王鵬 劉琦 徐磊

?

微光探測(cè)器時(shí)序設(shè)計(jì)研究

王鵬 劉琦 徐磊

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以EMCCD作為微光探測(cè)器的成像系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。微光相機(jī)成像系統(tǒng)中應(yīng)用了某款EMCCD作為微光通道的探測(cè)器，文章結(jié)合這款探測(cè)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)EMCCD的時(shí)序設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。通過對(duì)微光相機(jī)成像系統(tǒng)的介紹，并比較不同EMCCD時(shí)序設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，提出了微光探測(cè)器的時(shí)序控制和高壓信號(hào)控制等關(guān)鍵時(shí)序設(shè)計(jì)方案。通過設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證，證明作為微光相機(jī)影響成像品質(zhì)的重要因素，EMCCD時(shí)序設(shè)計(jì)邏輯正確，為成像系統(tǒng)的圖像品質(zhì)提供了基礎(chǔ)保障。

時(shí)序設(shè)計(jì) 高壓信號(hào) 電子倍增電荷耦合器件 微光相機(jī) 航天遙感

0引言

隨著微光探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，微弱光條件下的探測(cè)技術(shù)在航天領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。作為新一代微光探測(cè)器件電子倍增CCD（Electron-Multiplying CCD，EMCCD），也逐漸應(yīng)用在遙感成像系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)的CCD器件相比，它在覆蓋可見光光譜范圍的同時(shí)，在低照度的條件下具有更為突出的目標(biāo)識(shí)別能力[1]。因此，其在低照度目標(biāo)偵查、夜視成像甚至單光子檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)[2-5]。

目前，國內(nèi)對(duì)于微光探測(cè)器的研究主要集中在兩大廠商美國的TI公司和英國的E2V公司的不同系列EMCCD芯片。基于微光探測(cè)器的微光相機(jī)研究，更多的集中在原理驗(yàn)證和工程樣機(jī)上。偏重于微光探測(cè)技術(shù)的理論研究，對(duì)于結(jié)合應(yīng)用的技術(shù)細(xì)節(jié)研究不足[6-8]。本文結(jié)合某微光相機(jī)實(shí)現(xiàn)從1/4月光光照條件到晨昏的大動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)應(yīng)用需求，對(duì)微光探測(cè)器時(shí)序設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。結(jié)合EMCCD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及時(shí)序信號(hào)和倍增信號(hào)時(shí)序設(shè)計(jì)方案研究，提出了微光探測(cè)器時(shí)序設(shè)計(jì)是影響系統(tǒng)圖像品質(zhì)的基礎(chǔ)因素，給出了倍增時(shí)序相位控制方法并進(jìn)行工程驗(yàn)證，后續(xù)實(shí)現(xiàn)了通過微光探測(cè)器時(shí)序設(shè)計(jì)與控制提升遙感圖像品質(zhì)的在軌應(yīng)用。

1 微光相機(jī)成像系統(tǒng)

1.1 基于EMCCD的成像系統(tǒng)

相機(jī)電子學(xué)成像系統(tǒng)通常包含探測(cè)器及驅(qū)動(dòng)電路、信息處理器、管理控制器等電路及單機(jī)設(shè)備。某微光相機(jī)的成像系統(tǒng)主要由微光探測(cè)器、高亮探測(cè)器、相機(jī)主體電路和信息處理器等組成，如圖1所示。4臺(tái)相同的相機(jī)主體通過視場(chǎng)拼接實(shí)現(xiàn)幾千千米的地面覆蓋。每臺(tái)相機(jī)在焦面上進(jìn)行分光：一路為微光通道，應(yīng)用EMCCD實(shí)現(xiàn)微光探測(cè)；另一路為高亮通道，采用線陣CCD器件實(shí)現(xiàn)白天高亮度探測(cè)。

圖1 微光相機(jī)成像系統(tǒng)

每個(gè)相機(jī)主體部分應(yīng)用一片F(xiàn)PGA器件，用于產(chǎn)生2種CCD的時(shí)序信號(hào)以及AD的配置信號(hào)等，并將輸出的圖像數(shù)據(jù)通過內(nèi)部數(shù)傳接口傳遞給信息處理器。信息處理器將4個(gè)相機(jī)主體的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編排，通過數(shù)傳接口傳遞給數(shù)傳分系統(tǒng)，同時(shí)接收管理控制器的遙測(cè)遙控指令，對(duì)相機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并通過內(nèi)部數(shù)傳接口傳遞給相機(jī)主體相應(yīng)的指令信息。

