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[摘 要]本文设计了一种用于动态目标跟踪的面阵CCD反射镜拼接成像系统。通过分析渐晕产生的原理，建立渐晕数学模型，确定了光学系统拼接重叠像元数。完成了ICX415AL的时序电路和功率驱动电路的设计，提高了系统的信噪比。
[关键词]反射镜 动态目标 FPGA
中图分类号：TN386.5 文献标识码：TN 文章编号：1009―914X（2013）34―0020―01
1引 言
对于动态目标跟踪而言，大多数动态目标跟踪系统采用面阵CCD作为成像器件，但是随着CCD像元数的增加，帧频也无法避免的随之降低，从而满足不了对运动目标的精确跟踪。因此，采用多片小面阵CCD拼接的方法既保证了精确跟踪所需的高帧频，同时也满足了大视场高分辨率的需要，具有很好的实用性[1]。
在多片CCD拼接系统中，采用反射镜拼接技术，使焦面组件的结构更加稳定，对光学系统成像光束的截面积要求小，这样就大大减轻了光学系统的体积和重量，继而解决了视场交错拼接中的不足。
但是反射镜的分光边界处会导致成像光线产生渐晕，导致接缝处局部像质降低，是反射镜拼接光学系统需要解决的重要问题。文中通过建立渐晕数学模型，消除了中心视场渐晕现象。
2 渐晕模型建立
数学模型的建立对光学系统拼接起到了指导作用，经计算，反射镜光学系统若按重叠区域拼接需重叠324个像元，占水平方向总像元数的1/5。完成补偿后，需要对系统进行整体辐射定标实验，消除相加后噪声叠加对图像造成的影响，通过辐射定标确定补偿系数，还可以同时消除像元非均匀性造成的影响。
3 成像系统的组成
用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统主要由光学镜头、面阵CCD 传感器、时序发生器、驱动器、图像合成单元和视频处理器等组成，其中图像合成单元一方面起到缓存作用，另一方面根据两片CCD拼接时的像敏单元的搭接位置来进行图像数据合成。
時序发生器产生CCD工作所需要的驱动时序脉冲以及视频处理器所需要的各类时序，面阵驱动时序的设计是由FPGA（现场可编程门阵列）产生，每发送一组垂直转移时钟时序，面阵CCD的每行像素积累的电荷向水平移位寄存器方向移动一行，被转移的电荷输出到输出放大器。
本文使用Altera公司的QuartusII集成开发环境，并通过与计算机相连的下载线实现FPGA的烧写和在线编程。顶层设计通过原理图输入，设计出各个功能模块，再使用硬件描述语言（VHDL）对各个功能模块编程的自上而下的开发方法，实现了高层次复杂逻辑的设计，从而实现了硬件设计的软件化。
视频信号处理电路包含信号隔直、前置放大、钳位、相关双采样、增益和偏置调节、A/D转换及时序发生器等部分。由于CCD输出的模拟视频信号有很高的直流分量，处理之前要对视频信号进行隔直。同时，考虑到用于动态目标跟踪的面阵CCD帧频较高，饱和输出电压较小，在相关双采样之前要先对CCD输出信号进行前置放大，经过相关双采样后，直接把获取的有用视频信号经过视频A/D转换成数字视频信号。[2]
CCD输出的原始视频信号中每个像素周期包括复位电平、参考电平和视频电平三个部分，由于CCD产生的光生电荷必须经过CCD的放大器才能转换成电压输出，所以放大器的复位噪声是影响CCD的主要噪声[3]，将严重影响成像质量及信噪比。
本文采用集成视频处理芯片VSP2230来处理CCD输出的视频信号，具有10位精度A/D、相关双采样电路、8位可编程增益放大器、偏置校正和暗电平校正功能，采用串行控制对内部寄存器进行配置。
根据光学系统拼接精度检测的结果，水平方向上的相同行之间的直线度和共面度误差均小于1/4个象元大小，因此采用以每行数据作为单位进行缓存。该方法不需要外接RAM芯片，以行为单位进行缓存所需的存储空间小。同时由于缓存时间很短，采用乒乓结构读出模式，缓存时间仅为CCD读出一行数据所需的时间。FPGA片上RAM作为缓存器的优点在于避免了采用外置存储器带来的信号串扰，性价比很高。
整个缓存单元由四个FPGA片上RAM组成，采用乒乓缓存结构实现数据流的无缝缓存和处理，在拼接算法中只需要把重叠视场的图像剪切后，再将两幅图像直接拼接在一起就可以获得大视场的图像。乒乓缓存结构在第一个缓冲周期内将第一行数据分别写入RAMA和RAMC中。在第二个缓冲周期内通过写使能信号的切换将数据存入RAMB和RAMD中，同时把第一行的数据从RAMA和RAMC中读出。在第三个缓冲周期内将第三行的数据写入RAMA和RAMC中，同时将第二行的数据从RAMB和RAMD中读出。如此循环，完成数据流的无缝缓存和处理。
4 实验结果
通过实验克制，无论是室内滚筒成像实验还是外场成像实验，本成像系统均能获取清晰图像，在满足动态目标跟踪的前提下，很好的消除了渐晕现象带来的图像退化。
5 结论
文中建立了反射拼接光学系统中渐晕产生的数学模型，在满足跟踪实时要求的前提下，消除了中心视场渐晕现象，图像信噪比提高至少10dB。
参考文献
[1] 王庆有.图像传感器应用技术[M]，北京：电子工业出版社，2006：343-414.
[2] Thomas W.Mccurnin.Signal processing for low.level、high.precision CCD imaging[C].Proc SPIE，1991，1448：225-235.
