星载大孔径静态干涉高光谱成像仪高速成像电路设计
发布时间：2021-07-11 09:21
根据遥感领域高光谱成像对大幅宽、高分辨率需求,研制了一套适合航天LASIS高光谱成像应用的高分辨率、宽视场、高光谱、高可靠性的新型高速光谱成像仪电子学系统,它采用多片四通道并行处理ADC芯片进行模数转换,以V5系列FPGA为核心处理器,用高速SerDes芯片传输图像数据,成像测试及相关环境试验及可靠性测试,验证了设计的有效性。该设计为我国进入航天遥感领域领先行列提供了技术支撑,也为深入开展高分辨遥感提供了有益的借鉴。
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(S1)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【图文】：
LASIS成像仪
电子学设计要实现有效像元为2 048×256、帧频1 500 fps的低轨对地高空间分辨率光谱成像，其中水平方向2 048列像元决定了高光谱成像仪的空间分辨率及刈幅宽度；推扫方向256行像元决定了高光谱成像仪干涉图的谱段数(波数分辨率已确定条件下)。之前的高速光谱成像设计思路，电路规模比较大，研制成本高，且占用空间资源多、功耗大，极大加剧了卫星资源紧张的局面[7]。笔者设计用四通道模拟视频并行分区处理来缩小电路规模及降低功耗，且具有降低成本的优势，如图2所示。设计中CCD采用定制背照式面阵高帧频来实现2 048×256像元面阵1 500 fps的速度，模数转换采用8片ADDI7004构成了实现2 048×256像元图像幅面、32并行通道像元速率均为35 MHz的高速CCD视频模数转换，中央控制采用升级筛选的Virtex5构架FPGA芯片XQ5VFX130T高速并行缓存、拼接并存储图像数据，图像输出使用8片高速Ser Des芯片TLK2711HFG来实现12.8 Gbps的传输带宽[8]。在此设计指标下，图像数据率达到了9.6 Gbps
LASIS高光谱成像仪可见光近红外谱段(400～900 nm)光电转换采用定制背照式2 048×256像元的大面阵、高帧频CCD，像元大小为16μm×16μm。它有32个抽头，每个抽头对应128×128像元区域，实现光电转换。其感光区垂直转移采用A1、A2、A3三相转移结构，转移频率最快6 MHz。水平转移采用C1、C2两相转移结构，最快35 MHz。32个抽头均工作在读出像元速率35 Mpixels/s下，可实现最高1 500 fps的速度。CCD饱和时满阱电荷数为250ke-，填充系数为100%。CCD接口部分有192个引脚：其中32个引脚是视频输出；驱动输入引脚22个；供电引脚16，接地引脚32，其余均为偏置电压引脚，如图3所示。CCD光电转换所需11路驱动信号A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、SUM、TR和RET具有摆幅大、频率高特点，驱动信号产生电路使用了ISL7457SRH，它是单片四通道输出芯片，工作电压15 V，每路峰值输出电流2 A。输出电阻≤3Ω，上升/下降时间≤12 ns，最高工作频率40 MHz。CCD驱动脉冲的幅度由驱动器ISL7457SRH的15 V工作电压决定，驱动脉冲的电平由偏压进行调节[9]。驱动时序由后续FPGA产生后送驱信号产生电路。
【参考文献】：
期刊论文
[1]宽谱段高分辨扫描光谱定标技术[J]. 迟明波,韩欣欣,徐阳,舒风风,吴一辉. 中国光学. 2020(02)
[2]微型傅立叶变换光谱仪的优化设计与实验研究[J]. 赵云,吕金光,秦余欣,陶金,梁中翥,王维彪,尼启良,孟德佳,梁静秋. 中国光学. 2020(02)
[3]高性能低噪声数字读出电路[J]. 姚立斌,陈楠. 红外与激光工程. 2020(01)
[4]甚高灵敏度红外探测器读出电路研究进展[J]. 陈虓,李立华,梁艳,胡彦博,李敏,姚立斌,赵长明,赵鹏,李雯霞. 红外与激光工程. 2020(01)
[5]基于ADDI7004的星载高光谱成像仪图像处理系统设计实现[J]. 刘永征,孔亮,闫鹏,温志刚,刘文龙,刘学斌. 电子器件. 2019(06)
[6]FY-3D星红外高光谱大气探测仪的在轨光谱精度评估[J]. 陆其峰,周方,漆成莉,胡秀清,徐寒列,吴春强. 光学精密工程. 2019(10)
[7]大面阵高帧频CMOS成像电子学系统设计[J]. 宁永慧,刘辉,赵庆磊,郭汉洲. 光学精密工程. 2019(05)
[8]大孔径静态干涉成像光谱仪图像的条纹消除与配准[J]. 王府北,景娟娟,吴琼水,周锦松. 测绘学报. 2016(06)
[9]大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究[J]. 王爽,相里斌,李立波,皮海峰. 光谱学与光谱分析. 2014(03)
[10]高分辨率大面阵CCD相机高帧频设计及其非均匀性的校正[J]. 任航. 红外与激光工程. 2013(06)
博士论文
[1]高集成度模块化CCD成像系统关键技术研究[D]. 孙振亚.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]专用集成电路技术在高速数据传输系统与科学级CCD成像系统中的研究[D]. 杨东旭.中国科学技术大学 2018
