高分辨力遥感相机ccd采样位置自适应补偿技术

在卫星在轨温度范围内，相关双采样信号延时最大值为精度小于0.039 ns；CCDCCD，CCD采样信号的相位会发生变化，采样位置的温度漂移会严重

采样信号的初始位置进行精密调节，然后设计了自适应补偿

信号与采样信号在温度变化上具有跟踪性，在动态上保证

0.46 ns,保证了相机的高质量成像，满足航

天应用需要$

关键词：高分辨力遥感相机；相关双采样；温度；自适应补偿

中图分类号:V443. 5

文献标识码：A doi：10. 3788/OPE. 20202804. 0973Adaptive compensation technique for CCD signal sampling

positions in high-resolution remote sensing camerasSUN Xue-chen* , LU Heng-yi, XUE Xu-cheng, SHI Jun-xia , FU Yao(ChangChun Institute of Optics , Fine Mechanics and Physiss ,

ChineseAcademyofSciences ChangChun130033 China)

*Correspondingauthor E-mail：jet0409 @163 comAb+tract：Undertheinfluenceoftevperaturechanges thephaseoftheCCDsavplingsignalofahigh-

resolution revote sensing cavera canvary. This canadversely affect the signal-to-noise ratio and dy-

navic range of the ivageand vay even cause the ivage to be displayedabnorvally. To solve this prob­ev of'evpera'ure-rela'edsavpling posi ion drif' anadap'ivecovpensa'iondesignwasdevelopedfor

the CCD savpling position of a high-resolution revote sensing cavera. First , the initial position of the CCD savpling signal was precisely adjusted , and an adaptive covpensation circuit was then de- signed'ocon'rol'hepowerconsuvp'ion whichrendered'he'evpera'ureofeachdriverchip'obees-

sentially the save. The advantage of this vethod is that the CCD and savpling signals can be effec­

tively vonitoredduringtevperature)hanges thus ensuringthea))ura)yofthesavplingpositionof

theCCDsignalandstabilityofthesignal-to-noiseratiooftheivage.Theexperiventsindi)atethat withthisvethod thea))ura)yoftheinitialpositionadjustventofthe)orrelateddouble-savplingsig-收稿日期:2019-09-11;修订日期基金项目：吉林省科技发展计划项目资助:2019-11-11.(No.2019030282GX)974光学精密工程第28卷nal improves to less than 0. 039 ns. Additionally, the maximum delay of the correlated double-sam­

pling signal in the satellite in-orbit temperature range is 0. 46 ns, which ensures high-quality imaging and meets the requirements of space applications.Key words: high-resolution remote sensing cameras & Correlated Double Sampling (CDS) ； temperature；

adaptive compensation的情况下，仍能精密对准，保证了图像信噪比的稳

1引言信噪比、动态范围等是空间光学相机设计「宀

性，实现 量成像$2 CCD采样位置自适应补偿成

的 指标，尸 征 的辐射性能和评价相学系统的性能,$空间遥感

会极大程度的影响整个成

学 CCD 样 的 设 中 ， CCD统的成 量⑷、动 信号 的 时 序 样 信 号 （SHP，SHD） 的 时 序信 页和动态范围等。在航天 中，通常对FPGA给出，其中SHP对复位区进行采样,

CCD信号进行相关双采样（Correlated Double Sample,CDS）处理，这样可以消除复位噪声的干

SHD对信号区进行采样$ 区与信号区的工作，一旦采到的影响。在整个的信号平坦区 小（几纳秒），因此采样位置样中

扰,对低频 抑 精度金7*。，可 改善信噪的 是相关

，提高信号

其他位置会对 量

为了使相关 样信号（SHP,SHD）位置「8*$但是 空CCD采样链路中，驱动信号经过驱动器与CCD

与CCD信号最佳位置对准,通常会在地面实验阶

生CCD视频信号，视频 通过采样信得到$实佳的采样位置，进行

间

号对CCD视频信号进行采样 通过视频

温度的 围变化，成 的 会受传统的设计中，采样时序信号由FPGA产生，直

到温度「9*的影响 生时序上的延时，从而导致进行采样，如图1

样位置的 $为了解决采样位置受到温度表明，在两个链路中受温度影响而产生延时最大

的影响而造成的 量 ，曲利新）10*提出将整形，以此作为样信号与CCD信上，CCD驱动的是驱动 片，FPGA与CCD 受 变 生 的 延时 小 $ 了 CCD 动 片 \"

