专利名称：线阵ccd光积分时间自适应控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对线阵CCD光积分时间进行自适应控制的方法及装置。
背景技术：
CCD在非接触测量、图像传感及储存等方面应用广泛。线阵CCD具有像元数多、像元尺寸小、速度快、拼接技术成熟、测量精度高、价格低等特点。如日本东芝公司生产的TCD1500C，有效像元数为5340，像元尺寸7μm×7μm，最大工作频率20MHz。由于上述特点，线阵CCD很容易实现一维尺寸的高精度测量和定位。
实际测量系统中，图像的动态范围与CCD动态范围匹配与否将对系统的测量精度产生很大的影响。在光积分时间一定的条件下，若光照强度过强会导致光敏单元积分电荷饱和溢出，进而导致CCD输出信号失真；若光照强度过小，将导致CCD输出信号的信噪比较小，不利于有效信号的提取。现有技术虽然对这一问题在一定程度上有所解决，但均存在自身的不足。在动态、实时测量中，由于目标或背景的发光强度随机变化且往往无法加以有效控制，同时允许测量的时间较短，因而现有技术难以适应动态、实时测量的要求。同时，当系统要求CCD的输出信号较好的反映原始图像信息时，现有技术也难以满足要求。
在申请号为01116570.7，发明人为邓中翰等人的专利中公开了一种在光积分时间一定的曝光周期内对每一个像元进行多次采样，以判断该像元的饱和度。一旦判定该像元的输出信号已达到最佳饱和上限，则存储此时的信号值，来自该像元的后继数字图象信号就不在进行记录。该发明虽然在一定程度上实现了光积分时间的调节，但是也存在许多明显的不足，具体如下1该发明由于采用的是在光积分时间一定的曝光周期内对像元输出信号进行多次采样的调节方式，因而光积分时间调节范围有限，最大不超过该曝光周期给定的光积分时间。这一给定的光积分时间是不可随目标或环境发光强度的变化而自动加以控制的，因而当图像动态范围较大时该发明将不再适用；2该发明由于曝光周期的光积分时间一定，因而只能对一个曝光周期内曝光过度进行有效调节，而对曝光不足则不起作用；3该发明要对每一像元或每一个区域都进行饱和度判断，锁存最佳曝光时的信号，将每一像元的输出幅值均控制在临近饱和的水平。由于同一CCD中每一个像元的饱和值相同，因而该方法易导致CCD输出信号严重的失真，无法反映原始图像的信息；4该发明由于要对每一个像元进行饱和度判断，这必将导致硬件电路复杂，且对硬件处理速度有较高的要求。授予Degi等人的美国专利第5,479,207号公开了一种通过插入转移脉冲个数来控制线阵CCD光积分时间的方法，但是该发明并未涉及如何根据目标及背景发光强度的变化对光积分时间进行自动、快速的调节。该发明是通过对一预先选定的参照目标进行曝光，手动调节光积分时间直到输出信号的幅值达到预期的要求，此时的光积分时间既为系统光积分时间的标定值，系统在此后的工作过程中该标定值保持不变。该发明存在以下弊端1)光积分时间在系统正常工作前根据参照目标的光照强度预先标定，并在此后的工作过程中光积分时间保持不变，因而该系统在工作过程中不能根据目标或背景发光照强度的改变自动调节光积分时间；2)预先标定光积分时间必将延缓系统的反应速度，使系统不能满足实时测量的要求；3)用于光积分时间标定的目标发光强度应当与实际测量目标相匹配，否则所设定的曝光时间将不准确，不能达到优化CCD输出信号的目的。因而当目标发光强度随机变化时，将无法选定合适发光强度的参照目标进行光积分时间的标定，从而无法达到预期的目的。
申请号为00106442.8，发明人为陈琰成的专利中公开了一种通过控制电源对照明装置的供电时间来控制光敏单元光积分时间的方法。该方法的局限性在于由于采用了控制目标发光时间来控制光敏单元的光积分时间的方法，因而当测量对象的发光时间无法控制时，则不适用。
发明内容
本发明解决了背景技术在动态、实时测量中，当目标或背景的发光强度随机变化、且无法加以有效控制，同时允许测量时间较短时将不再适用的技术问题。
