一种可增强ccd相机调制传递函数的电路的制作方法
专利名称:一种可增强ccd相机调制传递函数的电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种可增强CCD相机调制传递函数电路，包括依次连接的相关双采样电路、低通滤波器、AD转换电路，其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源相连，用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化；低通滤波器的品质因数Q>0.5，用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大，且放大后的CCD信号具有多组振铃；AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将所述低通滤波器输出的CCD信号数字化；AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点，使采样保持点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。本实用新型电路结构原理简单、成本低、通用性强，对调制传递函数的增强完全可控。
【专利说明】
一种可増强CCD相机调制传递函数的电路
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种增强C⑶相机调制传递函数调整的电路。
【背景技术】
[0002] (XD相机主要由光学机械部件、(XD、驱动电路和信号处理电路组成。成像目标通过 光学机械部件成像在CCD的光敏面上，在驱动电路所提供的驱动脉冲的作用下，CCD完成光 电荷的转换、存储、转移和读取，从而将光学信息转换为CCD电信号，信号处理电路将CCD电 信号转换为计算机可以存储、处理的数字图像信号。
[0003] 调制传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)是衡量CCD相机成像性能的 重要指标之一，其表征了CCD相机对被照目标边界的表征能力:高的调制传递函数表现在图 像上即目标有清晰的轮廓，低的调制传递函数表现在图像上即目标轮廓模糊。影响CCD相机 调制传递函数的因素有相机光学系统、CCD传感器及CCD信号处理电路。相机光学系统的调 制传递函数截止频率受前期设计及后期装配的影响，一旦装配完成后，调制传递函数在截 止频率处的值就为一确定值;CCD传感器对相机的调制传递函数有一定的影响，但是对于一 台相机来说，其影响也是一定的；CCD信号处理电路对调制传递函数的影响比较小，对于大 部分C⑶相机来说，可以忽略。
[0004] 对于一般的CCD相机，目前提高调制传递函数的手段主要基于后期图像处理的方 法，即图像的MTF增强。图像后处理的方法虽然能够在一定程度上提高图像调制度，但是往 往会导致图像其他参数的恶化，如图像信噪比，因此具有一定的局限性。 【实用新型内容】
[0005] 基于以上背景，本实用新型提供了一种可增强(XD相机调制传递函数的电路。
[0006] 本实用新型的技术方案是：
[0007] -种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特殊之处在于:它包括依次连接的相 关双采样电路、低通滤波器、AD转换电路，其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源 相连;所述相关双采样电路用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化； 所述低通滤波器的品质因数Q>〇. 5,用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大，且放 大后的CCD信号具有多组振铃;所述AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将 所述低通滤波器输出的CCD信号数字化;所述AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的 采样保持点，使采样保持点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。
[0008] 上述低通滤波器为二阶低通滤波器。
[0009] 上述二阶低通滤波器包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4;所述电阻 R1的一端与所述相关双采样电路的输出端相连，另通过电阻R2与运算放大器的同向输入端 相连;所述电阻R1和电阻R2之间还接有电容C1，电容C1的另一端接运算放大器的输出端;所 述电阻R2和运算放大器的同向输入端之间还接有电容C2,电容C2的另一端接地;所述电阻 R3的一端接运算放大器的输出端，另一端分别接电阻R4和运算放大器的反向输入端;所述 电阻R4的一端接运算放大器的反向输入端，另一端接地。
[0010]本实用新型的优点是：