在這個(gè)成像系統(tǒng)中，EMCCD在時(shí)序信號(hào)和高壓信號(hào)的作用下進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移并輸出模擬信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換以后得到圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于其電路設(shè)計(jì)方面，需要考慮驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面不同偏置電壓和驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于其時(shí)序設(shè)計(jì)方面，在兼顧水平轉(zhuǎn)移和垂直轉(zhuǎn)移的時(shí)序控制的同時(shí)，還要考慮高壓信號(hào)的相位控制和幅值控制等。

1.2 EMCCD的結(jié)構(gòu)

EMCCD包括成像區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、水平轉(zhuǎn)移、倍增寄存器和放大輸出幾個(gè)部分，如圖2所示。與傳統(tǒng)CCD的主要區(qū)別是在水平轉(zhuǎn)移寄存器后面增加了一級(jí)倍增寄存器，使電荷數(shù)量達(dá)到多倍的增加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)[9]。EMCCD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接決定了其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和時(shí)序設(shè)計(jì)需要考慮驅(qū)動(dòng)能力和時(shí)序相位控制等因素。除了一般CCD設(shè)計(jì)需要考慮的轉(zhuǎn)移信號(hào)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以外，在電路設(shè)計(jì)上需要進(jìn)行倍增信號(hào)的高壓運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)得到高壓倍增信號(hào)，并通過時(shí)序設(shè)計(jì)進(jìn)行倍增信號(hào)的時(shí)序相位控制，以及其與水平轉(zhuǎn)移時(shí)序信號(hào)的相位關(guān)系設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序匹配。對(duì)于高壓倍增信號(hào)相位和幅值的結(jié)合控制給時(shí)序設(shè)計(jì)增加了不小的難度，同時(shí)倍增信號(hào)和多個(gè)水平轉(zhuǎn)移信號(hào)的相位匹配也增加了相位控制的設(shè)計(jì)難度。由于倍增信號(hào)的幅值與相位控制直接影響輸出的模擬信號(hào)質(zhì)量，且電荷轉(zhuǎn)移效率也與倍增信號(hào)的幅值和時(shí)序相位密切相關(guān)[10]。那么就需要設(shè)計(jì)倍增信號(hào)和水平轉(zhuǎn)移信號(hào)的時(shí)序以及相位控制方法，以解決時(shí)序設(shè)計(jì)匹配的難題。

EMCCD的結(jié)構(gòu)如圖2所示，成像區(qū)是感光部分，負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；存儲(chǔ)區(qū)表面覆蓋一層金屬材料使其不感光，用來存儲(chǔ)成像區(qū)光電轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生的電荷；水平轉(zhuǎn)移部分將成像區(qū)的電荷按照時(shí)序信號(hào)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到寄存器中；水平轉(zhuǎn)移寄存器之后是倍增寄存器，電荷進(jìn)入倍增寄存器后，在高壓差作用下加速運(yùn)動(dòng)，發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，激發(fā)出新的電子，實(shí)現(xiàn)電子倍增效果；最后經(jīng)過放大輸出部分得到對(duì)應(yīng)幅值的模擬信號(hào)[11]。在倍增過程中，每一級(jí)的增益很小，只有約1.01~1.015，但經(jīng)過級(jí)倍增后，其倍增增益=(1+)，可達(dá)到指數(shù)級(jí)增長[12]。電荷經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)移過程，就實(shí)現(xiàn)了EMCCD的電子倍增過程，這也是微光探測(cè)器EMCCD在結(jié)構(gòu)上區(qū)別于其他CCD的特殊之處。

圖2 EMCCD結(jié)構(gòu)示意

1.3 EMCCD的時(shí)序信號(hào)

EMCCD的整個(gè)電荷轉(zhuǎn)移過程都由時(shí)序信號(hào)控制（如圖3所示），而且EMCCD的時(shí)序設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。那么在硬件電路確定驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)定型的條件下，時(shí)序設(shè)計(jì)就成了電荷轉(zhuǎn)移控制的關(guān)鍵部分。其時(shí)序信號(hào)主要包括垂直轉(zhuǎn)移信號(hào)，水平轉(zhuǎn)移信號(hào)，高壓信號(hào)和清倒信號(hào)。

