通道可编程水色成像光谱仪CCD成像电路设计

李建伟，危 峻，崔 毅



通道可编程水色成像光谱仪CCD成像电路设计

李建伟，危 峻，崔 毅

（中科院上海技术物理研究所，上海 200083）

为满足水色成像光谱仪通道可编程的需求，针对E2V公司大像元高灵敏度帧转移CCD55-30设计了成像电路。利用PGP（棱镜/光栅/棱镜）分光组件成像在探测器光敏面，由FPGA控制成像时序，实现了推扫式成像光谱仪的光谱中心波长和通道带宽可编程，同时在全帧模式下能够分批下传全光谱定标数据。通道可编程技术即将应用于我国新型水色成像光谱仪，可大大降低图像数据传输率，并提高对地光谱观测灵活性。

成像光谱仪；通道可编程；帧转移CCD

0 引言

海洋水色遥感是指利用地球轨道卫星上搭载的遥感仪器获得的海洋表层离水辐射亮度研究海洋现象或海洋过程的新兴遥感技术[1]。通过海洋水色遥感可以快速获取大面积水体组分参数，在海洋初级生产力、海洋生态环境、海洋通量、渔业资源监测等方面具有重要意义[2]。

海洋水色遥感开始于1978年美国研制发射的海岸带彩色扫描仪（CZCS）。1983年，世界上第一台成像光谱仪AIS-1在美国研制成功后，高光谱遥感技术在民用和军事领域的应用研究得以广泛开展[3]。由于成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器，它能在可见光到短波红外波段以纳米级的光谱分辨率获取地物目标的光谱图像，这使得遥感应用可以在光谱维上进行空间展开，对地球表层生物物理化学过程与参数进行定量分析，因此在海洋遥感等领域发挥着越来越重要的作用。其中，2002年发射入轨的欧空局中分辨率成像光谱仪（MERIS）光谱范围400～1050nm，探测通道15个，通道的带宽和中心波长可编程，编程的谱段范围为1.25～30nm。MERIS极大地提高了光谱分辨率和探测灵敏度，使传统的海洋水色遥感器由于信噪比过低而忽视的现象，现在能够进行检测和研究[4]。

随着人类认识海洋、研究海洋的迫切需要，水色传感器呈现出波段数不断增加、带宽变窄，光谱设置针对海洋应用不断优化，遥感器灵敏度、数据量化等级、信噪比不断改善和提高的趋势。我国的海洋水色探测起步较晚，但发展迅速。已发射的仪器包括神舟3号上的中分辨率光谱成像仪（C- MODIS）、HY-1A/B上的水色水温扫描仪（COCTS）、海岸带成像仪（CZI）等[5]。为提升我国海洋研究和开发的竞争力，研制了新型推扫式水色成像光谱仪，根据气溶胶、浮游生物、无机悬浮物和有机黄色物质等探测目标的不同，设置了15个通道，见表1。

由于卫星平台数据存储和传输能力的限制，只能下传有效通道数据。同时，为提高对地观测灵活性，获得不同谱段地物光谱景象信息，还需要实现在轨探测通道的重配置。上述高光谱分辨率和海量数据传输间的矛盾，以及对地观测谱段重配置的需求可通过成像光谱仪的通道可编程技术来解决。

1通道可编程推扫式成像光谱仪基本原理

推扫式成像光谱仪基本原理如图1所示[6]。地球目标由物镜会聚到狭缝光阑上，经准直镜准直后，由分光组件分光，再由会聚镜会聚在探测器光敏区上形成二维的光谱景象，其中一维是代表了空间信息的空间维，另一维是代表光谱信息的光谱维。成像光谱仪在轨飞行对地推扫成像即可获得连续的光谱图像。