[0011] 1、本实用新型可在(XD相机的光学系统及CCD传感器确定的情况下，对系统的调制 传递函数进行一定的增强，且电路结构原理简单、成本低、通用性强。由于CCD信号在通过滤 波器放大的同时会产生多组振铃，本领域技术人员往往考虑到振铃处信号不平稳，通常会 避免在振铃及其附近采样。而本实用新型却跳出常规思维，将采样保持点选择在每组振铃 中第一个振铃的极值点处，利用第一个振铃与输入CCD信号振幅线性相关的特性（即滤波器 对CCD信号的放大在振铃处是等比例放大），对放大后的CCD信号进行AD量化，得到的结果较 之原始CCD信号并未出现失真现象，在信号放大的同时确保了图像质量。
[0012] 2、本实用新型可实现CCD相机的调制传递函数的增强完全可控，根据(XD相机的使 用要求调整滤波器的品质因数Q，可方便地控制CCD相机调制传递函数的增强，且滤波器的 品质因数Q越高，调制传递函数的增强幅值越大。
[0013] 3、本实用新型可通过设置低通滤波器的带宽，对(XD信号在AD量化之前进行滤波， 能有效降低噪声，提高最终图像的信噪比。
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型的电路原理图；
[0015]图2a~2c为(XD相机对条纹靶标成像时，采用本实用新型对CCD信号处理过程的原 理示意图，其中图2a为原始(XD信号，图2b为相关双采样后的C⑶信号，图2c为经二阶滤波器 放大后的CCD信号；
[0016] 图3为振铃的最大振幅与方波振幅的关系不意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作详细说明。
[0018] CCD输出的每个像元的模拟电信号都包括三部分:复位脉冲A、复位电平B及信号电 平C，如图2a所示。其中，复位脉冲A是无效信号，复位电平B与信号电平C的差等于有效信号 的幅值。本实用新型首先采用相关双采样电路去除复位脉冲A，同时获取复位电平B与信号 电平B的差值，相关双采样电路的输出即为有效信号的电平值，如图2b所示;然后利用低通 滤波器对相关双采样电路输出的有效信号进行放大，同时信号在通过低通滤波器后会产生 多组振铃，图2c中仅示意出三组振铃Z1、Z2和Z3,且每组有两个振铃；最后对放大后的有效 信号进行AD量化获得每一个像元的灰度值，在AD量化时使采样点落在每组振铃中第一个振 铃的峰(谷)处，如图2c中所示的Z11、Z21和Z31处。
[0019]基于上述原理，本实用新型所提供的可增强CCD相机调制传递函数的电路如图1所 示，它包括依次连接的相关双采样电路、低通滤波器和AD转换电路;其中，相关双采样电路 的输入端与原始CCD信号源相连，用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离 散化;低通滤波器的品质因数Q>〇.5,用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大，且放 大后的CCD信号具有多组振铃;AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将低通 滤波器输出的CCD信号数字化;AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点，使 采样保持点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。
[0020] 上述低通滤波器可采用二阶低通滤波器，本实用新型采用的二阶低通滤波器包括 运算放大器、电阻則、1?2、1?、1?4，电容(：1工2。电阻1?1的一端接相关双采样电路的输出端，另 一端分别接电容C1和电阻R2;电容C1的另一端接运算放大器的输出端；电阻R2的另一端分 别接运算放大器的同向输入端和电容C2;电容C2的另一端接地;电阻R4的一端接地，另一端 接运算放大器的反向输入端；电阻R3的一端接运算放大器的反向输入端，另一端分别接运 算放大器的输出端和电阻R4。
[0021] 下面以CCD相机对黑白条纹靶标进行成像为例，具体说明本实用新型对调制传递 函数的增强效果。
[0022] 如果CCD相机对黑白条纹靶标进行成像，条纹靶标的空间频率为相机的极限截止 频率，条纹靶标的像与(XD像元尺寸相当，在经过精确对准后，获取的图像也为黑白条纹。通 过黑白条纹的灰度就可以计算得到相机的对比度传递函数（CTF，Contrast Transfer Function)，
·0Ν为灰度值）。将对比度传递函数CTF进行傅里 叶展开即可获得相机的调制传递函数MTF，在不考虑傅里叶展开高次项的情况下有调制传 递函数
。由于最终图像的灰度实际上是每一个像元信号在AD量化后的 结果，故相机的对比度传递函数CTF也可以利用信号电平进行计算，因此在没有经过滤波器 放大处理时相机的对比度传递函数
[0023]本实用新型在信号AD量化之前设置一个品质因数Q>0.5的二阶低通滤波器，C⑶信 号(方波信号)在通过滤波器后会产生振铃，如图3所示，每组振铃的第一个振铃幅值与方波 振幅之间的关系为2
' AVI为方波振幅，AV1=V1_V2。调整 AD量化的采样点，令其落在每组振铃的第一个振铃的峰(谷)处(如图2c中所示Z11、Z21、Z31 处），这样相机的对比度传递函数
。可以看出，在这种情况下，相
机的CTF提升量为