作為EMCCD時(shí)序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，水平轉(zhuǎn)移時(shí)序與倍增時(shí)序控制必不可少。EMCCD的水平轉(zhuǎn)移部分有3個(gè)電極Φ1、Φ2、Φ3，其倍增部分則在Φ1和Φ2之間增加了直流偏置Φdc，并由高壓電極Φ2HV替代Φ2[13]。電荷從電極Φdc轉(zhuǎn)移到Φ2HV時(shí)，由兩個(gè)電極的電勢(shì)差形成強(qiáng)電場(chǎng)，形成雪崩效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電子倍增效應(yīng)。這個(gè)過程一方面要控制時(shí)序信號(hào)RΦ1、RΦ2、RΦ3之間的相位關(guān)系以保證電荷的水平轉(zhuǎn)移效率，另一方面還要調(diào)整RΦ1、RΦ3和高壓信號(hào)RΦ2HV的相位關(guān)系并控制高壓信號(hào)的幅值來實(shí)現(xiàn)電荷的倍增過程，而且高壓信號(hào)的特性也直接決定了電子倍增過程的轉(zhuǎn)移效率和EMCCD的使用壽命。

圖3 EMCCD時(shí)序信號(hào)示意

2 微光探測(cè)器時(shí)序設(shè)計(jì)

2.1 EMCCD的時(shí)序方案

EMCCD的時(shí)序設(shè)計(jì)主要包括轉(zhuǎn)移時(shí)序信號(hào)設(shè)計(jì)和高壓信號(hào)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，轉(zhuǎn)移時(shí)序信號(hào)和高壓信號(hào)共同作用，實(shí)現(xiàn)EMCCD的驅(qū)動(dòng)，完成電荷從成像區(qū)到存儲(chǔ)區(qū)，從存儲(chǔ)區(qū)到水平寄存器，從水平寄存器到倍增寄存器的轉(zhuǎn)移過程。通常轉(zhuǎn)移時(shí)序設(shè)計(jì)采用幀轉(zhuǎn)移時(shí)序設(shè)計(jì)，而高壓信號(hào)可以選擇方波或者正弦波設(shè)計(jì)。

典型的幀轉(zhuǎn)移時(shí)序方案中，一個(gè)幀周期包含了垂直轉(zhuǎn)移和水平轉(zhuǎn)移兩個(gè)過程（如圖4所示）。

圖4 幀轉(zhuǎn)移時(shí)序方案

這種方案幀周期固定，積分時(shí)間固定不可調(diào)整，不能適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)積分時(shí)間調(diào)整的應(yīng)用要求。而且水平轉(zhuǎn)移過程會(huì)占用較長的時(shí)間，在成像區(qū)域積累的電荷會(huì)影響到相當(dāng)長一段時(shí)間的圖像品質(zhì)，不滿足微光探測(cè)成像品質(zhì)的要求。

在對(duì)比典型時(shí)序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了減少成像區(qū)域積累電荷對(duì)圖像品質(zhì)的影響，微光相機(jī)的時(shí)序方案加入了清除電荷部分。將時(shí)序設(shè)計(jì)中增加清除電荷轉(zhuǎn)移時(shí)序，用于將多余電荷轉(zhuǎn)移清除。為了解決積分時(shí)間控制問題，同時(shí)避免時(shí)序沖突，在某微光相機(jī)中設(shè)計(jì)了清除電荷部分放在轉(zhuǎn)移過程前面，即清除與部分輸出的時(shí)序方案。在實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間控制的基礎(chǔ)上，有效降低無用電荷對(duì)圖像品質(zhì)的影響。

對(duì)于高壓信號(hào)的選擇，則先來比較一下方波和正弦波的特點(diǎn)。方波具有較為平坦的峰值區(qū)域，但上升過程和下降過程不對(duì)稱且時(shí)間太短，這會(huì)對(duì)器件的工作壽命帶來影響[14]。正弦波具有緩變性和對(duì)稱性的特點(diǎn)[15]，上升過程和下降過程對(duì)稱但時(shí)間相對(duì)方波較長。考慮到EMCCD的工作時(shí)間長和設(shè)計(jì)壽命具有一定要求，選取正弦波作為高壓信號(hào)，并應(yīng)用DA芯片和放大電路配合，進(jìn)行高壓信號(hào)的時(shí)序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其相位和幅值控制[16]。

