[發明專利]一種具備數字像元疊加功能的星載光譜儀CCD成像電路

有效

• 申請號: 201410498862.1
• 申請日: 2014-09-25
• 公開（公告）號: CN104243859B
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 王煜;趙欣
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H04N5/341
• 分類號: H04N5/341;H04N5/359;H04N5/378
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明涉及星載差分吸收成像光譜儀CCD成像電路的技術領域，具體涉及一種具備數字像元疊加功能的星載光譜儀CCD成像電路。

背景技術

目前國際上主要采用星載差分吸收光譜技術來完成全球痕量氣體的時空分布和變化監測。作為光譜分析數據，每一個成像點的信噪比要求很高，目前是14位，即80dB以上。CCD成像點的信噪比主要受限于散彈噪聲，散彈噪聲可表示為根號N分之一。其中N為單點像元接收的電荷數。由此可見，提高單點像元的電荷數，即可以提高信噪比。科學級CCD正是這類N值非常大的CCD，通常用于測量領域，其特點是像元面積大，每個像元的勢井深。受限于生產工藝，所有像元的面積和勢井提高的幅度有限，現實的做法是把最后一個輸出行的勢井做得尤其深，這樣，可以把其它行轉移到最后一行疊加，然后依次輸出。通常最后一行能夠比其它行勢井深4倍以上，這樣就能夠實現多行(一般4行到8行)合并為一行輸出，稱為像元合并(Binning)。這樣做雖然降低了CCD成像的分辨率，但是大幅提高了信噪比。目前國外衛星上使用的差分吸收光譜儀，就是運用CCD Binning的方式來提高信噪比。然而，本文所述及的工程中，因為需進口國外航天級CCD芯片，國外廠商不提供輸出級勢井足夠深的CCD芯片，片上像元合并的功能無法實現。為此，提出了數字像元合并的方案。即CCD逐點讀出后，將讀出數值做數字疊加，這個功能需要依靠CCD成像電路實現。需要解釋的是，雖然逐點讀出的數據可以傳到地面，在地面做圖像處理時做多行合并，但是因為衛星的數據傳輸通道有限，如果逐點讀出下傳到地面再疊加，衛星通訊信道將不能負擔這樣的大數據量。

本發明涉及一種星載差分吸收成像光譜儀，該儀器用于探測大氣成分及其對應的地理分布。此類光譜儀普遍使用科學級CCD作為探測單元，本發明屬于CCD成像電路的一項功能，用以不能有效實現CCD片內像元合并時，通過數字方法，依靠外圍電路提高CCD輸出的信噪比。

由此，研制了具備數字像元疊加功能的星載光譜儀CCD成像電路以提高光譜儀的信噪比。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的技術問題，提出一種星載差分吸收光譜儀的數字像元合并方法。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發明是具備數字像元疊加功能的星載光譜儀CCD成像電路，其特征是：該設計由A/D模塊(5)、FPGA和隨機存儲器(3)構成。所述CCD基于FPGA產生驅動邏輯，并且所述的CCD時序發生模塊(1)、Binning模塊(2)、主控模塊(6)中各邏輯電路構建于同一片FPGA。FPGA內的CCD時序發生模塊(1)產生相應的CCD光譜讀寫時序；Binning模塊(2)接收A/D模塊(5)產生的數據，同時根據主控模塊(6)設置的參數n，將讀取的每n行數據，逐點累加為一行，形成數字像元合并，向衛星平臺轉發。每次像元疊加開始第一行CCD數據讀出時，由Binning模塊(2)，將A/D的數據讀出和寫入存儲器(3)，之后每一行讀出時，Binning模塊(2)同時讀出存儲器(3)上次存儲的對應點的數值，與該點的A/D數值相加，再寫回存儲器(3)對應位置，直到累加次數等于主控模塊(6)設置的參數n。

本發明所述的具備數字像元疊加功能的星載光譜儀CCD成像電路，其特征是：主控模塊(6)設置的Binning參數n對應CCD成像的行數，CCD每n行圖像疊加為一行數據輸出，其中n為可變參數。該參數可根據光譜信號強弱，通過地面指令調整設置，以達到光譜最佳。

本發明所述的具備數字像元疊加功能的星載光譜儀CCD成像電路，其特征是：CCD器件內部不做像元合并，在A/D電路之后，原始數據緩存到隨機存儲器中(3)，由Binning模塊(2)產生讀寫及運算控制進行數字疊加。

本發明所述的具備數字像元疊加功能的星載光譜儀CCD成像電路，其特征是：該電路的Binning模塊(2)分別由移位寄存器(7)、取整寄存器(8)、回讀寄存器(11)、數值累加器(10)、數據選擇器(9)、存儲器地址發生器(13)和數據管理器(14)構成；

Binning模塊(2)工作時，首先移位寄存器(7)根據數據管理器(14)產生的時鐘(12)，讀取A/D模塊(5)產生的數字信號。該數字信號通過數據選擇器(9)被儲存進隨機存儲器(3)內；或該數字信號被取整寄存器(8)運算后，通過數據選擇器(9)被儲存進隨機存儲器(3)內；

數據選擇器(9)根據主控模塊(6)設置的參數，決定輸出的數據是Binning數據還是非Binning數據；