图1 推扫式成像光谱仪基本原理

表1 水色探测波段配置表

一行像元在光谱维占的光谱带宽Dl等于像元尺寸与光谱色散率的乘积，决定了成像光谱仪的光谱分辨率，称为光谱基本行。如果选择单行像元读出，就能实现高光谱成像；如果选择连续行累加读出，通道的光谱带宽则为D[7]。通过在轨注入通道编程表确定通道起止波长，读出目标谱段光谱行而丢弃无效光谱行即可实现成像光谱仪的通道可编程。如果通道带宽较宽，为避免在行读出寄存器中电荷累加溢出，需将通道光谱区等分为若干个光谱子带，分多次读出，在片外完成累加。选择具备快速行丢弃和行累加功能的探测器是实现通道可编程的基础。以帧转移CCD为例，探测器光敏区二维光谱景象示意图如图2所示。

2 帧转移CCD55-30

基于成本和探测器性能的考虑，我们选择了E2V公司的全帧型CCD55-30。该款CCD为带丢弃沟道的大像元高灵敏度货架产品，通过将全部光敏区的一半镀不透光的膜，将其改造为适于光谱探测的帧转移型器件，如图3所示。由于采用透射式衍射光栅进行分光，探测器光敏面的同一位置存在多级色散光谱，需要在CCD窗口加装消二级谱滤光片。

帧转移型CCD55-30的主要性能参数见表2。

图2 帧转移CCD光敏区二维光谱景象示意图

3 成像电路设计

典型的CCD成像电路由偏置电压电路、转移脉冲驱动电路、信号调理电路、A/D转换CDS电路以及时序控制电路组成[8]，如图4所示。在水色成像光谱仪CCD成像电路设计中，采用FPGA作为时序控制器，根据通道编程表产生CCD的驱动时序，进行ADC增益设置和视频信号的相关双采样运算，完成图像数据的累加存储、组帧和传输。

图3 帧转移型CCD55-30实物

Fig.3 The actual object of the frame transfer CCD55-30

表2 帧转移型CCD55-30主要性能参数

3.1硬件设计

3.1.1 偏置电压电路

CCD55-30的偏置电源要求[9]见表3，输出电流在mA级。

表3偏置电压要求

Table 3 Requirements of the bias voltage

选用精密电压基准源AD586产生低噪声＋5V基准电压，以此为输入（或经电阻分压），通过30V单电源供电的LM158构成正向放大电路，即可得到各个偏置电平输出。例如OG和OD引脚分别需要的3V和28V偏置电压可由图5所示的电路得到。

3.1.2 转移脉冲驱动电路

CCD55-30为3相帧转移CCD，驱动脉冲共11个，见表4。其中，行读出寄存器驱动脉冲要求高电平13V，低电平1V；其他脉冲高电平12V，低电平0V。FPGA送出的驱动脉冲为TTL电平，必须经电平转换，且提供一定的驱动电流才能有效驱动CCD正常工作。

MAX626是双路反相功率MOSFET驱动器，最大输出电流可达2A。当采用12V供电时，可直接进行TTL电平至12V电平的转换。对于13～1V电平，可采用MAX626输出经交流耦合加电平钳位的方式实现，如图6所示。由于REG1和REG2默认电平为高，而REG3默认电平为低，钳位电平分别设置在＋13V和＋1V。行读出寄存器3个驱动脉冲工作频率较高，考虑到散热，将MAX626其中一路做接地处理。此外，MAX626是反相驱动器，FPGA需产生与目标驱动波形反相的脉冲信号。

3.1.3 信号调理电路

CCD55-30行读出寄存器单个势阱的电荷容量约为1800ke－，A1端口输出的转换效率为1.2mV/e－，因此行读出寄存器最大输出信号幅值约为2.16V。但由于偏置电源RD的作用，该信号叠加在17V直流电平上输出，所以在对CCD视频信号进行放大和采样前需要通过交流耦合滤掉直流成分。为进行阻抗匹配同时提高模拟信号的驱动能力，在交流耦合前采用3DG130对CCD输出的模拟信号进行射级跟随。为适应后级ADC信号输入范围，将交流耦合后的CCD视频信号叠加在＋1.5V直流电平上进行直流恢复，并采用高速低噪声单运放AD829进行放大缓冲。CCD信号调理电路如图7所示。