本发明的技术解决方案是其特殊之处在于上述一种线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于该方法包括1]根据线阵CCD输出信号的相关参数，估算出线阵CCD所对应的光积分时间；2]利用估算出的光积分时间，控制线阵CCD驱动时序发生器，产生线阵CCD正常工作所需的驱动脉冲序列，所述的驱动脉冲序列包括积分脉冲序列、转移脉冲序列及复位脉冲序列；3]线阵CCD在驱动脉冲序列驱动下输出光积分时间经过调节的信号，将该信号经预处理后，通过计算再次提取线阵CCD输出信号的相关参数；4]将所提取的线阵CCD输出信号的相关参数与预先设定的阈值进行比较，当超出阈值范围时，经1]、2]、3]对光积分时间再次进行调节，直到参数值落入预先设定的阈值范围；5]光积分时间的自动调节完成。
2根据权利要求1所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述的光积分时间的估算是通过A/D转换单元及一片复杂可编程逻辑器件器件(CPLD)实现；所述的控制线阵CCD驱动时序发生器是通过一片复杂可编程逻辑器件器件(CPLD)中实现。
3根据权利要求1或2所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述的产生线阵CCD正常工作所需的驱动脉冲序列由CCD所需的各路信号均通过在光积分时间控制下对输入时钟进行计数、分频产生；所述的计数、分频采用一个主计数器，当计数器的值到达光积分时间指定值后，一帧结束，将各路信号复位，并接收新的积分时间，开始新的一帧信号的产生。
4根据权利要求3所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述的线阵CCD输出信号的相关参数为CCD输出信号的幅值、或与该幅值所对应的光积分时间、或CCD输出信号二值化后获得的方波信号宽度。
5根据权利要求4所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述的CCD输出信号二值化是将CCD输出信号[101、102、103]与阈值电平[104]比较；所述线阵CCD输出信号的相关参数的计算由处理器完成，该处理器为微机、单片机、DSP或CPLD器件。
6根据权利要求4所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述提取线阵CCD输出信号的相关参数是利用当阈值电平104一定时、在不同的光积分时间下，CCD输出信号经过二值化处理后所获得的方波将对应不同的宽度，积分时间长则宽度宽，积分时间短则宽度窄特性，根据已知的方波宽度值及其所对应光积分时间，估算出使方波宽度值达到预期范围所对应的光积分时间。
7根据权利要求6所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述将所提取的线阵CCD输出信号的相关参数与预先设定的阈值进行比较线阵CCD输出信号的相关参数是方波的宽度，将该方波的宽度与预先设定的宽度阈值比较1]当方波宽度小于阈值下限108时(如方波105)，给定步长，按给定的步长增加光积分时间；2]当输出信号对应的方波宽度大于上限宽度109时(如方波107)，则按给定步长减小光积分时间；3]直到当输出信号对应的方波宽度介于上、下限宽度109、108之间时(如方波106)，光积分时间不变。
8根据权利要求7所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述方波的宽度是由单片机403从数据锁存器402中提取；所述的方波宽度小于阈值下限108时(如方波105)，按给定的步长增加光积分时间，是通过单片机403将该宽度值与预先设置的门限宽度下限进行比较后，通过查表计算，按一定的步长增加积分时间并送数据锁存器402存储；所述的方波宽度大于阈值上限109时(如方波105)，按给定的步长减小光积分时间，是通过单片机403将该宽度值与预先设置的门限宽度上限进行比较后，通过查表计算，按一定的步长减小光积分时间并送数据锁存器402存储；所述的输出信号对应的方波宽度介于上、下限宽度109、108之间时(如方波106)，光积分时间不变，是通过单片机403将该宽度值与预先设置的门限宽度上限进行比较后确定，并经数据锁存器402输出。
