光学精密工程.2008年3月16日收稿日期:;修改日期:.基金项目:国防科技核高基基金捐赠项目(编号)文章编号(2008)用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统中国科学教授【作者单位】： 成都理工大学春光精密机械与化学研究所;成都理工大学;辽宁铁岭;摘要:以面阵为传感元件,设计了一种新型面阵CCD动态目标跟踪成像系统。 成像系统通过光学拼接两个面阵CCD，使其完全共面，从而保证在目标码率不变的情况下视场增加一倍，满足大视场搜索目标的要求。 在介绍面阵结构和特点的基础上，完成了定时电路和电源驱动电路的设计。 采用相关双采样（CDS）技术不仅可以滤除视频信号中的相关噪声，还可以提高系统的帧率。 为了获得良好的成像质量，对所设计的系统进行了辐射校准。 根据本文标定实验数据，确定了最佳动态范围和工作点。 实验结果表明，曝光时间为0.192~0.72ms时，成像系统工作正常，曝光时间为0.32ms时，成像系统的动态范围最大。
整个系统采用现场可编程门阵列（FPGA）作为核心控制元件，完成自上而下的模块化设计，实现了硬件设计的软件化，提高了开发效率。 关键词：动态目标跟踪； 面阵CCD； 驱动时序； 相关双采样； 现场可编程门阵列； FPGA（FPGA）动态目标跟踪技术已广泛应用于机载火控系统、机载预警系统、弹载系统、战场监视系统和地面预警系统等大量军事系统中。
所谓动态目标跟踪，就是借助获得的视频图像信息对动态目标进行测量、识别和定位，手动控制单反的运动，对目标进行跟踪锁定。 实现这一过程的第一步是设计一个能够获得高质量、高帧率视频图像信息的成像系统。 电荷耦合器件（CCD）不仅具有体积小、重量轻、功耗低、工作电压高、抗烧毁等优点，而且在码率、动态范围、灵敏度等方面具有其他传感器无法比拟的优势。其它元件，因此CCD被广泛应用于各种高性能成像系统中。 如今透镜成像原理ccd相机，许多公司已经生产大面阵CCD。 像素数量达到成像系统的视场角，视场角急剧下降，帧率急剧下降，无法满足动态目标的精确跟踪； 虽然有些面阵CCD的帧率提高了不少，但像素数相对减少，成像系统的视场角也急剧减小，无法满足大规模动态搜索的要求。目标。 本文提出了一种新颖的成像系统来解决这一矛盾。 面阵CCD光学拼接本文采用两个面阵作为传感器元件，逐行扫描模式下每个区域的帧率最高可达50Hz，可以满足动态目标的精确跟踪。 光学系统采用分光棱镜将两个面阵CCD的光学焦平面结合在一起，即利用分光棱镜将光学成像目镜形成的光学图像均匀地分成两路，并产生两路光路。具有相同成像效果的焦平面（焦平面在每个焦平面对应的不同半视场位置放置面阵CCD，两个焦平面的头尾有效感光单元元件“零距离”重叠，光学熔接原理如图1所示。
分光棱镜是实现拼接的关键部件，对分光棱镜的光学材料、透射光和反射光波段以及分光比都有一定的要求。 特别地，二向色棱镜的透射光和反射光路长度应尽可能相同，以保证两个CCD元件的共面性。 光学拼接示意图如图，元件在像侧光学焦平面处拼接。 除任意CCD首尾感光单元位置按要求重叠外，拼接后所有感光单元照度均匀。 不会出现渐晕。 这样，拼接就可以保证在不增加帧率的情况下，成像系统的视场缩小一倍。 视野越大，成功跟踪动态目标的概率就越高。 面阵CCD成像系统的组成用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统主要由光学镜头、面阵CCD传感器、定时发生器、驱动器、前置放大器、视频处理器和图像合成单元等组成。 动态目标通过光学镜头投射到输出的模拟信号上进行阻抗匹配和放大。 定时发生器形成CCD工作所需的定时脉冲。 驱动器降低了这个定时脉冲的功率，使其可以驱动大的容性负载，视频处理器然后改变CCD输出的模拟信号，同时增加信号中的噪声，减少频率混乱。 由于采用了两个面阵CCD等：用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统往往精度很高，因此数据量非常大，图像数据在发送到主机之前必须进行缓存以避免数据丢失。
图像合成单元一方面充当缓冲器，另一方面根据两个CCD连接时图像感光单元的重叠位置来合成图像数据。 最终的图像数据通过图像采集卡发送至上位机，由CRT显示图像。 其中重要的是CCD时序发生器和视频处理器的设计。 CCD成像系统框图 图1 面阵CCD的工作模式：逐行扫描模式、中心扫描模式和场读出模式。 当工作在逐行扫描模式下，即读出每帧的所有像素时，帧率最快可达50，当工作在中心扫描模式时，即读出每帧的中心264行，帧率最快可达100 mode mode CCD Scan mode 图 时序发生器设计及时序仿真结果 时序发生器形成CCD工作所需的驱动时序脉冲和视频处理器所需的各种时序，直接影响饱和电流值CCD 输出和图像噪声的关系。 它在CCD成像系统中起着极其重要的作用。 时序发生器除了完成电荷收集和电荷转移的功能外，还完成CCD的各种特殊功能，如像素合并、电子快门等。
CCD成像系统对驱动定时脉冲有非常严格的限制，如定时脉冲的类型和数量； 定时脉冲的周期、占空比、上升沿和增长沿时间； 定时脉冲的高电平和低电平； 定时脉冲的负载特性。 本文采用FPGA（现场可编程门阵列）来驱动面阵CCD的时序。 FPGA采用公司生产的EP1C6系列，采用自上而下的模块化设计方法透镜成像原理ccd相机，实现了硬件的软件设计，提高了开发效率。而且，FPGA输出的驱动脉冲电平是固定的（0 ~3.且负载能力较差，因此需要将逻辑电路形成的驱动脉冲