光學精密工程.2008年3月16日收稿日期:;修改日期:.基金項目:國防科技核高基基金捐贈項目(編號)文章編號(2008)用于動態目標跟蹤的面陣CCD成像系統中國科學教授【作者單位】： 成都理工大學春光精密機械與化學研究所;成都理工大學;遼寧鐵嶺;摘要:以面陣為傳感元件,設計了一種新型面陣CCD動態目標跟蹤成像系統。 成像系統通過光學拼接兩個面陣CCD，使其完全共面，從而保證在目標碼率不變的情況下視場增加一倍，滿足大視場搜索目標的要求。 在介紹面陣結構和特點的基礎上，完成了定時電路和電源驅動電路的設計。 采用相關雙采樣（CDS）技術不僅可以濾除視頻信號中的相關噪聲，還可以提高系統的幀率。 為了獲得良好的成像質量，對所設計的系統進行了輻射校準。 根據本文標定實驗數據，確定了最佳動態范圍和工作點。 實驗結果表明，曝光時間為0.192~0.72ms時，成像系統工作正常，曝光時間為0.32ms時，成像系統的動態范圍最大。
整個系統采用現場可編程門陣列（FPGA）作為核心控制元件，完成自上而下的模塊化設計，實現了硬件設計的軟件化，提高了開發效率。 關鍵詞：動態目標跟蹤； 面陣CCD； 驅動時序； 相關雙采樣； 現場可編程門陣列； FPGA（FPGA）動態目標跟蹤技術已廣泛應用于機載火控系統、機載預警系統、彈載系統、戰場監視系統和地面預警系統等大量軍事系統中。
所謂動態目標跟蹤，就是借助獲得的視頻圖像信息對動態目標進行測量、識別和定位，手動控制單反的運動，對目標進行跟蹤鎖定。 實現這一過程的第一步是設計一個能夠獲得高質量、高幀率視頻圖像信息的成像系統。 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、抗燒毀等優點，而且在碼率、動態范圍、靈敏度等方面具有其他傳感器無法比擬的優勢。其它元件，因此CCD被廣泛應用于各種高性能成像系統中。 如今透鏡成像原理ccd相機，許多公司已經生產大面陣CCD。 像素數量達到成像系統的視場角，視場角急劇下降，幀率急劇下降，無法滿足動態目標的精確跟蹤； 雖然有些面陣CCD的幀率提高了不少，但像素數相對減少，成像系統的視場角也急劇減小，無法滿足大規模動態搜索的要求。目標。 本文提出了一種新穎的成像系統來解決這一矛盾。 面陣CCD光學拼接本文采用兩個面陣作為傳感器元件，逐行掃描模式下每個區域的幀率最高可達50Hz，可以滿足動態目標的精確跟蹤。 光學系統采用分光棱鏡將兩個面陣CCD的光學焦平面結合在一起，即利用分光棱鏡將光學成像目鏡形成的光學圖像均勻地分成兩路，并產生兩路光路。具有相同成像效果的焦平面（焦平面在每個焦平面對應的不同半視場位置放置面陣CCD，兩個焦平面的頭尾有效感光單元元件“零距離”重疊，光學熔接原理如圖1所示。
分光棱鏡是實現拼接的關鍵部件，對分光棱鏡的光學材料、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度應盡可能相同，以保證兩個CCD元件的共面性。 光學拼接示意圖如圖，元件在像側光學焦平面處拼接。 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。 不會出現漸暈。 這樣，拼接就可以保證在不增加幀率的情況下，成像系統的視場縮小一倍。 視野越大，成功跟蹤動態目標的概率就越高。 面陣CCD成像系統的組成用于動態目標跟蹤的面陣CCD成像系統主要由光學鏡頭、面陣CCD傳感器、定時發生器、驅動器、前置放大器、視頻處理器和圖像合成單元等組成。 動態目標通過光學鏡頭投射到輸出的模擬信號上進行阻抗匹配和放大。 定時發生器形成CCD工作所需的定時脈沖。 驅動器降低了這個定時脈沖的功率，使其可以驅動大的容性負載，視頻處理器然后改變CCD輸出的模擬信號，同時增加信號中的噪聲，減少頻率混亂。 由于采用了兩個面陣CCD等：用于動態目標跟蹤的面陣CCD成像系統往往精度很高，因此數據量非常大，圖像數據在發送到主機之前必須進行緩存以避免數據丟失。
圖像合成單元一方面充當緩沖器，另一方面根據兩個CCD連接時圖像感光單元的重疊位置來合成圖像數據。 最終的圖像數據通過圖像采集卡發送至上位機，由CRT顯示圖像。 其中重要的是CCD時序發生器和視頻處理器的設計。 CCD成像系統框圖 圖1 面陣CCD的工作模式：逐行掃描模式、中心掃描模式和場讀出模式。 當工作在逐行掃描模式下，即讀出每幀的所有像素時，幀率最快可達50，當工作在中心掃描模式時，即讀出每幀的中心264行，幀率最快可達100 mode mode CCD Scan mode 圖 時序發生器設計及時序仿真結果 時序發生器形成CCD工作所需的驅動時序脈沖和視頻處理器所需的各種時序，直接影響飽和電流值CCD 輸出和圖像噪聲的關系。 它在CCD成像系統中起著極其重要的作用。 時序發生器除了完成電荷收集和電荷轉移的功能外，還完成CCD的各種特殊功能，如像素合并、電子快門等。
CCD成像系統對驅動定時脈沖有非常嚴格的限制，如定時脈沖的類型和數量； 定時脈沖的周期、占空比、上升沿和增長沿時間； 定時脈沖的高電平和低電平； 定時脈沖的負載特性。 本文采用FPGA（現場可編程門陣列）來驅動面陣CCD的時序。 FPGA采用公司生產的EP1C6系列，采用自上而下的模塊化設計方法透鏡成像原理ccd相機，實現了硬件的軟件設計，提高了開發效率。而且，FPGA輸出的驅動脈沖電平是固定的（0 ~3.且負載能力較差，因此需要將邏輯電路形成的驅動脈沖