[3] 李国宁，刘妍妍，金龙旭.用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统的研究.光学精密工程[J]，2008，3558-564.
作者简介
杨宏伟（1981-），男，硕士学历，主要从事图像处理。
[关键词]反射镜 动态目标 FPGA
中图分类号：TN386.5 文献标识码：TN 文章编号：1009―914X（2013）34―0020―01
1引 言
对于动态目标跟踪而言，大多数动态目标跟踪系统采用面阵CCD作为成像器件，但是随着CCD像元数的增加，帧频也无法避免的随之降低，从而满足不了对运动目标的精确跟踪。因此，采用多片小面阵CCD拼接的方法既保证了精确跟踪所需的高帧频，同时也满足了大视场高分辨率的需要，具有很好的实用性[1]。
在多片CCD拼接系统中，采用反射镜拼接技术，使焦面组件的结构更加稳定，对光学系统成像光束的截面积要求小，这样就大大减轻了光学系统的体积和重量，继而解决了视场交错拼接中的不足。
但是反射镜的分光边界处会导致成像光线产生渐晕，导致接缝处局部像质降低，是反射镜拼接光学系统需要解决的重要问题。文中通过建立渐晕数学模型，消除了中心视场渐晕现象。
2 渐晕模型建立
数学模型的建立对光学系统拼接起到了指导作用，经计算，反射镜光学系统若按重叠区域拼接需重叠324个像元，占水平方向总像元数的1/5。完成补偿后，需要对系统进行整体辐射定标实验，消除相加后噪声叠加对图像造成的影响，通过辐射定标确定补偿系数，还可以同时消除像元非均匀性造成的影响。
3 成像系统的组成
用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统主要由光学镜头、面阵CCD 传感器、时序发生器、驱动器、图像合成单元和视频处理器等组成，其中图像合成单元一方面起到缓存作用，另一方面根据两片CCD拼接时的像敏单元的搭接位置来进行图像数据合成。
時序发生器产生CCD工作所需要的驱动时序脉冲以及视频处理器所需要的各类时序，面阵驱动时序的设计是由FPGA（现场可编程门阵列）产生，每发送一组垂直转移时钟时序，面阵CCD的每行像素积累的电荷向水平移位寄存器方向移动一行，被转移的电荷输出到输出放大器。
本文使用Altera公司的QuartusII集成开发环境，并通过与计算机相连的下载线实现FPGA的烧写和在线编程。顶层设计通过原理图输入，设计出各个功能模块，再使用硬件描述语言（VHDL）对各个功能模块编程的自上而下的开发方法，实现了高层次复杂逻辑的设计，从而实现了硬件设计的软件化。
视频信号处理电路包含信号隔直、前置放大、钳位、相关双采样、增益和偏置调节、A/D转换及时序发生器等部分。由于CCD输出的模拟视频信号有很高的直流分量，处理之前要对视频信号进行隔直。同时，考虑到用于动态目标跟踪的面阵CCD帧频较高，饱和输出电压较小，在相关双采样之前要先对CCD输出信号进行前置放大，经过相关双采样后，直接把获取的有用视频信号经过视频A/D转换成数字视频信号。[2]
CCD输出的原始视频信号中每个像素周期包括复位电平、参考电平和视频电平三个部分，由于CCD产生的光生电荷必须经过CCD的放大器才能转换成电压输出，所以放大器的复位噪声是影响CCD的主要噪声[3]，将严重影响成像质量及信噪比。
本文采用集成视频处理芯片VSP2230来处理CCD输出的视频信号，具有10位精度A/D、相关双采样电路、8位可编程增益放大器、偏置校正和暗电平校正功能，采用串行控制对内部寄存器进行配置。
根据光学系统拼接精度检测的结果，水平方向上的相同行之间的直线度和共面度误差均小于1/4个象元大小，因此采用以每行数据作为单位进行缓存。该方法不需要外接RAM芯片，以行为单位进行缓存所需的存储空间小。同时由于缓存时间很短，采用乒乓结构读出模式，缓存时间仅为CCD读出一行数据所需的时间。FPGA片上RAM作为缓存器的优点在于避免了采用外置存储器带来的信号串扰，性价比很高。
整个缓存单元由四个FPGA片上RAM组成，采用乒乓缓存结构实现数据流的无缝缓存和处理，在拼接算法中只需要把重叠视场的图像剪切后，再将两幅图像直接拼接在一起就可以获得大视场的图像。乒乓缓存结构在第一个缓冲周期内将第一行数据分别写入RAMA和RAMC中。在第二个缓冲周期内通过写使能信号的切换将数据存入RAMB和RAMD中，同时把第一行的数据从RAMA和RAMC中读出。在第三个缓冲周期内将第三行的数据写入RAMA和RAMC中，同时将第二行的数据从RAMB和RAMD中读出。如此循环，完成数据流的无缝缓存和处理。
4 实验结果
通过实验克制，无论是室内滚筒成像实验还是外场成像实验，本成像系统均能获取清晰图像，在满足动态目标跟踪的前提下，很好的消除了渐晕现象带来的图像退化。
5 结论
文中建立了反射拼接光学系统中渐晕产生的数学模型，在满足跟踪实时要求的前提下，消除了中心视场渐晕现象，图像信噪比提高至少10dB。
参考文献
[1] 王庆有.图像传感器应用技术[M]，北京：电子工业出版社，2006：343-414.
[2] Thomas W.Mccurnin.Signal processing for low.level、high.precision CCD imaging[C].Proc SPIE，1991，1448：225-235.
[3] 李国宁，刘妍妍，金龙旭.用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统的研究.光学精密工程[J]，2008，3558-564.
作者简介
杨宏伟（1981-），男，硕士学历，主要从事图像处理。