清除與部分輸出的時(shí)序方案（如圖5所示）整個(gè)幀周期包含清除部分、積分部分、垂直轉(zhuǎn)移、部分水平轉(zhuǎn)移和清倒部分，來完成電荷的清除和轉(zhuǎn)移等過程。

圖5 清除與部分輸出時(shí)序方案

清除部分的設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用IΦ1-IΦ4和SΦ1-SΦ4信號(hào)，將開始積分之前成像區(qū)的多余電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移清除，以消除非積分時(shí)間內(nèi)成像區(qū)的殘余電荷累積。清除部分的時(shí)序信號(hào)數(shù)量與器件的有效行數(shù)相對(duì)應(yīng)，為提升清除電荷的效果，通常設(shè)計(jì)成覆蓋從成像區(qū)到存儲(chǔ)區(qū)行數(shù)的2-3倍。這部分時(shí)序信號(hào)通常占空比大于50%，且速度不宜快于垂直轉(zhuǎn)移的速度，否則也會(huì)影響清除電荷的效果。結(jié)合DG信號(hào)的電平控制，將清除過程轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器的殘余電荷和無用電荷清倒到清倒溝中，就實(shí)現(xiàn)了多余電荷的清除。此方案在實(shí)現(xiàn)一幀中任意連續(xù)N行有用部分的輸出控制的同時(shí)，有效減小了多余電荷對(duì)成像品質(zhì)帶來的影響。

2.2 微光相機(jī)EMCCD輸出行設(shè)計(jì)

EMCCD的水平轉(zhuǎn)移過程是控制SΦ1-SΦ4、ΦR、RΦ1、RΦ2、RΦ3和RΦ2HV信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，在應(yīng)用清除與部分輸出的時(shí)序方案過程中，部分輸出行要與光學(xué)系統(tǒng)相匹配。在光學(xué)裝調(diào)之前，光線匯聚到微光探測(cè)器的焦點(diǎn)存在一定偏差，對(duì)應(yīng)輸出行也存在偏差。在光學(xué)裝調(diào)后需要根據(jù)光路與焦平面的拼接結(jié)果對(duì)輸出行進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)程序已經(jīng)固化，焦面電路與光機(jī)結(jié)構(gòu)配裝無法拆卸。為了達(dá)到輸出行與光路的最佳匹配，使輸出起始行變化不造成裝調(diào)及匹配工作的反復(fù)，降低系統(tǒng)誤差。在微光相機(jī)中，設(shè)置了起始輸出行參數(shù)。雖然其為時(shí)序設(shè)計(jì)增加了復(fù)雜性，但在程序固化后還可以使輸出起始行根據(jù)外部參數(shù)變化，保證了在光學(xué)裝調(diào)后輸出行與光路的最佳匹配。

圖6 起始輸出行控制示意

部分行輸出時(shí)序方案的水平轉(zhuǎn)移過程分為3個(gè)部分（如圖6所示），第一部分SΦ1-SΦ4信號(hào)連續(xù)轉(zhuǎn)移L個(gè)周期，同時(shí)DG信號(hào)保持高電平進(jìn)行電荷清倒。其中L就是設(shè)置的行參數(shù)，L的改變可以調(diào)整輸出的起始行，其存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中，在上電過程中作為初始化參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。第二部分SΦ1-SΦ4與水平轉(zhuǎn)移時(shí)序信號(hào)進(jìn)行配合，連續(xù)輸出N行信號(hào)，這N行是對(duì)應(yīng)要得到的模擬信號(hào)，此過程DG信號(hào)保持低電平保留電荷。第三部分則是用總行數(shù)S減去前面不要的L行和保留的N行后，SΦ1-SΦ4信號(hào)連續(xù)轉(zhuǎn)移S-L-N個(gè)周期，同時(shí)DG信號(hào)保持高電平進(jìn)行電荷清倒。對(duì)于輸出起始行的參數(shù)設(shè)置，只需要更改外部存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)參數(shù)，有效地減少了光學(xué)拼接過程中這個(gè)參數(shù)變化對(duì)于測(cè)試驗(yàn)證以及系統(tǒng)調(diào)試的影響。

2.3 EMCCD時(shí)序信號(hào)相位控制

在硬件電路已經(jīng)定型的情況下，能夠影響模擬信號(hào)以及成像系統(tǒng)成像品質(zhì)的就是其時(shí)序信號(hào)相位的控制。其中水平轉(zhuǎn)移時(shí)序RΦ1、RΦ2、RΦ3和ΦR可以影響模擬信號(hào)輸出波形，而高壓正弦信號(hào)與它們的關(guān)系可以影響輸出模擬信號(hào)的幅值。

