一种帧转移CCD高帧频开窗成像区域数据读出方法

摘要

本发明公开了一种帧转移CCD高帧频开窗成像区域数据读出方法。对于一个M行N列的帧转移CCD探测器，实现开窗成像区域p×q(行数p＜M，列数q＜N)的高帧频读出。其步骤分为：步骤1、全帧曝光；步骤2、通过垂直转移及行丢弃时序控制，将需要读出的p行有效像元转移至存储区底部；步骤3、通过存储区水平、垂直转移及行丢弃时序控制，每行读出q个有效像元后即丢弃该行剩余像元，共读出p行，总计读出p×q个有效像元；步骤4、将存储区内剩余未读出的无效行全部丢弃。本发明实现帧转移CCD的任意大小开窗成像，并且能够提高器件的成像帧频。它适用于星敏感器、光电精跟踪仪器等应用领域，实现高时间分辨率精确定位与跟踪的功能。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种CCD探测器数据读出方法，具体涉及一种帧转移CCD高 帧频开窗成像区域数据读出方法。

背景技术：

面阵帧转移CCD是光电探测领域常用的图像传感器。常用的标准信号读 出模式是将一个积分周期内所有的光生电荷都经过垂直、水平转移，最终输出 一帧完整图像。目前，帧转移CCD的面阵规模大多在256×256以上，大面阵 CCD可达到上千万像素。

然而在一些特殊应用中，比如高精度星敏感器，精跟踪光电仪器等，其观 测目标多为单独星点或信标光点，视场范围很小，并不需要用满CCD的全部 面阵范围，全面阵成像带来的冗余数据反而会造成系统数据量的负担。同时， 这类仪器对观测时间辨率的要求很高，需要能在短时间内不断地快速判断星点 或光点的小范围移动，从而实现精确定位、跟踪的功能。因此，这类仪器对于 探测器的开窗功能和高帧频性能需求十分迫切。

以往增加CCD帧频的方法主要依靠CCD自身读出速率的提高。但是由于 大多数帧转移CCD本身面阵规模大，帧周期降低十分有限。也有通过掩膜等 方式减少CCD感光区的感光行数，实现一定成像行数的高帧频读出。但是这 类方法只能在垂直方向上实现固定位置和大小开窗，仍需读出每个有效行的所 有像元，所以开窗功能和高帧频性能提升有限。

发明内容：

本发明提出了一种帧转移CCD高帧频开窗成像区域数据读出方法，解决 了帧转移CCD进行高帧频小窗模式成像的技术问题。

如图1所示，对于一个M行N列的帧转移CCD探测器，可以实现开窗成 像区域p×q(p＜M，q＜N)的高帧频读出。其步骤包括：

步骤1、全帧曝光：CCD上电正常工作后，感光区的所有M×N个像元开 始积分；

步骤2、通过垂直转移及行丢弃时序控制，将需要读出的p行有效像元转 移至存储区底部：如图2所示，积分完成后，对感光区与存储区所有像元进行 M+k次垂直转移，其中k表示开窗成像区域内最下方一行与存储区最上方一行 之间间隔的行数。M+k次转移过程中，通过对CCD的时序控制，令最后k次 转移打开丢弃沟道，前M次关闭或打开丢弃沟道对方法没有影响；本步骤完 成后，感光区最下方的k行像元在本帧成像过程中产生的电荷全部通过丢弃沟 道丢弃，而开窗成像区域内最下方一行像元产生的电荷进入存储区底端的水平 转移寄存器内；同时，CCD的感光区开始下一帧的积分，设垂直转移时钟周 期为T_v，则本步骤共耗时(M+k)×T_v；

步骤3、通过存储区水平、垂直转移及行丢弃时序控制，每行读出q个有 效像元后即丢弃该行剩余像元，共读出p行，总计读出p×q个有效像元：如图 3所示，步骤2完成后，水平转移寄存器内的电荷进行水平转移读出，转移过 程中保持丢弃沟道关闭；水平转移q次后，打开丢弃沟道，进行1次存储区垂 直转移，再关闭丢弃沟道。本步骤共重复p次，每次读出q个像元，共读出本 帧开窗成像区域内的全部p×q个有效像元，设水平转移时钟周期为T_h，则本步 骤共耗时p×q×T_h+p×T_v；

步骤4、将存储区内剩余未读出的无效行全部丢弃：如图4所示，步骤3 完成后，存储区内还剩余M-p-k行电荷。本步骤在存储区内进行M-p-k次垂直 转移，转移其间打开丢弃沟道，将这些电荷全部丢弃，本步骤共耗时(M-p-k) ×T_v。