9根据权利要求6所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述将所提取的线阵CCD输出信号的相关参数与预先设定的阈值进行比较包括1]对系统预置初始光积分时间，使CCD驱动时序发生器704产生线阵CCD芯片201正常工作所需的驱动脉冲序列，开始正常工作；2]光积分时间计算单元702顺序读取经过信号预处理及A/D转换单元701预先处理并数字化后的信号705；3]光积分时间计算单元702对步骤902中顺序读取的数字信号进行判断。一旦发现某一像元的输出信号幅值大于预先设定的阈值上限，则停止步骤903进行步骤904。如果CCD一帧的输出信号幅值全部低于阈值下限，则锁存本帧输出信号的最大幅值进入步骤905；4]将系统光积分时间设置为最小，使CCD驱动时序发生器704产生具有新的光积分时间的CCD驱动脉冲序列，线阵CCD芯片201在该驱动脉冲序列的作用下输出新的信号；5]积分时间计算单元702对步骤903中锁存的最大幅度值与预先设定的阈值下限进行比较，当上述最大幅值大于阈值下限时，则表明积分时间合适不必调节，进入步骤907，否则，进入步骤906；6]进行光积分时间计算；7]至光积分时间不变，保持光积分时间；
8]将新的光积分时间回送到CCD驱动时序发生器704，产生具有新的光积分时间的线阵CCD驱动脉冲序列，驱动线阵CCD芯片201开始一个新的光积分周期。
10一种实现上述线阵CCD光积分时间自适应控制方法的装置，其特征在于它包括CCD驱动时序发生器204，所述CCD驱动时序发生器204的输出端接线阵CCD芯片20 1的输入端；所述线阵CCD芯片201的输出端接CCD输出信号预处理单元202的输入端；所述CCD输出信号预处理单元202的输出端接光积分时间计算单元203的输入端；所述光积分时间计算单元203的输出端接CCD驱动时序发生器204的输入端。
11根据权利要求10所述的线阵CCD光积分时间自适应控制装置，其特征在于所述的CCD输出信号预处理单元包括[202内部结构框图]采样保持器301、低通滤波器302、运算放大器303、比较器304，阈值电平调节单元305。
12根据权利要求9或10所述的线阵CCD光积分时间自适应控制装置，其特征在于所述的光积分时间计算单元包括[203的内部结构]计数单元401接于单片机403的I/O端，数据锁存器402接于单片机403的I/O端；计数单元401计数输出端接数据锁存器402数据输入端；13根据权利要求11所述的线阵CCD光积分时间自适应控制装置，其特征在于所述的A/D转换单元包括所述的CCD输出信号预处理单元202为CCD信号预处理及A/D转换单元701；所述的光积分时间计算单元203为光积分时间计算模块702；所述的CCD驱动时序发生器204为CCD驱动时序发生器704；信号预处理及A/D转换单元控制信号发生器703所产生的控制信号707的作用下，对信号806进行相关双采样、A/D变换等处理。相关双采样模块803对输入信号806进行相关双采样处理获得噪声得到进一步抑制的信号807；信号807经过A/D转换模块804变换为数字信号705输出。在本实施例中采用TI公司生产的单片集成的CCD前端信号预处理芯片TLC8188完成相关双采样和A/D转换处理。
本发明具有以下优点本发明给出了一种全新的光积分时间自动调节方法。该方法可使线阵CCD光积分时间随环境及目标发光强度的变化而自动得以调节，从而使线阵CCD测量系统在动态、实时测量中当目标或背景的发光强度无法加以有效控制的条件下使其输出信号得以优化。
1本发明利用“线阵CCD光积分时间与线阵CCD输出信号幅值在一定范围内成正比”这一关系，通过控制线阵CCD的光积分时间来对线阵CCD输出信号加以优化，从而克服了现有技术在目标及背景发光强度不可控的条件下不能有效工作的缺陷；2本发明根据目标及背景发光强度的变化，通过一定的算法实时的计算出合适的光积分时间，并利用新的光积分时间对系统加以控制，从而可以使系统能自动地快速适应环境以及目标的变化，克服了现有技术无法适应快速实时测量的要求；3本发明对各像元所对应的输出信号幅值均按同一比例进行调节，从而即保证输出的图像信号有较高的信噪比又保证图像不失真，克服了现有技术可能会导致图像失真的缺陷；4本发明可根据测量要求对光积分时间进行大范围的自动调节，从而使系统能够适应目标及背景发光强度大范围的变化，克服了现有技术光积分时间调节范围小的缺点。