如圖7所示，時(shí)序設(shè)計(jì)中在注意S1、S2、S3部分，也就是轉(zhuǎn)移時(shí)序交叉沿情況的同時(shí)，我們需要更多的關(guān)注S4、S5部分。S4表示RΦ3信號(hào)下降沿和RΦ2HV信號(hào)波谷之間的相位關(guān)系，S5表示RΦ1信號(hào)下降沿和RΦ2HV信號(hào)波峰之間的相位關(guān)系，它們共同影響Φ2HV電極容納的電荷量。設(shè)計(jì)中需要對(duì)RΦ3信號(hào)下降沿與波谷、RΦ1信號(hào)下降與波峰的相位進(jìn)行控制，以保證轉(zhuǎn)移電荷量最大。

圖7 水平轉(zhuǎn)移時(shí)序信號(hào)及高壓信號(hào)時(shí)序關(guān)系

在微光相機(jī)中，為了滿足水平轉(zhuǎn)移時(shí)序信號(hào)的控制，采用了邏輯器件內(nèi)部門延時(shí)的方式。延時(shí)控制設(shè)計(jì)成通過指令可以進(jìn)行延時(shí)調(diào)整，延時(shí)量通?？梢赃_(dá)到ns級(jí)。而對(duì)于高壓正弦信號(hào)的調(diào)整，設(shè)計(jì)了描點(diǎn)法來實(shí)現(xiàn)相位和幅值的控制。應(yīng)用8個(gè)包含相位和幅值信息的數(shù)據(jù)來表示整個(gè)波形的信息，并應(yīng)用DA器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在一個(gè)像元周期內(nèi)依次將0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°包含幅值信息的數(shù)據(jù)發(fā)送給DA芯片，使其輸出一組階梯包絡(luò)信號(hào)，再經(jīng)過濾波放大電路得到放大之后的高壓正弦信號(hào)。應(yīng)用這種方式的相位調(diào)整，理論精度可以達(dá)到（360/2N）°（N為DA位數(shù)），實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)高壓正弦信號(hào)的速度可以應(yīng)用不同的調(diào)整精度（通常選擇1°）。這里需要指出，為了得到更為準(zhǔn)確的正弦信號(hào)，可以采用16點(diǎn)或者32點(diǎn)等更密的描點(diǎn)方式產(chǎn)生階梯波，但這樣也將帶來電路和邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜化。需要注意的是，在不同的工況下，包含相位信息和幅值信息的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行重新計(jì)算標(biāo)定，以適應(yīng)不同應(yīng)用的信號(hào)品質(zhì)要求。這種信號(hào)調(diào)整方法為數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)標(biāo)定提供了途徑，可以在硬件電路固定的情況下，找到高壓正弦信號(hào)與時(shí)序信號(hào)匹配的最佳相位。

3 EMCCD時(shí)序設(shè)計(jì)仿真與測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)EMCCD時(shí)序設(shè)計(jì)的方案，水平時(shí)序的相位控制，以及高壓信號(hào)的控制等幾個(gè)方面，結(jié)合微光相機(jī)的視頻電路成像系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)序設(shè)計(jì)相關(guān)邏輯，以及包含驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)在內(nèi)的相關(guān)功能進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。

對(duì)于微光相機(jī)中的清除與部分輸出的時(shí)序方案，設(shè)計(jì)了測(cè)試用例和相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用仿真工具進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖8中包含垂直轉(zhuǎn)移信號(hào)IΦ1-IΦ4、SΦ1-SΦ4，水平轉(zhuǎn)移信號(hào)ΦR、RΦ1、RΦ2、RΦ3和清倒信號(hào)DG。從仿真結(jié)果上可以明顯地看出整個(gè)時(shí)序包括清除部分、積分部分以及垂直轉(zhuǎn)移、部分水平轉(zhuǎn)移和清倒部分。T1為清除部分，進(jìn)行多余電荷清除；T2為積分時(shí)間部分，進(jìn)行5ms的積分時(shí)間控制；T3為垂直轉(zhuǎn)移部分；T4為部分水平轉(zhuǎn)移部分，進(jìn)行64行的轉(zhuǎn)移輸出，起始行為256行。通過仿真驗(yàn)證可以得出微光相機(jī)時(shí)序方案設(shè)計(jì)要求一致，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖8 微光探測(cè)器時(shí)序仿真

