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自1970年CCD诞生以来,CCD技术迅速发展,并广泛应用于摄影、医疗检查、工业中的机器视觉、路况监控、安全监控、国防、航空航天、科学研究等领域。特别是在对成像质量要求高的领域,CCD探测器以其高量子效率、大动态范围、低噪声的优势胜于CMOS探测器。CCD探测器是光谱仪的核心器件。随着光谱成像技术朝更高光谱分辨率、宽光谱范围、多传感器融合的方向发展,需要的探测器的规模越来越大,像元所接收到的能量越弱。采取延长积分时间的方法可提高弱光下探测器的灵敏度。多路探测器组合,可以得到更宽光谱范围内高分辨率的光谱数据。所以,研究长积分时间下多路探测器的成像技术有重要意义。
本课题基于E2V的CCD47-20与CCD55-30探测器研究4路CCD成像电路的实现方法。主要围绕CCD驱动与信号处理技术、4路CCD图像数据采集技术、4路信号处理模块间的串扰消除3个方面开展研究。
在CCD驱动与信号处理技术方面:建立了探测器的驱动电路模型,分析CCD的驱动需求,以选择合适的驱动芯片;采用FPGA产生CCD的驱动时序;通过对CCD工作原理、噪声及抑制噪声方法进行调研,采用相关双采样的方法来抑制KTC噪声;信号处理部分包含前置跟随、相关双采样、暗电平钳位、幅度调整、低通滤波。
4路图像数据采集方面:对每路图像进行片外乒乓缓存,通过1片主控FPGA与3片从FPGA之间的通信实现4路图像的采集。
4路信号处理模块间的串扰方面:对比了2种不同PCB布线的电路板中4路信号处理模块之间的串扰情况,总结优化PCB布线的方法。
最终实现了4路CCD成像电路的设计。电路与商用Nikon镜头搭配,已成功获取外景图像。对电路的噪声分析表明,电路可有效抑制CCD的噪声。