综上所述，本发明可以使线阵CCD测量系统在动态、实时测量中，当目标及背景发光强度随机大范围变化且无法加以有效控制、同时允许测量时间较短时，仍可确保能进行高速、准确测量。
图1为本发明实施例一中的光积分时间调节原理图；图2为本发明第一实施例的系统组成方框示意图；图3为本发明第一实施例中CCD输出信号预处理单元202内部结构框图；图4为本发明第一实施例中光积分时间计算单元203内部结构框图；图5为线阵CCD芯片201正常工作所需的驱动脉冲序列图；
图6为本发明第一实施例中的光积分时间自动调节流程图；图7为本发明第二实施例的系统组成方框示意图；图8为本发明实施例二中CCD输出信号预处理及A/D转换单元内部结构框图；图9为本发明第二实施例中的光积分时间自动控制流程图；图10(a)为线阵CCD未经光积分时间调节、过度曝光时的输出的图像；图10(b)为线阵CCD未经光积分时间调节、曝光不足时的输出图像；图10(c)为线阵CCD经过光积分时间调节后的输出图像。
具体实施例方式
本发明利用光照强度一定时，线阵CCD输出信号的幅值与光积分时间在一定范围内成正比这一关系，根据CCD输出信号的幅值或与幅值直接相关的参数及其所对应的光积分时间，如对CCD输出信号二值化后获得的方波信号的宽度等，估算出所期望的线阵CCD输出信号参数值所对应的光积分时间。利用估算出的新的光积分时间控制线阵CCD驱动时序发生器产生线阵CCD正常工作所需的积分脉冲序列、转移脉冲序列、复位脉冲序列。线阵CCD在上述驱动脉冲序列控制下输出光积分时间经过调节的信号，将新输出的信号进行预处理后通过一定的算法再次提取上述参数值。将所提取的参数值与预先设定的阈值进行比较，当超出阈值范围时，则需对光积分时间再次进行上述调节，直到上述参数值落入阈值范围内。通过上述方法可实现根据目标或背景发光强度的变化自动调节光积分时间。光积分时间的计算由处理器完成，该处理器器可以是微机、单片机、DSP，也可以通过对CPLD器件编程获得。
图1是本发明实施例一的光积分时间自适应控制原理图。当目标光照强度一定时，线阵CCD输出信号幅值在一定范围内与光积分时间成正比。系统以这一特性作为线阵CCD光积分时间自适应控制的理论依据。线阵CCD的输出信号101、102、103所对应的光积分时间依次减小。通过与阈值电平104比较对线阵CCD输出信号101、102、103进行二值化处理，经二值化处理后其对应的波形分别为107、106、105。当阈值电平104一定时、在不同的光积分时间下，CCD输出信号经过二值化处理后所获得的方波将对应不同的宽度，积分时间长则宽度宽，反之亦然。利用上述光积分时间、线阵CCD输出信号幅值以及二值化后其对应的方波宽度间的关系，可根据已知的方波宽度值及其所对应光积分时间估算出要使方波宽度值达到预期范围所对应的光积分时间，从而实现对光积分时间的自适应控制。具体实现方法为系统启动时线阵CCD在具有预置光积分时间的驱动脉冲序列的作用下开始工作，将线阵CCD的输出信号进行二值化处理，获得具有一定宽度的方波信号。将该方波的宽度与预先设定的宽度阈值比较，当方波宽度小于阈值下限108时(如方波105)，则按一定的步长增加光积分时间；当输出信号对应的方波宽度大于上限宽度109时(如方波107)，则按一定的步长减小光积分时间；当输出信号对应的方波宽度介于上、下限宽度109、108之间时(如方波106)，光积分时间不变。将新的光积分时间送入线阵CCD驱动时序发生器，线阵CCD在具有新的光积分时间的驱动脉冲序列的作用下输出新的信号，对新的输出信号再做上述处理直到将方波宽度控制在阈值范围内，从而使线阵CCD光积分时间得以自适应控制。