在對(duì)時(shí)序設(shè)計(jì)進(jìn)行邏輯仿真的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室條件下，應(yīng)用微光相機(jī)的相機(jī)主體電路以及焦面驅(qū)動(dòng)電路等，對(duì)輸出時(shí)序信號(hào)的波形進(jìn)行了測(cè)試。

EMCCD的時(shí)序信號(hào)工作在5MHz頻率，應(yīng)用部分輸出的方案。圖9中依次是RΦ1、ΦR、RΦ2和RΦ3信號(hào)，以及它們的交疊關(guān)系。其中RΦ1上升沿提前RΦ3下降沿，RΦ2上升沿提前RΦ1下降沿，RΦ3上升沿提前RΦ2下降沿，RΦ2上升沿提前ΦR上升沿。可見其水平轉(zhuǎn)移信號(hào)的相位控制實(shí)測(cè)情況與時(shí)序設(shè)計(jì)的交叉沿情況一致，滿足微光相機(jī)的應(yīng)用要求。

圖9 水平轉(zhuǎn)移信號(hào)實(shí)測(cè)波形

在驅(qū)動(dòng)芯片固定的情況下，時(shí)序信號(hào)也經(jīng)過調(diào)整之后，高壓信號(hào)與時(shí)序信號(hào)的相位關(guān)系也影響著系統(tǒng)的成像品質(zhì)[17]。在實(shí)驗(yàn)室條件下，輸入光強(qiáng)不變，成像參數(shù)不變，高壓正弦信號(hào)幅值為44V，調(diào)整其相位，對(duì)比其前后信號(hào)（見圖10-圖11）。

圖10 相位調(diào)整前水平轉(zhuǎn)移信號(hào)和高壓信號(hào)實(shí)測(cè)波形

圖11 相位調(diào)整后水平轉(zhuǎn)移信號(hào)和高壓信號(hào)實(shí)測(cè)波形

在高壓信號(hào)相位調(diào)整之前，其與RΦ1上升沿和RΦ3下降沿的關(guān)系由T1表示約9ns，即高壓正弦信號(hào)波谷與RΦ1和RΦ3交叉沿的相位關(guān)系。此時(shí)高壓正弦信號(hào)波谷提前RΦ1和RΦ3交叉沿，模擬信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)的DN值約為9 600。

在高壓信號(hào)相位調(diào)整之后，其與RΦ1上升沿和RΦ3下降沿的關(guān)系由T2表示約18ns，即高壓正弦信號(hào)波谷與RΦ1和RΦ3交叉沿的相位關(guān)系。此時(shí)高壓正弦信號(hào)波谷滯后RΦ1和RΦ3交叉沿，模擬信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)的DN值約為9 200，其DN值明顯下降。

在時(shí)序信號(hào)不變的情況下，高壓信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)有直接的影響，通過正弦波相位的調(diào)整，可以增大模擬信號(hào)的幅值。應(yīng)用描點(diǎn)法對(duì)高壓正弦信號(hào)相位進(jìn)行控制[18]，在輸入光信號(hào)不變，高壓正弦信號(hào)幅值不變的情況下，對(duì)其進(jìn)行了步進(jìn)為1°的相位調(diào)整，得到了正弦波相位和圖像灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。應(yīng)用MATLAB工具，進(jìn)行了曲線擬合。

圖12 正弦信號(hào)相位與圖象灰度值擬合曲線

圖12中橫軸為相位，單位度，縱軸位為灰度值，單位為DN值。根據(jù)示波器測(cè)試的結(jié)果，選擇在–20°到20°的相位調(diào)整范圍內(nèi)，調(diào)整高壓信號(hào)的相位。對(duì)應(yīng)相位調(diào)整灰度值的變化是非線性的，表征不同的相位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的倍增過程的電荷轉(zhuǎn)移效率不同，從而導(dǎo)致輸出的模擬信號(hào)幅值不同。從中我們可以找到灰度值較高的區(qū)間：5°~10°，從中可以選取高壓正弦信號(hào)與時(shí)序信號(hào)的最佳相位匹配相位。在微光相機(jī)中，高壓正弦信號(hào)的相位選擇了5°，可以在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)成像指標(biāo)最優(yōu)。

