Ccd相機、多參數可控電子倍增ccd成像系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微光夜視成像技術領域，特別是一種應用于微光夜視環境的多參數可控電子倍增CCD成像系統。
【背景技術】
[0002]微光指的是夜間在低照度條件下極為微弱的光或是能量低到無法引起視覺效應的光。由于自然選擇的結果，人眼對這類微弱光信號的識別能力和作用距離受到限制。微光夜視成像正是通過對目標自身發出的微弱可見光或者目標經由月光或星光照射后反射的微弱光進行探測，并將探測器獲得的信號進行信號轉換，放大、傳輸、存儲、圖像處理等操作，最終將獲得的圖像以符合人眼觀測習慣的形式進行顯示的一項技術。該技術克服了人眼直接觀測存在的低照度和可見光頻譜范圍的限制，將人眼難以直接觀測的微光圖像轉變為容易識別的清晰圖像，彌補了人眼視覺的局限性。微光夜視成像器件在諸如偵查探測，水下探測，天文觀測，雷達跟蹤等方面均有應用。
[0003]目前，微光夜視成像領域使用的較為廣泛的(XD傳感器主要有三種:一是(XD與像增強器耦合得到的像增強CCD(ICCD)，二是電子轟擊電耦合CCD(EBCCD)，三是通過電子倍增效應增強信號的電子倍增CCD(EMCCD)。
[0004]ICXD工作原理結合了像增強器與普通(XD。工作時，微弱的入射光照射像增強器的光陰極，產生光生電子，這些電子在電場作用下加速進入微通道板實現電子倍增，經倍增后的電子轟擊熒光屏產生遠高于入射光的光子圖像，CCD通過光纖采集光子圖像實現對入射光探測的增強。ICCD結構在靈敏度與分辨率上雖然有所提高，但其背影噪聲大，量子效率低，圖像失真等缺點仍制約其應用。
[0005]EBCCD則以CCD成像區取代了 ICCD結構中的熒光屏。光電轉換獲得的電子在電場作用下直接加速轟擊CCD成像區，實現入射光的增強。但光電陰極產生電子的同時也會產生一些離子，這些離子轟擊(XD易產生輻射損傷，增大漏電流與暗電流，影響使用壽命。
[0006]EMCCD采用了一種全新的微光弱信號探測技術，它將可控的全固態電子倍增寄存器嵌入固體成像器件中，在信號連續讀出過程中進行倍增，完成信號的“片上增益”，實現了高靈敏度成像探測。由于EMCCD僅在讀出寄存器的輸出端添加倍增級，因此其結構繼承了CCD使用壽命長的優點，同時又因其讀出噪聲不會隨讀出頻率的增加而增大，使得讀出噪聲可以降至最低，相比于ICCD和EBCCD，具有優越的信噪比和量子效率，EMCCD在微光領域將得到廣泛應用。電子倍增(XD，可通過調整倍增增益，使用于104Lx?104Lx環境，因此能夠適用于適用于全天候環境的觀測。
[0007]目前比較重要EMCO)相機的有美國普林斯頓儀器公司(Princeton Instruments)生產的ProEM+系列的EMCXD相機，英國安道爾公司(Andor)生產的iXon系列快速成像相機和Newton科學級光譜成像相機，日本濱松公司(Hamamatsu)生產的ImagEM系列EMCO)相機.但以e2v公司的L3C216型相機為例，這類相機僅能調節輸出圖像格式，積分時間等少量參數，同時為提升產品成像效果，輸出圖像已增加圖像處理，也增加了自動增益調整與制冷控制等，無法獲得原始圖像數據，而只獲得經過各種組合處理后的的最佳圖像，已失去圖像原始特征，不能自由選擇圖像處理算法，無法獲得原始圖像數據。在測試其動態范圍、信噪比，暗電流噪聲性相關參數時，無法獲得所需實驗數據，不利于對電子倍增CCD各項參數的處理。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在于提供一種多參數可控電子倍增CCD成像系統，可實現對微光圖像的采集，同時通過計算機發送控制指令實現對相機多種參數以及多種工作模式的控制，獲取所需圖像數據，完成對電子倍增CCD傳感器芯片的參數測試與處理。
[0009]實現本發明目的的技術解決方案為:一種電子倍增CCD相機，包括電子倍增CCD傳感器芯片、時鐘驅動單元、FPGA控制單元、低通濾波單元、高速A/D轉換單元、系統供電單元、上位機接口單元和CameraLink接口單元，所述系統供電單元分別與電子倍增CCD傳感器芯片、時鐘驅動單元、低通濾波單元、FPGA控制單元、高速A/D轉換單元、上位機接口單元和CameraLink接口單元連接，并提供穩定電壓；FPGA控制單元分別與時鐘驅動單元、高速A/D轉換單元、CameraLink接口單元和上位機接口單元連接；電子倍增(XD傳感器芯片分別與系統供電單元、時鐘驅動單元、鏡頭、低通濾波單元連接。