图4 水色成像光谱仪CCD成像电路

图5 LM158正向偏压电路

Fig.5 The forward bias voltage circuit of LM158

3.1.4 A/D转换CDS电路

在一个像素周期内，CCD输出的模拟信号包括复位电平和信号电平。对复位电平和信号电平分别进行采样然后相减即可达到相关双采样的目的，从而消除视频信号中复位噪声的干扰。THS1408为增益可调14位并行ADC，最高转换速率可达8MSPS，配置成如图8所示的单端输入模式时，输入电压范围为0～3.3 V。采用两路THS1408对一个像素周期内的复位电平和信号电平进行采样，在FPGA内部完成相关双采样计算。由于模拟信号传输的延迟，需要根据实际CCD输出信号情况调整采样位置。

表4 CCD55-30驱动脉冲电平要求

图6 MAX626脉冲驱动电路

Fig.6 The pulse driving circuits of MAX626

图7 CCD信号调理电路

3.2 软件设计

帧转移CCD成像过程包括曝光、帧转移、行转移、行读出[10]。帧转移的实质是通过连续的行转移将光敏区各行像元曝光时累积的电荷转移到存储区等待读出。在行转移的过程中，配合DG信号可控制行丢弃或者行合并。通过丢弃无效行，读出目标行即可实现通道编程目的。每个通道的编程表由5个字节组成，见表5。

FPGA根据注入的通道编程表驱动CCD获取相应通道的对地光谱推扫图像。根据需求，将CCD成像模块划分为8个单元，包括CCD参数更新单元、CCD时序调度单元、CCD ADC设置单元、CCD行转移单元、CCD行读出单元、CCD行读出RAM读写控制单元、CCD累加平均单元、CCD图像数据读写控制单元。CCD成像模块的数据流和控制流如图9所示。

图8 THS1408单端输入电路

Fig.8 The single-ended input circuit

表5 通道编程表

图9 CCD成像模块数据流和控制流图

其中，CCD时序调度单元负责按照通道编程表进行帧转移、行丢弃、行合并、行读出等CCD成像过程的控制，同时将光谱数据写入图像RAM，状态转移图如图10所示。

成像模式下每帧仅下传15个通道数据，为进行星上光谱定标，需下传全部光谱数据。在全帧模式下不按照通道编程表工作，而是在每次帧转移后顺序丢弃×15行，按照1个通道1条光谱基本行读出连续的15行光谱数据，分38次读出全部570行光谱数据，中间区域包含了完整的266行有效光谱行（375～1040nm，每行2.5nm）。

4 实验结果

在CCD探测器前放板上用示波器测得的帧转移、行转移、行合并与行丢弃以及行读出的脉冲波形如图11所示。11路驱动脉冲上升沿和下降沿均无较大的过冲，噪声干扰较小。

采用3个通道进行彩色合成的外场成像如图12所示，获取的图像清晰、层次丰富。

对加盖镨钕玻璃的卤素灯进行光谱定标成像，获取的全帧谱线如图13所示。镨钕玻璃灯源光谱曲线在570nm、740nm、810nm以及880nm附近有多处吸收峰，经多帧累加平均处理后吸收峰处的谱线稳定和锐利，对星上光谱定标包络监测算法极为有利，能达到优于0.5nm光谱校正精度。

5 结论

针对水色成像光谱仪通道可编程的需求，设计了CCD55-30的成像驱动电路。根据注入的通道编程表，实现了探测通道中心波长和带宽的重配置。同时在全帧模式下能够分批下传全光谱定标数据。外场成像试验和光谱测试结果令人满意。CCD55-30成像电路的软硬件设计满足我国下一代水色成像光谱仪通道可编程的需求，可大大降低图像数据传输率，并提高对地观测灵活性。

图10 CCD时序调度单元状态转移图

图11 驱动脉冲示波器波形图

图12 CCD三通道彩色合成外场成像图

图13 卤素灯（加盖镨钕玻璃）全帧光谱图

[1] 刘良明, 祝家东. 海洋水色遥感器发展趋势初探[J]. 遥感信息, 2011(2): 111-119.