图2为本发明实施例一的系统组成方框示意图。线阵CCD芯片201在CCD驱动时序发生器204所产生的驱动脉冲序列信号208的作用下将图像信号转换为电信号205输出，见图5；信号205进入CCD输出信号预处理单元202，经过采样保持、降噪、放大、二值化处理后获得信噪比满足光积分时间计算单元203要求的方波信号206；光积分时间计算单元203对输入方波信号206的宽度进行判断，若方波宽度超出预先设定的阈值范围，则光积分时间计算单元203利用查表算法按照一定的步长改变光积分时间并以信号207输出；CCD驱动时序发生器204在光积分时间信号207的控制下产生CCD芯片201正常工作所需的各驱动信号208驱动CCD芯片201工作，直至CCD芯片201的输出信号满足设计要求。
图3为CCD输出信号预处理单元202内部结构框图。线阵CCD芯片201的输出信号205依次进入由采样保持器301、低通滤波器302、运算放大器303所构成的模拟信号预处理单元，经过采样保持、降噪、放大处理后，获得信噪比得以提高的模拟信号307，信号307送入比较器304，与通过阈值电平调节单元305设置的比较电平309进行比较，对线阵CCD输出的模拟信号进行如图1所示的二值化处理。经过二值化处理后，CCD输出的模拟信号205转变成具有一定宽度值的方波信号206从本单元输出并进入光积分时间计算单元203。
图4为光积分时间计算单元203的内部结构。CCD输出信号预处理单元202的输出信号206进入计数单元401，该单元在单片机403发出的控制信号408的控制下对输入的方波信号206进行计数，当方波信号的上升沿到来时启动计数器，当方波信号的下降沿到来时停止计数，此时的计数值即位方波宽度值。计数结束后，单片机403经由信号407控制数据锁存器402锁存计数单元401输出的方波宽度值信号405；同时单片机经信号407提取数据锁存器402中锁存的方波信号宽度值，并通过查表计算出新的光积分时间。新的光积分时间经由信号207进入CCD驱动时序发生器204，在其控制下产生线阵CCD芯片201正常工作所需的驱动信号208，如图5所示。
图5为线阵CCD芯片201正常工作所需的各驱动脉冲的波形及相互间的关系。其中ΦSH为光积分脉冲序列501，用以控制光积分时间的长短；Φ1为转移脉冲序列502，用以将积分电荷从移位寄存器中串行移出；ΦRS为复位脉冲序列503，用以对线阵CCD芯片201的各光敏单元进行复位。结合ΦSH、Φ1、ΦRS间的相位关系，通过ΦSH控制Φ1的产生即可实现光积分时间可控的CCD驱动脉冲序列。
光积分时间可控的线阵CCD驱动脉冲序列实现的具体方法为在光积分时间计算单元203提供的光积分时间207的控制下，CCD时序逻辑发生器204产生光积分脉冲序列501，同时光积分脉冲序列501控制转移脉冲序列502的产生。当光积分脉冲序列501为高电平时，转移脉冲序列502停止工作并保持在高电平；当光积分脉冲序列501的下降沿到来时，转移脉冲序列502按给定的相位关系和频率开始工作，直到光积分脉冲序列501上升沿到来时停止工作。复位脉冲序列503始终以相对转移脉冲序列502固定的频率和相位工作，不受光积分脉冲序列501的影响。通过上述方法可以实现积分时间可控的线阵CCD驱动脉冲序列。
图6为本发明实施例一中的光积分时间自动调节流程图。
步骤601单片机403提取数据锁存器402锁存的方波宽度值；步骤602单片机403将该宽度值与预先设置的门限宽度上限进行比较。当宽度大于阈值上限则执行步骤603，否则执行步骤604；步骤603单片机403通过查表计算，按一定的步长减小积分时间；步骤604单片机403将该宽度值与预先设置的门限宽度下限进行比较。当宽度小于阈值上限则执行步骤605；否则执行步骤606；步骤605单片机403通过查表计算，按一定的步长增加积分时间并送数据锁存器402存储；步骤606保持原有积分时间不变；步骤607单片机403控制数据锁存器402输出新的光积分时间207到CCD驱动时序逻辑发生器204中。
在新的光积分时间控制下，CCD驱动时序发生器204产生新的CCD驱动脉冲序列驱动线阵CCD芯片201工作。对新的驱动脉冲序列控制下的CCD输出信号再次进行如上所述的各项处理，直到二值化后的方波信号宽度落入给定的阈值范围内。