，相应的，调制传递函数MTF的提升量为 s调整滤 波器的品质因数Q，就能够获得不同的调制传递函数MTF增强效果。
【主权项】
1. 一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于:包括依次连接的相关双采样 电路、低通滤波器、AD转换电路，其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源相连； 所述相关双采样电路用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化； 所述低通滤波器的品质因数Q>〇. 5,用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大， 且放大后的CCD信号具有多组振铃； 所述AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将所述低通滤波器输出的 CCD信号数字化;所述AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点，使采样保持 点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。2. 根据权利要求1所述的一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于:所述 低通滤波器为二阶低通滤波器。3. 根据权利要求2所述的一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于:所述 二阶低通滤波器包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4;所述电阻R1的一端与所 述相关双采样电路的输出端相连，另通过电阻R2与运算放大器的同向输入端相连;所述电 阻R1和电阻R2之间还接有电容C1，电容C1的另一端接运算放大器的输出端;所述电阻R2和 运算放大器的同向输入端之间还接有电容C2，电容C2的另一端接地;所述电阻R3的一端接 运算放大器的输出端，另一端分别接电阻R4和运算放大器的反向输入端;所述电阻R4的一 端接运算放大器的反向输入端，另一端接地。
【文档编号】H04N5/217GK205726005SQ201620388660
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张健, 徐哲, 赵燕, 李爱玲, 白喆
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
【专利摘要】本实用新型提供了一种可增强CCD相机调制传递函数电路，包括依次连接的相关双采样电路、低通滤波器、AD转换电路，其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源相连，用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化；低通滤波器的品质因数Q>0.5，用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大，且放大后的CCD信号具有多组振铃；AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将所述低通滤波器输出的CCD信号数字化；AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点，使采样保持点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。本实用新型电路结构原理简单、成本低、通用性强，对调制传递函数的增强完全可控。
【专利说明】
一种可増强CCD相机调制传递函数的电路
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种增强C⑶相机调制传递函数调整的电路。
【背景技术】
[0002] (XD相机主要由光学机械部件、(XD、驱动电路和信号处理电路组成。成像目标通过 光学机械部件成像在CCD的光敏面上，在驱动电路所提供的驱动脉冲的作用下，CCD完成光 电荷的转换、存储、转移和读取，从而将光学信息转换为CCD电信号，信号处理电路将CCD电 信号转换为计算机可以存储、处理的数字图像信号。
[0003] 调制传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)是衡量CCD相机成像性能的 重要指标之一，其表征了CCD相机对被照目标边界的表征能力:高的调制传递函数表现在图 像上即目标有清晰的轮廓，低的调制传递函数表现在图像上即目标轮廓模糊。影响CCD相机 调制传递函数的因素有相机光学系统、CCD传感器及CCD信号处理电路。相机光学系统的调 制传递函数截止频率受前期设计及后期装配的影响，一旦装配完成后，调制传递函数在截 止频率处的值就为一确定值;CCD传感器对相机的调制传递函数有一定的影响，但是对于一 台相机来说，其影响也是一定的；CCD信号处理电路对调制传递函数的影响比较小，对于大 部分C⑶相机来说，可以忽略。
