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面阵CCD高速成像电路技术研究

余达  
【摘要】:CCD具有信号输出噪声低、动态范围大、量子效率高以及电荷转移效率高等优点,在光电探测及成像领域获得了广泛应用。根据其结构CCD分为线阵和面阵CCD,面阵CCD又分为全帧、行间转移和帧转移三类;现今航空航天相机的应用朝着高分辨率、高速和微光条件下电子倍增成像的方向发展,面阵CCD在航空航天应用中越来越多。本文以面阵CCD作为研究对象,深入研究了特殊工作时序、高速时序信号产生与驱动、宽调节范围低纹波供电、高速数据整合与传输等问题,为面阵CCD的航空航天应用提供有力的参考。 本文首先进行了面阵CCD的特殊工作时序和数控低纹波宽调节范围供电研究。分别介绍了全帧、行间转移和帧转移面阵CCD的特点和工作原理,并研究了行间转移CCD的TDI工作方式及TDI三线阵工作方式和无电子快门帧转移面阵CCD的超短曝光控制方法;针对CCD电路的应用需求,研究了数控高压模拟线性电源和数控低纹波宽调节范围的反激式DC-DC开关电源实现方式。 然后进行了面阵CCD的高速时序信号产生和预放大及视频处理研究。介绍了时序信号产生的五种方法并针对高速应用进行了比较;针对高速情况下的应用,研究了高速时序信号的产生方式并建立了高速运放的自激振荡模型并给出了自激的克服办法,同时介绍了高速CCD信号的视频处理流程和特点。 紧接着进行了面阵CCD时序信号的高速驱动研究。针对高速成像应用,研究了垂直转移信号特别是三电平垂直转移信号和像素时钟高达40MHz水平转移信号的驱动方法;针对E2V公司的EMCCD电子倍增信号频率高电平高实现难度大问题,研究了采用MOSFET推拉、高频变压器谐振和RLC谐振及MOSFET推拉结合RLC谐振四种方法实现电子倍增信号的驱动;针对高频变压器谐振和RLC谐振输出信号参数易随外界环境变化,研究了输出信号参数的实时检测方法和校验方法。 接着进行了面阵CCD高速图像数据的整合和传输研究。研究了双路以行和帧为单位的高速图像数据整合方法;针对高分辨率多抽头高速短消隐期的面阵CCD输出图像数据实时整合的要求,提出了一种在数据有效阶段对SDRAM存储区多行集中读写操作后连续刷新而在行与帧消隐阶段定时刷新的两种刷新方式结合的处理方法;针对多路高速图像数据采集和传输要求,研究并提出了一种面阵CCD的筛选测试中降低SDRAM存储器工作频率提高存储器资源利用率的方法和一种通过压缩输出图像数据的消隐期来降低输出数据时钟频率的方法。 最后进行了电路系统的仿真、搭建和测试。设计了行间转移CCD KAI1010M的驱动电路,完成了驱动电路板制作并编程实现了TDI和TDI三线阵工作方式;设计了行间转移CCD KAI-0340DM的高速成像电路,完成了像素时钟为40MHz下的成像电路板的制作,并编程实现了四种分辨率下的工作方式;设计了全帧大面阵CCD STA1600输出图像数据实时合成系统,编程并仿真了输入图像数据实时合成;设计了帧转移EMCCD CCD201的成像电路系统,制作了数控宽调节范围模拟线性电源和基于DC-DC电源芯片LT3958数控低纹波宽调节范围反激式DC-DC开关电源;采用MOSFET推拉、高频变压器谐振、MOSFET推拉结合RLC谐振三种方法制作了电子倍增信号的驱动电路,并实现了输出信号幅度数字控制;针对高频变压器谐振和RLC谐振输出信号参数易随外界环境变化,设计并制作了输出信号参数的实时检测电路。


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