在實(shí)際應(yīng)用中還可以加入EMCCD的溫度控制，在不同的溫度參數(shù)的條件下進(jìn)行相位調(diào)整。尤其需要繪制制冷條件下的對(duì)應(yīng)曲線，從而找出低溫工況的最佳相位位置。這樣就可以進(jìn)一步比對(duì)不同工況下的最佳匹配相位，選取適合不同工作環(huán)境的高壓正弦信號(hào)相位。

4 結(jié)束語

通過對(duì)EMCCD成像系統(tǒng)的介紹以及對(duì)EMCCD時(shí)序設(shè)計(jì)的研究，在硬件電路固定的情況下，指出了時(shí)序設(shè)計(jì)上能夠影響圖像品質(zhì)的因素，即時(shí)序設(shè)計(jì)方案選取，水平轉(zhuǎn)移時(shí)序相位控制以及高壓正弦信號(hào)的相位和幅值控制，提出了部分輸出的時(shí)序方案，對(duì)時(shí)序信號(hào)進(jìn)行相位延時(shí)，對(duì)高壓正弦信號(hào)應(yīng)用描點(diǎn)法進(jìn)行了相位調(diào)整。經(jīng)過EMCCD時(shí)序設(shè)計(jì)的應(yīng)用以及仿真驗(yàn)證和波形測(cè)試，驗(yàn)證了EMCCD時(shí)序信號(hào)相位控制和高壓信號(hào)相位控制與調(diào)整的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)序信號(hào)相位的精確控制，并通過調(diào)整使高壓正弦信號(hào)和時(shí)序信號(hào)之間的相位關(guān)系找到其最匹配的工作狀態(tài)，從而改善模擬信號(hào)的波形，進(jìn)而改善成像系統(tǒng)的圖像品質(zhì)。在微光相機(jī)中，這些設(shè)計(jì)得到了充分的驗(yàn)證，在時(shí)序控制調(diào)整的基礎(chǔ)上信噪比提升了1-2個(gè)dB值，為整個(gè)系統(tǒng)的成像品質(zhì)提升提供了基礎(chǔ)保障。

[1] 王大勇. 低噪聲微光圖像采集系統(tǒng)的研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2012. WANG Dayong. Research of Low Noise and Low Light Image Acquisition System[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012. (in Chinese)

[2] 何家維, 何昕, 魏仲慧, 等. 電子倍增CCD星相機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)精密工程, 2010, 18(6): 1396-1403. HE Jiawei, HE Xin, WEI Zhonghui, et al. Design of EMCCD Cameras for Star Detecton[J]. Optics and Precision Engineering, 2010, 18(6): 1396-1403. (in Chinese)

[3] 胡曉華, 劉松濤, 潘振東, 等. 星載微光探測(cè)儀器的發(fā)展及其數(shù)據(jù)應(yīng)用[J]. 中國光學(xué), 2015, 8(3): 350-359. HU Xiaohua, LIU Songtao, PAN Zhendong, et al. Progress in Spaceborne Shimmer Detector and Data Application[J]. Chinese Optics, 2015, 8(3): 350-359. (in Chinese)

[4] BANKERT R L, SOLBRIG J E, LEE T F. Automated Lighting Flash Detection in Night Time Visible Satellite Data[J]. Weather and Forecasting, 2011, 26(3): 399-408.

[5] SIMON T. Astronomical Spectroscopy with Electron Multiplying CCDs[D]. Sheffield: The University of Sheffield, 2010.

[6] 楊少華, 郭明安, 李斌康, 等. 百萬像素電子倍增CCD數(shù)字化相機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)精密工程, 2011, 19(12): 2970-2976. YANG Shaohua, GUO Mingan, LI Binkang, et al. Design of Digital EMCCD Camera with Mega Pixels[J]. Optics and Precision Engineering, 2011, 19(12): 2970-2976. (in Chinese)

[7] 何家維, 何昕, 魏仲慧, 等. 一體化EMCCD微光相機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 紅外, 2014, 35(10): 14-20. HE Jiawei, HE Xin, WEI Zhonghui, et al. Design of Integrated EMCCD Camera for Low-light Detection[J]. INFRARED(Monthly), 2014, 35(10): 14-20. (in Chinese)