SHD） CCD 信 号

温度CCD驱动器的输出信号进行

采样信号SHP与SHD的基准，去除CCD驱动器

动时 序 经 过了 样 信 号 （SHP、受温度影响后的延时，提 号之间 整形

的稳定性。在航天

温 度 会

入过多

的 延时、信号之间无法跟随的问题$考虑到航天应用

信号种 多，占空

过

样信号不一致,需要的的可行性以及稳定性, 的前提难于实现，新加入的电路也会带来新的温度延时效应；而且通过RC（Resis­

tor-Capacitance） 电路来调整延迟，精度不足$潘

样信号 中增加相同的驱动 片，使的 温 度 \" 样 信 号 CCD 信 号 生卫军提出对CCD信号采样位置进行自适应调

相同的温度偏移量, 动 到 动态 跟 的 \" 生的温度延时,量 的整，实时 样时钟

CCD信号的 变化，在线调整采保证采样位置，其采样信号的 【旧利用CCD驱动信号进行 整形，带来了与上述同样的问题$对以上问题，本文首先对造成温度延时的 链路进行分析，提出 位置自

辨力遥感 CCD采样；然 该技术用于CCD成中，并进行了相关实验$实 明，相关双采样围 变信号 的 样 置 CCD 信号 温 度

1CCDFig.1 TraditionalCCDsamplinglink图传统的采样链路第期4孙雪晨，等：高分辨力遥感相机CCD采样位置自适应补偿技术975达到0. 039 ns(10 ns/256)。在CCD的复位区和

信号区之内调节采样位置SHP与SHD，调节范 Fig. 2 Adapt图2ive自适应补偿 compensatCCDion CCD采样链路 Sampling link图2中采样信号与视频信号经过相同型号的

驱动芯片，在温度发生 围变化的时候，可以建 立起一定的跟随关系。

设驱动时序链路上的驱动器A受到温度影响 生的延时为/1，采

样时序 上的驱动器B与CCD受到温度影响生的延时为儿与-，在温度变化时，两个链 路的温度延时之差是一个温变值，将其定义为：-Delay (T) = -1 F -2 — -3 I，

(D其中T为温度，在设计时 动芯片A和B选用种 片，使得-1与-2基本一致，而CCD受到

温度变 生的信号延迟-3 小，因此该设计使得两个

之间的延迟-Delay (T)达到最小化，( — 25〜60 °C)的温度范围内，该延时最大仅为 0. 46 ns,具体参见后续实验。3采样位置精密调节CCD 样 中 ， 动 时 序

样 时 序一个FPGA给出，由于两个 中的信号经过不同的走线

到达视频

，这会导致采样时两个信号之间存在一个固定的初始相位差。为 了 量的 ，需要对采样位置进行精密，使其对准于CCD信号的最佳位置。利用

DCM的PhaseShitt功能可以实现输入时钟的相

位移动，以达到对采样位置的精密 。DCM的

PhaseShitt功能包括固定相位移动和可变相位移

动，当采用可变 动时，可以动态实现输入信号的 延时，延时时间定义为：PhaseShift Qns) =pahWe) * CLKINPerzod，(2)