在本发明的实施例二是建立在光积分时间预测基础上的光积分时间自适应控制系统。如图7所示，系统中的光积分时间计算单元702、CCD驱动时序发生器708、信号预处理及A/D转换单元控制信号发生器均在一片复杂可编程逻辑器件器件(CPLD)中实现，使得系统结构更为紧凑、可靠性更高。本实施例中的系统具有高速并行数据处理能力、占用系统软、硬件资源少，从而使系统能够满足动态、实时测量的要求。
实施例二中采用的光积分时间自适应控制原理如下根据CCD光积分电荷公式QIP＝ηqΔneoATC(1)式中η为材料的量子效率；q为电子电荷量；Δneo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；TC为光积分时间。由(1)式可以看出，当CCD确定以后，对于每一个像元，η、q及A均为常数，在光照条件不变的前提下，Δneo也为常数，故QIP与TC成线性关系；又因为QIP与CCD对应像元的输出幅值为线性关系，所以TC与输出幅值亦为线形关系，即U∝TC(2)式中U为CCD输出信号幅值。故在相同的光照条件下，下式成立U1U2=TC1TC2---(3)]]>式中TC1、TC2为光积分时间，U1、U2分别为TC1、TC2所对应的信号输出幅值。
由(3)式以及公式成立的前提条件可以得出以下结论在CCD的线性范围内，在光照条件不变的前提下，若已知当前帧的光积分时间TC1及其对应的输出信号幅值U1，根据上式可求出要获得期望的输出信号幅值U2应当提供的光积分时间TC2TC2=U2U1TC1---(4)]]>当CCD高速工作时，通常入射光强的变化速率相对CCD的工作频率可视为较缓慢的连续变化，因而可以近似的认为在高速工作的CCD一两帧的时间范围内入射光强不改变，从而可以近似认为在该时间段入射光的光子流速率Δneo为常数。因而在CCD高速工作、入射光强变化相对较慢的条件下(4)式成立，可以作为光积分时间自动调整算法的理论基础。
图7为本发明实施例二的系统组成方框示意图。在本实施例中，线阵CCD芯片201在CCD驱动时序发生器704所产生的CCD驱动脉冲序列信号208的作用下输出图像信号205。图像信号205进入CCD信号预处理及A/D转换单元701(内部结构框图如图8所示)。图像信号205在CCD输出信号预处理及A/D转换单元701内部首先经过低通滤波器801、运算放大器802的处理输出信噪比得以提高的信号806。随后在信号预处理及A/D转换单元控制信号发生器704所产生的控制信号707的作用下，对信号806进行相关双采样、A/D变换等处理。相关双采样模块803对输入信号806进行相关双采样处理获得噪声得到进一步抑制的信号807；信号807经过A/D转换模块804变换为数字信号705输出。在本实施例中采用TI公司生产的单片集成的CCD前端信号预处理芯片TLC8188完成相关双采样和A/D转换处理。
信号预处理及A/D转换单元701输出的数字信号705进入光积分时间计算模块702，在该模块中结合经由信号706从CCD驱动时序发生器704中提取的原有光积分时间，完成图9所示的光积分时间自动控制流程，计算出新的光积分时间。计算获得的新的光积时间经由信号706送入CCD驱动时序发生器704，产生线阵CCD芯片201正常工作所需的驱动脉冲序列208，以及信号预处理单元控制信号发生器703所需的相关信号708。在信号708的作用下，信号预处理单元控制信号发生器703产生信号预处理及A/D转换单元701所需的控制信号707。线阵CCD芯片201在新的驱动脉冲序列208的作用下开始一个新的曝光周期。
本实施例中光积分时间可控的CCD驱动脉冲序列实现的方法为CCD所需的各路信号均通过在光积分时间控制下对输入时钟进行计数、分频等手段产生。系统采用一个主计数器，当计数器的值到达光积分时间指定值后，一帧结束，系统将各路信号复位，并接收新的积分时间，开始新的一帧信号的产生，从而实现CCD驱动信号的光积分时间的智能控制，所产生的CCD驱动脉冲序列如图5所示。详细方法见授予Degi等人的第5,479,207号美国专利。
图9为本发明实施例二光积分时间自动控制流程图。