[0004] 对于一般的CCD相机，目前提高调制传递函数的手段主要基于后期图像处理的方 法，即图像的MTF增强。图像后处理的方法虽然能够在一定程度上提高图像调制度，但是往 往会导致图像其他参数的恶化，如图像信噪比，因此具有一定的局限性。 【实用新型内容】
[0005] 基于以上背景，本实用新型提供了一种可增强(XD相机调制传递函数的电路。
[0006] 本实用新型的技术方案是：
[0007] -种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特殊之处在于:它包括依次连接的相 关双采样电路、低通滤波器、AD转换电路，其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源 相连;所述相关双采样电路用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化； 所述低通滤波器的品质因数Q>〇. 5,用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大，且放 大后的CCD信号具有多组振铃;所述AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将 所述低通滤波器输出的CCD信号数字化;所述AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的 采样保持点，使采样保持点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。
[0008] 上述低通滤波器为二阶低通滤波器。
[0009] 上述二阶低通滤波器包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4;所述电阻 R1的一端与所述相关双采样电路的输出端相连，另通过电阻R2与运算放大器的同向输入端 相连;所述电阻R1和电阻R2之间还接有电容C1，电容C1的另一端接运算放大器的输出端;所 述电阻R2和运算放大器的同向输入端之间还接有电容C2,电容C2的另一端接地;所述电阻 R3的一端接运算放大器的输出端，另一端分别接电阻R4和运算放大器的反向输入端;所述 电阻R4的一端接运算放大器的反向输入端，另一端接地。
[0010]本实用新型的优点是：
[0011] 1、本实用新型可在(XD相机的光学系统及CCD传感器确定的情况下，对系统的调制 传递函数进行一定的增强，且电路结构原理简单、成本低、通用性强。由于CCD信号在通过滤 波器放大的同时会产生多组振铃，本领域技术人员往往考虑到振铃处信号不平稳，通常会 避免在振铃及其附近采样。而本实用新型却跳出常规思维，将采样保持点选择在每组振铃 中第一个振铃的极值点处，利用第一个振铃与输入CCD信号振幅线性相关的特性（即滤波器 对CCD信号的放大在振铃处是等比例放大），对放大后的CCD信号进行AD量化，得到的结果较 之原始CCD信号并未出现失真现象，在信号放大的同时确保了图像质量。
[0012] 2、本实用新型可实现CCD相机的调制传递函数的增强完全可控，根据(XD相机的使 用要求调整滤波器的品质因数Q，可方便地控制CCD相机调制传递函数的增强，且滤波器的 品质因数Q越高，调制传递函数的增强幅值越大。
[0013] 3、本实用新型可通过设置低通滤波器的带宽，对(XD信号在AD量化之前进行滤波， 能有效降低噪声，提高最终图像的信噪比。
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型的电路原理图；
[0015]图2a~2c为(XD相机对条纹靶标成像时，采用本实用新型对CCD信号处理过程的原 理示意图，其中图2a为原始(XD信号，图2b为相关双采样后的C⑶信号，图2c为经二阶滤波器 放大后的CCD信号；
[0016] 图3为振铃的最大振幅与方波振幅的关系不意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作详细说明。
[0018] CCD输出的每个像元的模拟电信号都包括三部分:复位脉冲A、复位电平B及信号电 平C，如图2a所示。其中，复位脉冲A是无效信号，复位电平B与信号电平C的差等于有效信号 的幅值。本实用新型首先采用相关双采样电路去除复位脉冲A，同时获取复位电平B与信号 电平B的差值，相关双采样电路的输出即为有效信号的电平值，如图2b所示;然后利用低通 滤波器对相关双采样电路输出的有效信号进行放大，同时信号在通过低通滤波器后会产生 多组振铃，图2c中仅示意出三组振铃Z1、Z2和Z3,且每组有两个振铃；最后对放大后的有效 信号进行AD量化获得每一个像元的灰度值，在AD量化时使采样点落在每组振铃中第一个振 铃的峰(谷)处，如图2c中所示的Z11、Z21和Z31处。
