ccd设计基于逐行转移CCD大面阵相机的研制工作原理(组图)

硕士论文摘要甥嘲鬯随着科学技术的发展以及CCD器件的广泛应用，工业生产、国防、安防以及日常生活中高速高清CCD 的需求越来越广泛。传统CCD 相机像素低、帧频慢，在速度和清晰度方面有很大的缺陷，无法满足越来越高的使用需求，而高速高清CCD在图像清晰度和帧频速度都有突出的优势，为CCD相机注入了新的发展活力。最近世界各国在高速CCD 相机研发领域投入大量的精力并取得了大量的成果，开展高帧频大面阵CCD相机的研制工作具有重要意义。本文首先对柯达公司生产的逐行转移面阵CCD 传感器KAI．01050做了简单的介绍，基于逐行转移CCD 的工作原理、电荷转移方式的研究，设计了高速高清CCD 系统的硬件结构，包括：驱动电路、CCD视频信号采样及模数转换电路、数字图像数据处理电路、电源电路、转接板发送接收接口电路等。硬件电路一些关键的设计方案包括：能够稳定、高速工作的CCD 的驱动电路技术；能够实现大容量数据高速存取的D D R2设计技术；能够实现大数据量图像数据传输的Cam era Li nk接口图像传输技术等。同时数字处理板的FPG A为系统控制程序及相关算法提供运行平台，一些关键技术包括：自适应相关双采样技术、宽动态图像处理算法和模块化异步并行图像实时处理技术等。

本文通过对这些关键技术的研究，完成了高速高清CCD系统的设计工作，使整个系统能够正常的工作，输出高帧频、清晰、无噪声的图像，满足现实使用的需求。关键词：高速高清CCD，驱动电路设计，自适应相关双采样，数字图像处理Abs仃a耽硕士论文AbstractW i th thedevel opm entof sci ence andtechnol ogyand the extensi veappl i cati onof CCD ，the i ndustri al producti on，nati onal defense，securi tyand the need ofhi gh speedCCDH D i ndai l yl i fe i s m ore and m orew i del yused．The tradi ti onal CCD sensor cam erapi xelfram e rate i s sl ow , the cam era has agreatdefect i nspeedandresol uti on，unabl eto m eet thei ncreasi ngl y hi ghdem and for the use，and hi gh speedCCDH Di ni m ageresol uti on andfram erate has m oreprom i nent advantages，has i nj ectednewvi tal i tyfor the CCDcam era．Recentl ythe w orl d i nhi gh-speedCCDcam era research and devel opm enti nvested al ot of effort and al ot of achi evem ents，has theextrem el yvi tal si gni fi canceto carryout research w ork ofhi ghfram e andbi gareaarrayCCDcam era．Fi rstl y, W e si m pl yi ntroduct KodakCom pany producti onl i ne transferarrayCCD sensorKAI．01050，pri nci pl eofw ork，the progressi vetransfer of CCDchargetransfer m ode anddi gi tal i m age processi ngm ethod based on the hardw arepl atform ，desi gnof structure ofhi ghspeedH DCCDsystemcom pri ses：adri veci rcui t，CCDvi deosi gnal sam pl i ngandanal og—di gi tal conversi on ci rcui t, di gi tal i m agedataprocessi ng ci rcui t，pow er suppl y ci reui t，sw i tchboard datatransm i tti ngandrecei vi ngi nterface ci rcui t ere．．Incl udi ngthe hardw are ci rcui tdesi gnof som ekey technol ogy：Candri ve ci rcui t stabl edri vi ng hi gh-speed CCD ；D D R2desi gn technol ogy Can real i ze thel arge capaci ty hi gh speeddata access；can real i ze al argeam ount of datai m agedata transm i ssi on Cam eraLi nk i nterfacei m agetransm i ssi ontechnol ogy．At the sam e ti m e，FPGA di gi tal processi ngboard for thesystemcontrol programand therel ated al gori thmprovi desthe m ovem ent pl atform ，i ncl udi ngsom ekey technol ogi esof thesystemw orki ng procedures：adapti vecorrel ated doubl esam pl i ng techni que，w i de dynam i ci m age processi ng al gori thmand m odul ar asynchronous paral l elreal -ti m ei m age processi ngtechnol ogy．Inthi spaper, throughthestudyof thesekey technol ogi es，com pl etedthedesi gnofhi gh-speedH DCCDsystem ，SOthat the w hol esystemCan w orknorm al l y, the output ofl l i 曲fram e rate，cl ear, noi se-freei m age，m eetthe actual usedem and．i s l ow ,Key w ord：H i ghdefi ni ti onCCD ，dri veci rcui tdesi gn，adapti vecorrel ated doubl esam pl i ng，di gi tal i m ageprocessi ng硕士论文高速高清CCD 系统设计目录摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．IAbstract．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．II1 l者论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11．1论文的研究背景及意义⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ l1．2论文的研究目的⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 21．3论文的主要研究内容⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 32高速高清CCD系统介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。