其中：PhaseShitt Value 的范围为一255 〜255，

CLKINperiod为CCD像元时钟周期。使

延时后时钟对采样信号进行同步，即可实现采样位置的高精度延时，如图3 :。 本文成 统 100 M时钟，因此 精度可围各为士 1 ns(信号平坦区)，在该范围内

到佳位置$原时钟 延时时钟冒 UK___________m___________

Fig.3 Sampl图3in采样信号同步时序图gsignalsynchronizationtiming未进行精密调节时双采样初始相位误差约为

2. 3 ns,采用本文方法精密调节后误差可小于 0.039 ns。4 温度动态适应性实验与分析为验证该方法的可行性，将带有自适应补偿

技术设计与传统方法的两个 统进行对比成。将两个

统放 低温箱中，在常温下(25 C)分别对两个成

统的

样位置(SHP,SHD)进行精密 ，保证两个系统 r温下初始采样位置都

佳点，成 量良好。在一25〜60 C (空间相机地 温度 ) 的 温 度 围 对两个 统 别 进行成

并实时

CCD采样位置。其中每副

中左右两部分各为 和多光

。(a)常温图像(a) Image in normal temperature(b)高温图像 (c)低温图像(b) Image in high temperature (c) Image in low temperatureFig.4 Imagewi图4t传统方法图像handtraditionalmethod976出，带有本文方法的

好,

光学精密工程从图5高低温图像与常温图像的对比可以看

统 多光

统

第28卷低温下成 〔温对比温和明显变化。而传统方法的 低温的情况下，图像的

性以及成 量受到了温度的影响，在高温 , 多光谱出现不同程度的饱和现象，低温

，图较常温 变暗，如图4

。6是

的 温度下传统方法中CCD信号

样信号的相对位置图，高温时CCD(a)常温图像(a) Image in normal temperature(b)高温图像 (c)低温图像(b) Image in high temperature (c) Image in low temperatureFig.5 I图vagewi5本文方法图像thproposed vethod(a)常温下采样位置(a) Sampling position in normal temperatureSHP^ SHD /X(b)高温下的采样位置(b) Sampling position in high temperature(c)低温下的采样位置(c) Sampling position in lowFig.6 Savpl图in6 temperatureg posi传统方法采样位置tion with traditional vethod信号由于驱动芯片的原因，相位滞后于采样信号，

导致采样信号SHP采到了 CCD的

上,出现错误$低温时CCD信号

受到动芯片的影响，相位提前 样信号，使采样信号SHD落在了下一个信号的上 ，得到的图像偏暗$—25〜60 °C的温度范围下，对各温度点下

的相关双采样信号采样位置

温下（25 C）的佳位置之间的延时进行了

，同时与传统方的采样位置延时进行了对比，结果如图7 :。可以很明显的看出，在温度大范围变化时,本文方 的采样位置延时量远小于传统方法$其中采样

位置受温度而产生的延时最大值为0. 46 ns,采样 信号依然 CCD信号可采样范围之内，不会对成

量造成影响$1.57Temperature/°C图本文方法采样位置偏移量与传统方法采样位 Fig.7 置偏移量Savplodandtingradi positiotinalon voet fsethod with proposed veth- 第期4孙雪晨，等：高分辨力遥感相机CCD采样位置自适应补偿技术977置进行初始精密调节$对本文的方法与传统方

5 结论本文根据遥感相机在空间工作时大范围温 度变化的现状，提出了遥感相机CCD采样位置

法进行了高低温试验对比及分析，试验结果表

明：相关双采样信号的初始位置调节精度小于

0.039 ns；在一25〜60 °C的温度范围下，相关双

采样信号延时最大值为0. 46 ns,保证了准确的

自适应补偿技术。文中首先对成像链路中的温 度延时进行了分析，针对延时电路给出了航天

采样位置，成像质量均为良好。该方法已在某

空间遥感相机上得到了在轨应用，下传图像的 质量良好$应用中可以实现的温度补偿方法，并对采样位参考文献[1：]韩昌元.高分辨力空间相机的光学系统研究].光

HAN学精密工程) : lu11tion CHspace Y.21-21726 [ ,2JSt008,*.u dyOpt1 6(11oninChi optPreciic21-alneses isyston2 172.[JeEngm of . , hi2008gh reso, 16­ (): ()郑亮亮，金光，曲宏松，等.高信噪比星载成像

2036.电路系统光学 精密工程，2016,24(8CCD)： 2027-

ZHENGCCD，，，noise ratim agiL io[nLJe*. JI ciOptNrcui G t PreciQUsyst Hesmi oS nwi Eettngah% ..hi. , 2g016hSpace- siborne ,gnal-to- [32027-2036. (inChi 24(8)： )*姚呈康，李庆辉，胡琳.星载遥感相机像移分析)*.