[0019]基于上述原理，本实用新型所提供的可增强CCD相机调制传递函数的电路如图1所 示，它包括依次连接的相关双采样电路、低通滤波器和AD转换电路;其中，相关双采样电路 的输入端与原始CCD信号源相连，用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离 散化;低通滤波器的品质因数Q>〇.5,用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大，且放 大后的CCD信号具有多组振铃;AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将低通 滤波器输出的CCD信号数字化;AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点，使 采样保持点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。
[0020] 上述低通滤波器可采用二阶低通滤波器，本实用新型采用的二阶低通滤波器包括 运算放大器、电阻則、1?2、1?、1?4，电容(：1工2。电阻1?1的一端接相关双采样电路的输出端，另 一端分别接电容C1和电阻R2;电容C1的另一端接运算放大器的输出端；电阻R2的另一端分 别接运算放大器的同向输入端和电容C2;电容C2的另一端接地;电阻R4的一端接地，另一端 接运算放大器的反向输入端；电阻R3的一端接运算放大器的反向输入端，另一端分别接运 算放大器的输出端和电阻R4。
[0021] 下面以CCD相机对黑白条纹靶标进行成像为例，具体说明本实用新型对调制传递 函数的增强效果。
[0022] 如果CCD相机对黑白条纹靶标进行成像，条纹靶标的空间频率为相机的极限截止 频率，条纹靶标的像与(XD像元尺寸相当，在经过精确对准后，获取的图像也为黑白条纹。通 过黑白条纹的灰度就可以计算得到相机的对比度传递函数（CTF，Contrast Transfer Function)，
·0Ν为灰度值）。将对比度传递函数CTF进行傅里 叶展开即可获得相机的调制传递函数MTF，在不考虑傅里叶展开高次项的情况下有调制传 递函数
。由于最终图像的灰度实际上是每一个像元信号在AD量化后的 结果，故相机的对比度传递函数CTF也可以利用信号电平进行计算，因此在没有经过滤波器 放大处理时相机的对比度传递函数
[0023]本实用新型在信号AD量化之前设置一个品质因数Q>0.5的二阶低通滤波器，C⑶信 号(方波信号)在通过滤波器后会产生振铃，如图3所示，每组振铃的第一个振铃幅值与方波 振幅之间的关系为2
' AVI为方波振幅，AV1=V1_V2。调整 AD量化的采样点，令其落在每组振铃的第一个振铃的峰(谷)处(如图2c中所示Z11、Z21、Z31 处），这样相机的对比度传递函数
。可以看出，在这种情况下，相
机的CTF提升量为
，相应的，调制传递函数MTF的提升量为 s调整滤 波器的品质因数Q，就能够获得不同的调制传递函数MTF增强效果。
【主权项】
1. 一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于:包括依次连接的相关双采样 电路、低通滤波器、AD转换电路，其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源相连； 所述相关双采样电路用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化； 所述低通滤波器的品质因数Q>〇. 5,用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大， 且放大后的CCD信号具有多组振铃； 所述AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将所述低通滤波器输出的 CCD信号数字化;所述AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点，使采样保持 点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。2. 根据权利要求1所述的一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于:所述 低通滤波器为二阶低通滤波器。3. 根据权利要求2所述的一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于:所述 二阶低通滤波器包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4;所述电阻R1的一端与所 述相关双采样电路的输出端相连，另通过电阻R2与运算放大器的同向输入端相连;所述电 阻R1和电阻R2之间还接有电容C1，电容C1的另一端接运算放大器的输出端;所述电阻R2和 运算放大器的同向输入端之间还接有电容C2，电容C2的另一端接地;所述电阻R3的一端接 运算放大器的输出端，另一端分别接电阻R4和运算放大器的反向输入端;所述电阻R4的一 端接运算放大器的反向输入端，另一端接地。
【文档编号】H04N5/217GK205726005SQ201620388660
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张健, 徐哲, 赵燕, 李爱玲, 白喆
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
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