高速星光摄像机的研制及实时图像信息处理算法的设计

摘要

本论文研究的是星光/惯性组合导航技术中星光摄像机的设计技术。本论文的主要工作包括星光摄像机硬件平台的设计和实时图像压缩算法的设计。硬件平台的设计主要包括：针对星体微光探测的要求，采用高帧频、带电子倍增的图像传感器设计了高速星光摄像机电路处理系统，并设计了摄像机机械结构，对结构进行了热仿真，对机械结构进行了优化；实时图像处理压缩算法的设计主要包括算法的设计开发及仿真。
　　 本文分为七章：
　　 第一章阐述了星光摄像机的组成与工作原理，介绍了其主要的技术指标、发展现状及应用，提出了本课题的研究内容和研究意义．
　　 第二章介绍了EMCCD图像传感器内部独特的电子倍增结构，详细分析了CCD97的工作时序和工作原理，在此基础上设计了针对该CCD的直流偏置电路、时序逻辑和时序驱动电路，并针对CCD输出模拟信号设计了射极跟随放大电路．
　　 第三章分析了EMCCD的噪声来源，针对噪声提出了抑制噪声的方法，特别的提出了利用高速ADC实现数字相关多采用的方法，在此基础之上，设计了高速图像处理电路系统，并对高速数字部分电路进行了信号完整的分析和仿真。
　　 第四章设计了摄像机的关键机械结构，并根据正常工作时的发热情况对结构进行了热仿真，分析得到了影响系统导热和散热的因素，并对结构进行了优化。
　　 第五章重点介绍了JPEG压缩标准，并选用该压缩方法设计了针对星光摄像机的实时图像压缩算法，并用matlab软件进行了仿真实验。
　　 第六章对所设计的CCD驱动时序波形和模拟输出信号波形进行了测试，得到了符合CCD要求的波形，验证了电路设计的正确性。
　　 第七章对全文进行了扼要的总结，并提出了进一步的研究内容。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 星光摄像机概述

1.1.1 星光摄像机组成与工作原理

1.1.2 星光摄像机主要技术参数

1.2 星光摄像机发展与研究现状

1.2.1 星光摄像机的发展历程

1.2.2 星光摄像机研究现状

1.3 星光摄像机的应用

1.4 本课题的研究内容

1.5 本课题研究意义

第二章 高速星光摄像机图像传感器与驱动时序电路设计

2.1 驱动电路板硬件系统

2.2 EMCCD97图像传感器简介

2.2.1 EMCCD工作原理简介

2.2.2 CCD97主要性能介绍

2.2.3 CCD驱动时序分析

2.3 CCD驱动时序电路的设计

2.3.1 偏置电压电路的设计

2.3.2 CCD驱动时序电路的设计

2.3.3 驱动电路的设计

2.3.4 驱动部分功耗计算

2.4 CCD输出电路设计

第三章 高速星光摄像机图像处理系统设计与分析

3.1 EMCCD输出信号噪声与处理方法分析

3.1.1 EMCCD输出信号噪声分析

3.1.2 EMCCD噪声处理方法分析

3.2 高速数字摄像机图像处理系统硬件电路设计

3.2.1 图像处理电路功能框图设计

3.2.2 ADC转换电路设计

3.2.3 系统时钟电路设计

3.2.4 图像信息数字处理电路设计

3.2.5 图像处理电路板层次结构设计

3.3 图像处理部分电源设计

3.4 高速数字信号信号完整性的分析与设计

3.4.1 传输线理论

3.4.2 Hyperlynx仿真平台与IBIS仿真模型简介

3.4.3 高速LVDS接口信号完整性仿真

3.4.4 高速串行VLYNQ接口信号完整性仿真

3.4.5 DDR2 400信号完整性仿真

第四章 高速星光摄像机机械结构设计与热仿真分析

4.1 摄像机机械结构设计

4.1.1 设计材料的选择

4.1.2 摄像机结构初步设计及组成部件设计

4.2 温度控制电路设计

4.3 高速星光摄像机热仿真

4.3.1 摄像机重要发热源分析

4.3.2 驱动电路板热仿真

4.3.3 驱动部分结构热仿真

4.3.4 摄像机整体结构热仿真

4.4 仿真结果分析与结构优化

4.4.1 散热性能影响因素分析

4.4.2 机械结构优化设计

第五章 实时图像压缩算法初步研究

5.1 基JPEG压缩标准的基本系统算法模块

5.1.1 JPEG图像压缩标准概述

5.1.2 JPEG压缩标准系统算法模块构成

5.2 基于JPEG压缩标准算法的MATLAB实现

5.2.1 JPEG压缩标准性能评价

5.2.2 JPEG压缩算法的MATLAB实现

第六章 摄像机硬件电路测试实验

6.1 CCD驱动时序实验验证

6.2 CCD输出模拟信号实验验证

6.3 ADC电路设计验证

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的科研成果