如图5所示，步骤1-4覆盖了完整的成像帧周期。其中步骤1为全帧曝光， 其曝光时间相当于步骤3与步骤4的时间之和。前一帧的步骤3与步骤4，与 本帧成像的步骤1同时进行。

所述的帧转移CCD高帧频开窗读出方法，完成一帧读出所需的时间为：

(M+k)×T_v+p×q×T_h+p×T_v+(M-p-k)×T_v＝2M×T_v+p×q×T_h

帧转移CCD采用传统全帧(不开窗)读出所需的时间为：

2M×T_v+M×N×T_h

本发明所述的方法可将帧周期缩短(N-q)×T_h，从而提高CCD读出帧频至 传统全帧方式的倍。

本发明所述的帧转移CCD开窗方法，在垂直方向上可以实现感光区任意 位置和任意大小的开窗，而在水平方向上可以实现任意大小的开窗，但开窗位 置必须靠近读出端口一端。

有些帧转移CCD在感光区与存储区之间存在若干行过渡区域，此类CCD 采用本发明所述的方法，步骤2中垂直转移次数需要增加，增加次数为过渡行 的行数。

本发明适于小视场定位与跟踪的光电成像应用，可以与传统大范围低帧频 探测结合使用，大面阵成像进行粗跟踪定位，再切换到小窗高帧频模式对目标 光源进行精确跟踪定位。

附图说明：

附图1为帧转移CCD开窗成像示意图。

附图2为本发明步骤2示意图。

附图3为本发明步骤3示意图。

附图4为本发明步骤4示意图。

附图5为本发明时间过程示意图。

具体实施方式：

根据发明内容，本实施例基于E2V公司的帧转移CCD芯片CCD67，实现 高帧频开窗成像。

本实施例中，CCD67的感光区与存储区大小都为268×264(264行，268 列)，采用单端读出，水平转移速率设为2MHz，垂直转移速率设为1MHz，开 窗大小设为40×40。则M＝264，N＝268，p＝q＝40，T_v＝1μs，T_h＝0.5μs。开窗位 置处于感光区中段，靠近读出端口的位置，取k＝100。

CCD的驱动时序控制采用Xilinx公司的Spartan-6FPGA配合EL7457芯 片产生，图像采集使用AD公司的视频处理器AD80066实现。按照如下步骤 进行成像及像元读出：

步骤1、全帧曝光：CCD67上电正常工作后，感光区的所有268×264个像 元开始积分；

步骤2、通过垂直转移及行丢弃时序控制，将需要读出的40行有效像元转 移至存储区底部：积分完成后，对感光区与存储区所有像元进行364次垂直转 移。364次转移过程中，通过对CCD的时序控制，令最后100次转移打开丢 弃沟道，前264次关闭或打开丢弃沟道对方法没有影响。步骤2完成后，感光 区最下方的100行像元在本帧成像过程中产生的电荷全部通过丢弃沟道丢弃， 而开窗成像区域内最下方一行像元产生的电荷进入存储区底端的水平转移寄 存器内。同时，CCD的感光区开始下一帧的积分。本步骤共耗时 364×1μs＝364μs；

步骤3、通过存储区水平、垂直转移及行丢弃时序控制，每行读出40个有 效像元后即丢弃该行剩余像元，共读出40行，总计读出40×40个有效像元： 步骤2完成后，水平转移寄存器内的电荷进行水平转移读出，转移过程中保持 丢弃沟道关闭。水平转移40次后，打开丢弃沟道，进行1次存储区垂直转移， 再关闭丢弃沟道。本步骤共重复40次，每次读出40个像元，共读出本帧开窗 成像区域内的全部40×40个有效像元。本步骤共耗时40×1μs +40×40×0.5μs＝840μs；

步骤4、将存储区内剩余未读出的无效行全部丢弃：步骤3完成后，存储 区内还剩余124行电荷。本步骤在存储区内进行124次垂直转移，转移其间打 开丢弃沟道，将这些电荷全部丢弃。本步骤共耗时124×1μs＝124μs。

本实施例中，完成一帧读出所需的时间为：

364μs+840μs+124μs＝1328μs

采用同样的CCD67，相同转移速率条件下，传统全帧(不开窗)读出所 需的时间为：

2×264×1μs+268×264×0.5μs＝35904μs

本实施例中，采用本发明所述方法，将帧周期缩短了34576μs，从而提高 CCD读出帧频至传统全帧方式的27倍。