[0010]—種由上述電子倍增CCD相機制成的多參數可控電子倍增CCD成像系統，由依次連接的鏡頭、電子倍增CCD相機和計算機構成。
[0011]本發明與現有技術相比，其顯著優點:(1)通過修改底層VHDL語言，可通過上位機接口單元接收由電腦向FPGA控制單元發送的諸如像素速率，積分時間，倍增增益，輸出通道選擇，模數轉換增益、暗電平參考值等控制指令，實現各項參數的可控選擇，方便針對電子倍增CCD傳感器芯片各項指標的測試。(2)通過選擇多種參數與工作模式可控的電路模塊實現對系統的控制，同時配合控制程序完成相機多種參數的控制響應，實現系統功能。
(3)采用DC-DC芯片和LD0芯片給系統供電，綜合利用了 DC-DC電源的高效率低功耗和LD0電源的輸出紋波小、噪聲小的特點，使整個系統功耗低，同時保證了多參數可控電子倍增(XD成像系統的供電穩定，噪聲小，圖像質量更好。(4)采用CameraLink接口的Base模式進行圖像數據傳輸，可以實現與常用與相采集設備匹配工作，提高了通用性，同時使用差分信號傳輸提升傳輸速率，延長了傳輸距離。
[0012]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明多參數可控電子倍增CCD成像系統的總體結構示意圖。
[0014]圖2是本發明多參數可控電子倍增CCD成像系統的時鐘驅動單元倍增時鐘驅動電路連接示意圖。
[0015]圖3是本發明多參數可控電子倍增CCD成像系統的低通濾波單元電路連接示意圖。
【具體實施方式】
[0016]結合圖1，本發明的電子倍增CCD相機，可實現對微光或可見光圖像的采集，并通過計算機3發送指令，直接控制電子倍增CCD相機2各項參數，獲取所需圖像數據并進行處理，包括電子倍增C⑶傳感器芯片21、時鐘驅動單元22、FPGA控制單元23、低通濾波單元24、高速A/D轉換單元25、系統供電單元26、上位機接口單元27和CameraLink接口單元28，所述系統供電單元26分別與電子倍增(XD傳感器芯片21、時鐘驅動單元22、低通濾波單元24、FPGA控制單元23、高速A/D轉換單元25、上位機接口單元27和CameraLink接口單元28連接，并提供穩定電壓；FPGA控制單元23分別與時鐘驅動單元22、高速A/D轉換單元25、CameraLink接口單元28和上位機接口單元27連接；電子倍增(XD傳感器芯片21分別與系統供電單元26、時鐘驅動單元22、鏡頭1、低通濾波單元24連接。
[0017]FPGA控制單元23通過上位機接口單元27接收控制指令，包含像素速率、積分時間、倍增增益、輸出通道選擇、模數轉換增益和暗電平參考值的控制指令與開始指令，FPGA控制單元23通過上位機接口單元27接收指令后解碼并開始產生電子倍增(XD傳感器芯片21工作所需控制信號，電子倍增C⑶傳感器芯片21接收驅動信號后產生光生電荷包圖像數據，經電子倍增CCD傳感器芯片21輸出的雙路模擬圖像數據送入低通濾波單元24進行低通濾波與低噪聲放大；經調理后的兩路模擬圖像數據信號經高速A/D轉換單元25進行采樣與模數轉換后，送入FPGA控制單元23進行緩存，FPGA控制單元23將緩存數據依次讀出并送至CameraLink接口單元28 ;所述時鐘驅動單元22用于將FPGA控制單元23產生的驅動脈沖控制信號轉換成電子倍增CCD傳感器芯片21工作所需的驅動信號。
[0018]結合圖1，本發明根據電子倍增CCD相機2做成成像系統，即多參數可控電子倍增CCD成像系統，由依次連接的鏡頭1、電子倍增CCD相機2和計算機3構成，通過外殼將鏡頭1固定在驅動板的探測器正前方。所述的電子倍增CCD相機2包括電子倍增CCD傳感器芯片21、時鐘驅動單元22、FPGA控制單元23、低通濾波單元24、高速A/D轉換單元25、系統供電單元26、上位機接口單元27和CameraLink接口單元28，所述系統供電單元26分別與電子倍增C⑶傳感器芯片21、時鐘驅動單元22、低通濾波單元24、FPGA控制單元23、高速A/D轉換單元25、上位機接口單元27和CameraLink接口單元28連接，為上述單元電路提供穩定電壓；FPGA控制單元23分別與時鐘驅動單元22、高速A/D轉換單元25、CameraLink接口單元28和上位機接口單元27連接；電子倍增(XD傳感器芯片21分別與系統供電單元26、時鐘驅動單元22、鏡頭1、低通濾波單元24連接；CameraLink接口單元28和上位機接口單元27均與計算機3連接。
[0019]所述鏡頭1接收外部光學圖像并將圖像聚焦于電子倍增CCD傳感器芯片21成像區域，獲取光學圖像；所述電子倍增CCD傳感器芯片21負責完成光學圖像的接收與光電轉換，它能夠捕獲低