FTF4052型CCD图像采集系统设计

文/左弟俊 李静

电荷耦合器件（CCD）具有噪声低、动态范围大、量子效率高以及电荷转移效率高等优点，而大面阵CCD 因其分辨率高和图像质量高被广泛的应用于科学研究、航天观测、国防军工等领域。但是长期以来包括 CCD 在内的科学级成像系统的基本采购自国外，提高了研究门槛和使用成本，因此高信噪比低噪声的科学级成像系统的研究与开发具有重要的理论意义和应用价值。

本文针对Dalsa 公司生产的FTF4052M型全帧CCD 芯片，设计了一款基于半导体制冷的大面阵CCD 图像采集系统。该系统使用千兆光纤以太网进行数据传输，并采用以TEC半导体致冷器为核心的温度控制系统对CCD芯片进行制冷以降低暗电流噪声。

1 相机结构

1.1 工作原理

本文采集系统工作时，CCD 芯片在驱动电路提供的驱动脉冲作用下，完成光电转换和读出过程。CCD 信号处理电路收到来自CCD芯片输出的电信号，经过采样保持、CDS（相关双采样）、模数转换等处理，然后将处理后的图像数据通过光纤以太网接口电路进行输出，最终由上位机图像采集软件进行图像显示。采集系统的各种工作状态和工作参数可通过以太网接口在上位机软件进行设置。CCD 控温电路包括铂电阻测温电路、TEC 半导体致冷器和温度控制电路，采用水冷循环散热方式可保证CCD 芯片处于较低的工作温度，获得低噪声图像数据。采集系统原理见图1所示。

图1：采集系统原理框图

1.2 电路结构

系统的原理框图见图1所示，主要由以下六个部分组成。

图2：CCD 时序图

1.2.1 电源电路

本系统采用电池供电，电源进入系统后，需进行二次变换。对CCD 驱动电路和信号处理电路采取线性电源供电，以提高成像质量；对CCD 时序控制电路和接口电路等采取开关电源供电，以降低组件的整体功耗。

1.2.2 时序产生及驱动电路

时序产生及驱动电路主要作用为：1）产生CCD 信号电荷正常转移输出所需的时序脉冲（包括水平脉冲，垂直脉冲，复位脉冲等）；2）信号处理电路所需的控制脉冲信号。

1.2.3 信号处理电路

信号处理电路采用A/D 芯片为AD9826实现模数转换，主要作用为接收来自CCD 的输出信号，然后视频跟随、CDS（相关双采样）、A/D 转换，接着将图像数据信号送往相机控制及数据传输电路。

1.2.4 相机控制及数据传输电路

系统的工作状态可以根据用户的需要进行调节，计算机的控制命令经过网络传输芯片后，修改FPGA 内部的系统控制逻辑，从而对系统的参数进行更改。FPGA 在接收到A/D 转换后的数据后先缓存好存储器，待存满一帧后写入网络MAC 芯片发送缓冲区，缓冲区满后启动发送，将数据通过光纤收发器传送到计算机显示图像。

1.2.5 CCD 控温电路

温度测量电路采用标准的铂热敏电阻(Ptl00)作为温度传感器。以LTC1923 为核心设计温度控制电路，根据铂电阻两端的电压差值，改变输入TEC 半导体致冷器电流，使CCD 保持在设定温度，实现CCD 的低温稳定工作。

1.2.6 光纤以太网接口电路

光纤以太网接口电路，使用的物理层芯片为88E1111，该芯片传输速率达到1000Mb/s。选用单模光纤作为千兆以太网的传输介质，支持全双工模式的数据传输。选用的光收发器采用了LVPECL 电平，SC 光纤接口，工作在1310nm 波段，最长传输距离为10km。

2 时序设计

本文采集系统以FPGA 作为时序生成芯片，采用Verilog 语言设计CCD 时序，软件平台为Quartus Ⅱ。CCD 的帧转移时序如图2所示,SSC 为系统内部基准时钟信号,用于校准整个CCD 的时序。FPGA 的工作流程为：收到曝光开始命令后，生成CR 信号，复位CCD芯片；同时Trig_in 信号变为高电平，CCD芯片开始积分；当达到设定的积分时间后，Trig_in 信号变为低电平，垂直转移信号A1、A2、A3、A4 产生不同的脉冲信号，将积累的电荷信号按行转移到输出端口，完成图像采集。

3 图像采集软件

本文使用Visual C++ 6.0 编写图像采集软件，可通过网络进行图像采集控制、图像保存和工作参数设置、温度设置与显示、电池电量显示。如图3所示。

4 测试结果

通过光电测试系统测试，本系统的动态范围可达到65dB，动态范围满足科学研究使用。将本系统的CCD 芯片温度保持在25℃、0℃、-5℃、-10℃、-15℃和-20℃的状态下，在无光条件下分别采集20 帧图像，然后分别图像噪声均方根值，计算结果如表1所示，由此得出，随着CCD 芯片工作温度降低，系统的噪声均方根值也相应降低。

5 结论

本文图像采集系统采用了具有高分辨率、高动态的大面阵CCD 芯片，通过光纤以太网接口将采集的数字图像数据传输到计算机，利用半导体致冷器配合温控电路实现CCD 芯片制冷功能，并通过制冷实验对比，该方式方式可以降低CCD 相机的噪声均方根值，从而降低相机的输出噪声，提高成像质量，因此可满足科学研究的使用要求。

表1：不同温度下的系统的噪声均方根值

图3：图像采集系统软件界面