)移的功能外，還完成CCD的各種特殊功能，如像素合并、電子快門(mén)等。
CCD成像系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)定時(shí)脈沖有非常嚴(yán)格的限制，如定時(shí)脈沖的類(lèi)型和數(shù)量； 定時(shí)脈沖的周期、占空比、上升沿和增長(zhǎng)沿時(shí)間； 定時(shí)脈沖的高電平和低電平； 定時(shí)脈沖的負(fù)載特性。 本文采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）來(lái)驅(qū)動(dòng)面陣CCD的時(shí)序。 FPGA采用公司生產(chǎn)的EP1C6系列，采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法透鏡成像原理ccd相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了硬件的軟件設(shè)計(jì)，提高了開(kāi)發(fā)效率。而且，F(xiàn)PGA輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖電平是固定的（0 ~3.且負(fù)載能力較差，因此需要將邏輯電路形成的驅(qū)動(dòng)脈沖