LIU Liangming, ZHU Jiadong. Preliminary study on trend of ocean color sensor development[J]., 2011(2): 111-119.

[2] 潘德炉, 白雁. 我国海洋水色遥感应用工程技术的新进展[J]. 中国工程科学, 2008(9): 14-24.

PAN Delu, BAI Yan. New progress in China's application of ocean color remote sensing engineering[J]., 2008(9): 14-24.

[3] 刘超, 黄世奇. 高光谱遥感技术在海洋水色监测中的应用[C]//国家安全地球物理专题研讨会,北京: 中国地球物理学会, 2009.

LIU Chao, HUANG Shiqi. The application of the hyperspectral remote sensing technology in ocean color monitoring[C]//, Beijing: Chinese Geophysical Society, 2009.

[4] 危峻. 推扫式宽视场成像光谱仪技术研究[D]. 上海: 中科院上海技术物理研究所, 2009.

WEI Jun. Research of large field push-broom imaging spectro- meter[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS, 2009.

[5] IOCCG. 海洋水色遥感器[EB/QL]. [2014-03-04]. http:// www.ioccg.org/sensors _ioccg.html [2016-02-29].

IOCCG. OCEAN-COLOR SENSORS[EB/QL]. [2014-03-04] http:// www. ioccg. org/ sensors_ioccg.html [2016-02-29].

[6] 童庆禧, 张兵, 郑兰芬. 高光谱遥感——原理、技术与应用[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

TONG Qingxi, ZHANG Bing, ZHENG Lanfen.[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006.

[7] 翁东山, 危峻, 许武军. 空间高光谱成像通道可编程技术[J]. 红外技术, 2007, 29(4): 231-233.

WENG Dongshan, WEI Jun, XU Wujun. The programmable technology of space high spectrum imaging channels[J]., 2007, 29(4): 231-233.

[8] 斯蒂芬拜尔. CCD成像系统[R]. 美国: 伯尔-布朗公司, 2004.

Stephan Baier. CCD Imaging Systems[R]. USA: Burr-Brown Corporation, 2004.

[9] E2V公司. CCD55-30背照式非反转模式器件手册草案[z]. 英国: 2011.

E2V. CCD55-30 BI NIMO data sheet Draft Document[z]. United Kingdom: 2011.

[10] 程鹏飞, 顾明剑, 王模昌. 基于FPGA的帧转移面阵CCD驱动电路设计[J]. 红外技术, 2006, 28(9): 519-522.

CHENG Pengfei, GU Mingjian, WANG Mochang. A design of array CCD of frame transfer driving circuit based on FPGA technique[J]., 2006, 28(9): 519-522.

Design of Imaging Circuit for CCD Used in the Programmable Ocean Color Imaging Spectrometer

LI Jianwei，WEI Jun，CUI Yi

(,,200083,)

In order to meet the channel programmable requirements of the ocean color imaging spectrometer, a kind of imaging circuit is designed for the E2V’s frame-transfer CCD55-30 which has high sensitivity and big pixels. Via the PGP beam-splitting elements, spectral image is projected on the surface of the CCD imaging area. Meanwhile the CCD’s driving pulses are generated by FPGA, and the detection channel’s central wavelength and bandwidth of the push-broom imaging spectrometers are programmable. The programmable technology for the detection channel is about to be used in the new generation ocean color imaging spectrometer of China which can greatly reduce the data transmission rates and improve the spectrum adjust flexibility for earth observation.

imaging spectrometer，channel programmable，frame-transfer CCD

TP391.4

A

1001-8891(2016)07-0542-08

2016-02-06；

2016-03-01.

李建伟（1978-），男，在读博士，主要从事航天遥感仪器信号获取与处理技术的研究，E-mail：lijianwei@mail.sitp.ac.cn。

危峻（1972-），男，研究员，主要从事航天遥感仪器总体技术研究，E-mail：weijun@mail.sitp.ac.cn。