红外与激光工程)： ,,andYAOtion Laserof CH sat KeEngilitLIQe ，nese2009,nreeeri motHnegHU38(5 sensi L6Anal901-y9si04., 2009n g ,8(5came[sJof)： 901-*.i mInfagemo- 904.rared (in [4*Chinese )王德江，董斌，李文明，等.TDICCD电荷转移对遥

19感相机成像质量的影响[J*.光学精密工程,011,

WANG(10)'TDImotCCDcharget DJ,2500-25066DONGr ansfB,LIe Wroni M,t al…Influence of [* ,

[5*2011esensi,19(10ng )：2500-system2506 J OPtm@agiPrecinequalsioni tyEnginre- 刘则洵，万志，李宪圣，等.时间延迟积分空间

23相机信噪比的影响因素[J*.CCD光学精密工程,,

LI()： tPreciorsU7 Zons iX,1829- oSNRnEngWAN1837015 of ZH,LIXSH,taZ…Influence 2015TDICCD space camera [J*. Optfac­nese \"\"23 (7)：1829-1837 (in Chi­)[*夏巧桥，胡正文，张青林•遥感相机快视高速可靠传

输系统的设计与实现[J*.光学精密工程，2018,2XI(4)： i\"\"simAopl n eQ971-97966plment QHUatformat ZH WZHANG Q L6Design and ioinnof fahstig vihspeedandreliabletransmis- [*[7sionEng62018\"26(4ew)： 971-9796 systemJ(in6ChiOPtnese@Preci- )*吕恒毅.遥感相机自动聚集技术研究[D*长春：中

国科学院长春光学精密机械与物理研究所CamerasLV H Y. Autofocus Method for Remote Sensi，2017.

Opt [D*6Changchun： ChangchunInstitute nofg \"\"[8*myoficsSciFienncee Mechani\"20176csandPhysi(inChicsChineseAcade- )牟研娜，王鹏，尹娜.信号采样位置选取方法的

MU研究*航天返回与遥感，neseJJCCD2011,32(1)： odof \"\"nal[JsYel N*. eSpacecrafctWANGPingsamplt eYIRccoveryloNcat N6Researchont4550.ionabout & RemotCCDvie hdemeteosihg-- ,

[9*2011 32(1)： 45-50 (inChineseSensing)韩冬，吴清文，陈立恒，等.多姿态空间相机的热控

143-系统设计与仿真[J*微计算机信息)：

HAN144，2009,25 (8simul aDt\"WU Q W\"CHEN L H\"etal Designand variedspaceionfo rtcamerhermala JcontControlsrystol e&m ofatitude- [* \"[102009 25(8)： 143-144 (inChinese Automation)*曲利新.高分辨力遥感相机视频处理的温度适应

2804性设计[J*.光学精密工程，2011,19(11)： 2800- QUvi L, camerdeoprocessi XDesias [J* OnPggint @nofhiPrecitgeh-resolmperatuutreionremot adapteasensibilityfnogr ,, ()：

[112800-2804 (inChinesesionEng20111911)*潘卫军，贺强民，刘涛，等.信号自适应采样方

法的研究和实现50526003[J*.CCD红外与激光工程，2016,45 ()：

978PAN WJ,HEQMLIU T,t al.. Study and re­alization of adaptive savpling vethod for CCD sig­

, 孙雪晨士，助理研究员光学精密工程28nal [J. Infrared and Laser Engineering , 2015(50526003. (in Chinese第卷*,)： )学获得学士学位（1985 —，2008，2011），男，吉林长春人，硕

年于南京理工大

吕恒毅（1984 —），男，辽宁省庄河市人,

博士，副研究员，博士生导师年于华南农业 于大连理工大学获得学士学位大学获得硕士学位，主要从事空间遥感

年于哈尔滨工业大学获得硕士学位,

，2007，2009

年

je相机成像技术的研究t0409 163.cov$ E-vail：

@

2017年于中国科学院大学获得博士学

位，主要从事航天遥感相机成像电子学

技术等方面的研究284592423qq. cov$ E-vaih@