[8] 周小珂, 嚴(yán)衛(wèi), 白衡, 等. 基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的夜間低云大霧監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J]. 遙感信息, 2012, 27(6): 86-90. ZHOU Xiaoke, YAN Wei, BAI Heng, et al. Detection of Heavy Fogs and Low Clouds During Nighttime Using DMSP-OLS Data[J]. Remote Sensing Information, 2012, 27(6): 86-90. (in Chinese)

[9] 唐聰. 基于EMCCD的微光夜視系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 長春: 長春理工大學(xué), 2013. TANG Cong. Research and Design of LLL Night Vision System on EMCCD[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2013. (in Chinese)

[10] 卜洪波, 陳瑞明, 張玉貴, 等. 基于電子倍增CCD的微光成像遙感器焦面電路設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(5): 47-54. BU Hongbo, CHEN Ruiming, ZHANG Yugui, et al. Focal Plane Circuit Design Based on Electron Multiplying CCD in Remote Sensor for Faint Light Imaging[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(5): 47-54. (in Chinese)

[11] 韓露, 熊平. EMCCD工作原理及性能分析[J]. 傳感器世界, 2009, 15(5): 24-28. HAN Lu, XIONG Ping. The Analysis of Operating Principle and Performance of EMCCD[J]. Sensor World, 2009, 15(5): 24-28. (in Chinese)

[12] 沈吉. 基于FPGA的電子倍增CCD成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2014. SHEN Ji. Imaging System Design of EMCCD Base on FPGA[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2014. (in Chinese)

[13] 余達(dá), 龍科慧, 徐東, 等. 基于微光應(yīng)用的CCD201驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2012, 33(8): 287-291. YU Da, LONG Kehui, XU Dong, et al. Design of a CCD201 Drive for the Low Light Level Applications[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2012, 33(8): 287-291. (in Chinese)

[14] 白玉棟, 張守才. CCD 電子倍增CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2013, 28(3): 51-54. BAI Yudong, ZHANG Shoucai. Driving Circuit Design for Electronic Multiplication CCD[J]. Electro-optic Technology Application, 2013, 28(3): 51-54. (in Chinese)

[15] 李強(qiáng), 樊奔, 陳希. 一種基于多線陣集成TDICCD的低軌成像驅(qū)動(dòng)方法[J]. 航天返回與遙感, 2016, 37(1): 32-40. LI Qiang, FAN Ben, CHEN Xi. Driving Method of Low Earth Orbit Imaging Based on Multi-linear TDICCD[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2016, 37(1) : 32-40. (in Chinese)

[16] 張龍, 何偉基, 顧國華, 等. 電子倍增CCD 模擬前端設(shè)計(jì)與信號(hào)優(yōu)化[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(7): 2263-2269. ZHANG Long, HE Weiji, GU Guohua, et al. Design and Signal Optimization of Analog Front End of EMCCD[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(7): 2263-2269. (in Chinese)

[17] 謝宗寶, 張濤, 張晶晶. 空間EMCCD成像系統(tǒng)中倍增高壓時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2011, 11(17): 3946-3950. XIE Zongbao, ZHANG Tao, ZHANG Jingjing. High-voltage Clock Design of Space EMCCD Imaging Detection System[J]. Science Technology and Engineering, 2011, 11(17): 3946-3950. (in Chinese)

[18] WANG Peng, HE Zhikuan, LIU Qi. Research of Timing Design and Adjusting Methods of EMCCD[J]. Proc. of SPIE, 968604: 1-6.

（編輯：毛建杰）

Study on Timing Design of a Low Light Sensor

WANG Peng LIU Qi XU Lei

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the development of science and technology, the imaging systems which use EMCCD as the low light sensor are applied more and more widely. In this paper, one EMCCD is used as the senor for the low light channel in the low light camera, and then its timing design is studied by associating the EMCCD's structure characteristics. Through introducing the camera's imaging system and comparing the different timing design solutions, one can find that the timing control and the high voltage signals control are important for the timing design of the low light sensor. Through design, test and verification, it shows that the logic of the EMCCD’s timing design in the low light camera is right , which can be one important factor to provide the basic guarantee of the system imaging quality.

timing design; high voltage signals; electron-multiplying CCD; low light cameras; space remote sensing

V443+.5

A

1009-8518(2018)02-0063-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.02.008

2017-03-10

國家重大科技專項(xiàng)工程

王鵬，男，1979年生，西北工業(yè)大學(xué)航空工程碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檫b感相機(jī)FPGA軟件設(shè)計(jì)。E-mail: wangp508@126.com。