52．1 CCD电荷转移原理⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 52．2高速高清CCD系统的组成⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．72．3高速高清CCD系统结构⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．73高速高清CCD驱动设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．93．1 KAl 01050探测器介绍⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 93．2驱动板驱动电路设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．103．2．1低噪声电源设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 113．2．1．1低噪声驱动电源电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l3．2．1．2 CCD上电顺序控制⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 133．2．2驱动时序脉冲模块设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 143．2．2．1水平驱动脉冲产生设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．153．2．2．2列驱动脉冲产生设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．163．2．3驱动板驱动模数转换模块设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 83．2．3．1 AD9945芯片介绍⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．．193．2．3．2 AD9945配置方式⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 203．3自适应相关双采样技术⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 223．3．1 CDS工作原理⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 233．3．2自适应相关双采样技术工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．233。

3．3采样位置调整步骤⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 263．3．4实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯274高速高清CCD数字处理板设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29III目录硕士论文4．1数字处理板DDR2设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．294．2数字处理板图像处理程序设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 294．2．1模块化异步并行图像实时处理技术⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 334．2．1．1设计思想及系统结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．2．1．2系统实现方法⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯．344．2．2宽动态范围算法处理⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 364．2．2．1基于非线性滤波器的图像基频细节分离技术⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯．364．2．2．2基于自适应高斯滤波器的细节图像优化技术⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯．374．2．2．3基于冗余灰度的直方图投影技术⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯．395高速高清CCI)电源板设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．425．1电源板LDO 电源电路设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 435．2电源板DC／DC电源电路设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．445．2．1 DC／DC降压电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一445．2．2 DC／DC升压电路设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 455．2．3 DC／DC反相电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一466高速高清CCB转接板设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．486．1 Cam era Li nk接口设计⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 486．2上位机控制模块⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．507结束语⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．55致参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58附谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯57录。

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由于工作方式、结构和制造工艺的差别，与CM O S相比，CCD 器件一直有灵敏度高、噪声低等优点口1。CCD 器件拥有光谱响应宽、噪声低、动态范围大、图像畸变小、灵敏度和几何精度高、寿命长、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、可以长时间在恶劣环境工作、进行数字化处理和与计算机连接方便等优点，在图像采集、工业测控、非接触测量、天文遥感、航空航天、机器视觉、实时监控、军事电子对抗等领域得到了广泛应用，是光电子学和测试技术中最活跃和最富有成果的研究领域之一H 1。随着科学技术发展和图像采集系统的广泛应用，人们对于图像采集系统的主要指标：采样速率、分辨率、精度和抗干扰能力等方面，提出了越来越高的要求。CCD探测器作为光电转换式的图像传感器，是现代电子学和现代测试技术中最活跃的传感器，有广泛的应用需求。而大面阵，高帧频的应用需求也在逐步提高。高分辨率、高帧频的高速高清CCD技术的发展越来越受到人们的重视踞’ 。1．1论文的研究背景及意义在民用和军事应用领域ccd设计，高速高帧频CCD相机的应用越来越广泛，极大的推动了CCD应用技术的发展。在军事领域以CCD 成像器件为核心的光电装备与系统在预警与遥感、侦察与监视、火控与瞄准、精确制导、导航与引导、靶场测量、光通信，以及光电对抗等领域初具规模。

在导弹制导系统中，摄像机的作用是把搜索到的目标传送到监视器的屏幕上，当目标出现在屏幕十字线交点上时，发射导弹。在导弹前端装有CCD摄像机，发1绪论硕士论文射导弹后通过CCD相机采集目标图像自动跟踪目标，直到击中。侦察机座舱里，都装备了CCD 广角摄像机来记录战斗和训练中攻击的目标。此外在主动式红外夜视瞄准仪，武器装备无损检测等方面，CCD摄像机都有着广泛的应用。然而在许多持续时间短、随机性强、规律性差，或者环境恶劣的试验场合，传统的CCD 摄像机无法在短时间内抓拍动态图像ccd设计，也不可以高清的显示图像细节。近年来高速高清CCD技术的发展，很好的解决以上问题。和普通CCD 摄像机相比，高速高清CCD 摄像机有拍摄速度和图像清晰度的优势，普通的PAL制式的CCD 摄像机拍摄频率通常为25 H z，而高速高清CCD 摄像机可以达到上百帧的拍摄速度哺3。而且高速高清CCD 摄像机拥有丰富的数字视频接口和控制接口，可以根据实际需要，选择拍摄时间和拍摄速度，来获得最好的拍摄效果。这些特性使高帧频、高分辨率的CCD成像组件对军事应用领域需要快速、准确地提供高质量，高清晰度的图像的要求具有重要意义。在民用领域，高速高帧频CCD的应用领域更加广泛。在安防领域，视频监控网络化、数字化的趋势越来越明显，伴随着互联网的迅速普及和网络技术的...