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高速成像系统可以将高速场景中观测目标的瞬态过程实时准确的记录下来,以慢放的形式重现瞬态过程。例如航空航天领域中物体高速运动轨迹的捕捉、汽车碰撞分析、爆炸力学分析等。美国等西方发达国家在该领域起步较早,拥有先进的成像控制与传输技术,已研制出应用于各领域的成像系统。国内正在积极开展相关研究与应用,但由于西方国家对华先进技术的进口限制,研究水平相对滞后。因此,自主研制一款高速成像控制与传输系统具有重要意义与实用价值。本文主要针对高速成像与传输系统中的高速成像控制与高速数据传输两方面进行研究,介绍CMOS图像传感器的基本原理以及LUX13HS图像传感器芯片的特点与性能,阐述光纤高速通信的相关技术,结合高速超大容量存储技术,研制了一款高速成像控制与传输系统。本文的主要工作有以下几点:(1)设计了高速CMOS成像与传输系统的系统架构。通过分析目前主流的成像系统架构,结合本系统的性能指标参数,确定了前端图像数据实时采集传输,后端存储的系统架构。此外,完成系统中所需核心器件的选型工作,控制核心选用Kintex-7系列FPGA,感光元件采用LUX13HS图像传感器芯片,数据实时传输接口选择SFP+光纤模块,图像数据则采用DDR3 SDRAM进行存储。(2)对高速成像与传输系统的硬件平台进行搭建。基于CMOS图像传感器LUX13HS自主设计了图像采集电路,根据高速电路的基本规范和设计原则,完成了PCB设计、调试与测试。经验证,本系统具备稳定、可靠的硬件平台。(3)利用Verilog硬件描述语言对系统中各模块进行逻辑设计。采用自上而下的思想进行编程设计,完成了CMOS图像传感器寄存器与偏置电压配置的逻辑控制时序;CMOS图像传感器的驱动控制时序;SFP+光纤通信模块的控制时序;DDR3 SDRAM的读写控制时序。本系统基于CMOS图像传感器LUX13HS芯片进行研制,在分辨率为1280V×720H(720P)时帧频可达4000fps,满足高速高清标准。同时,LUX13HS芯片支持开窗口模式,通过上位机配置越小的窗口,就可以得到越高的帧频,满足部分场景更高帧频的拍摄要求,灵活方便。此外,系统通过引入SFP+光纤模块,可以做到实时数据传输与远程控制,为一些人类无法进入现场的特殊应用场合提供便利。