[3]空间高帧频背照式CCD驱动与信息处理技术研究[D]. 陈剑武.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
本文编号：3277810
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(S1)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【图文】：
LASIS成像仪
电子学设计要实现有效像元为2 048×256、帧频1 500 fps的低轨对地高空间分辨率光谱成像，其中水平方向2 048列像元决定了高光谱成像仪的空间分辨率及刈幅宽度；推扫方向256行像元决定了高光谱成像仪干涉图的谱段数(波数分辨率已确定条件下)。之前的高速光谱成像设计思路，电路规模比较大，研制成本高，且占用空间资源多、功耗大，极大加剧了卫星资源紧张的局面[7]。笔者设计用四通道模拟视频并行分区处理来缩小电路规模及降低功耗，且具有降低成本的优势，如图2所示。设计中CCD采用定制背照式面阵高帧频来实现2 048×256像元面阵1 500 fps的速度，模数转换采用8片ADDI7004构成了实现2 048×256像元图像幅面、32并行通道像元速率均为35 MHz的高速CCD视频模数转换，中央控制采用升级筛选的Virtex5构架FPGA芯片XQ5VFX130T高速并行缓存、拼接并存储图像数据，图像输出使用8片高速Ser Des芯片TLK2711HFG来实现12.8 Gbps的传输带宽[8]。在此设计指标下，图像数据率达到了9.6 Gbps
LASIS高光谱成像仪可见光近红外谱段(400～900 nm)光电转换采用定制背照式2 048×256像元的大面阵、高帧频CCD，像元大小为16μm×16μm。它有32个抽头，每个抽头对应128×128像元区域，实现光电转换。其感光区垂直转移采用A1、A2、A3三相转移结构，转移频率最快6 MHz。水平转移采用C1、C2两相转移结构，最快35 MHz。32个抽头均工作在读出像元速率35 Mpixels/s下，可实现最高1 500 fps的速度。CCD饱和时满阱电荷数为250ke-，填充系数为100%。CCD接口部分有192个引脚：其中32个引脚是视频输出；驱动输入引脚22个；供电引脚16，接地引脚32，其余均为偏置电压引脚，如图3所示。CCD光电转换所需11路驱动信号A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、SUM、TR和RET具有摆幅大、频率高特点，驱动信号产生电路使用了ISL7457SRH，它是单片四通道输出芯片，工作电压15 V，每路峰值输出电流2 A。输出电阻≤3Ω，上升/下降时间≤12 ns，最高工作频率40 MHz。CCD驱动脉冲的幅度由驱动器ISL7457SRH的15 V工作电压决定，驱动脉冲的电平由偏压进行调节[9]。驱动时序由后续FPGA产生后送驱信号产生电路。
【参考文献】：
期刊论文
[1]宽谱段高分辨扫描光谱定标技术[J]. 迟明波,韩欣欣,徐阳,舒风风,吴一辉. 中国光学. 2020(02)
[2]微型傅立叶变换光谱仪的优化设计与实验研究[J]. 赵云,吕金光,秦余欣,陶金,梁中翥,王维彪,尼启良,孟德佳,梁静秋. 中国光学. 2020(02)
[3]高性能低噪声数字读出电路[J]. 姚立斌,陈楠. 红外与激光工程. 2020(01)
[4]甚高灵敏度红外探测器读出电路研究进展[J]. 陈虓,李立华,梁艳,胡彦博,李敏,姚立斌,赵长明,赵鹏,李雯霞. 红外与激光工程. 2020(01)
[5]基于ADDI7004的星载高光谱成像仪图像处理系统设计实现[J]. 刘永征,孔亮,闫鹏,温志刚,刘文龙,刘学斌. 电子器件. 2019(06)
[6]FY-3D星红外高光谱大气探测仪的在轨光谱精度评估[J]. 陆其峰,周方,漆成莉,胡秀清,徐寒列,吴春强. 光学精密工程. 2019(10)
[7]大面阵高帧频CMOS成像电子学系统设计[J]. 宁永慧,刘辉,赵庆磊,郭汉洲. 光学精密工程. 2019(05)
[8]大孔径静态干涉成像光谱仪图像的条纹消除与配准[J]. 王府北,景娟娟,吴琼水,周锦松. 测绘学报. 2016(06)
[9]大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究[J]. 王爽,相里斌,李立波,皮海峰. 光谱学与光谱分析. 2014(03)
[10]高分辨率大面阵CCD相机高帧频设计及其非均匀性的校正[J]. 任航. 红外与激光工程. 2013(06)
博士论文
[1]高集成度模块化CCD成像系统关键技术研究[D]. 孙振亚.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]专用集成电路技术在高速数据传输系统与科学级CCD成像系统中的研究[D]. 杨东旭.中国科学技术大学 2018
[3]空间高帧频背照式CCD驱动与信息处理技术研究[D]. 陈剑武.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
本文编号：3277810
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