步骤901对系统预置初始光积分时间，使CCD驱动时序发生器704产生线阵CCD芯片201正常工作所需的驱动脉冲序列，使其开始正常工作；步骤902光积分时间计算单元702顺序读取经过信号预处理及A/D转换单元701预先处理并数字化后的信号705；步骤903光积分时间计算单元702对步骤902中顺序读取的数字信号进行判断。一旦发现某一像元的输出信号幅值大于预先设定的阈值上限，则停止步骤903进行步骤904。如果CCD一帧的输出信号幅值全部低于阈值下限，则锁存本帧输出信号的最大幅值进入步骤905；步骤904将系统光积分时间设置为最小，使CCD驱动时序发生器704产生具有新的光积分时间的CCD驱动脉冲序列，线阵CCD芯片201在该驱动脉冲序列的作用下输出新的信号；步骤905积分时间计算单元702对步骤903中锁存的最大幅度值与预先设定的阈值下限进行比较，当上述最大幅值大于阈值下限时，则表明积分时间合适不必调节，进入步骤907，否则表明输出信号幅值过小，信噪比小，故进入步骤906；步骤906完成式(4)所表示的光积分时间作为新的光积分时间；步骤907光积分时间不变，保持原有光积分时间。
最后将新的光积分时间回送到CCD驱动时序发生器704，产生具有新的光积分时间的线阵CCD驱动脉冲序列，驱动线阵CCD芯片201开始一个新的光积分周期。
根据此流程，在系统的调节范围内，最多只需要两帧的时间，即可将输出信号调节到较为理想的范围之内。从而克服了常规控制方法中，由于缺乏对光积分时间的预测，而导致的可能出现的多次反复调节，系统的响应速度慢的缺点。通过该流程可以明显的缩短系统对光照强度改变的响应时间，增强了系统对环境的适应能力。同时该流程是通过对CPLD编程，完全有硬件实现，系统数据处理速度明显高于单片机等微处理器。
经该实施例1、实施例2所述的光积分时间自适应控制系统处理前、后的CCD输出信号波形可由示波器直接观察，具体波形如图10所示其中图10(a)为线阵CCD未经光积分时间调节时过度曝光时的输出的图像；图10(b)为线阵CCD未经光积分时间调节时曝光不足时的输出图像；图10(c)为图10(a)、图10(b)所示的情形经过线阵CCD光积分时间调节后的输出图像。
权利要求
1一种线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于该方法包括1)根据线阵CCD输出信号的相关参数，估算出线阵CCD所对应的光积分时间；2)利用估算出的光积分时间，控制线阵CCD驱动时序发生器，产生线阵CCD正常工作所需的驱动脉冲序列，所述的驱动脉冲序列包括积分脉冲序列、转移脉冲序列及复位脉冲序列；3)线阵CCD在驱动脉冲序列驱动下输出光积分时间经过调节的信号，将该信号经预处理后，通过计算再次提取线阵CCD输出信号的相关参数；4)将所提取的线阵CCD输出信号的相关参数与预先设定的阈值进行比较，当超出阈值范围时，经1)、2)、3)对光积分时间再次进行调节，直到参数值落入预先设定的阈值范围；5)光积分时间的自动调节完成。
2根据权利要求1所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述光积分时间的估算是通过A/D转换单元及一片复杂可编程逻辑器件器件实现；所述的控制线阵CCD驱动时序发生器是通过一片复杂可编程逻辑器件器件中实现。
3根据权利要求1或2所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述的产生线阵CCD正常工作所需的驱动脉冲序列由CCD所需的各路信号均通过在光积分时间控制下对输入时钟进行计数、分频产生；所述的计数、分频采用一个主计数器，当计数器的值到达光积分时间指定值后，一帧结束，将各路信号复位，并接收新的积分时间，开始新的一帧信号的产生。
4根据权利要求3所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述的线阵CCD输出信号的相关参数为CCD输出信号的幅值、或与该幅值所对应的光积分时间、或CCD输出信号二值化后获得的方波信号宽度。
5根据权利要求4所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述的CCD输出信号二值化是将CCD输出信号与阈值电平比较；所述线阵CCD输出信号的相关参数的计算由处理器完成，该处理器为微机、单片机、DSP或CPLD器件。
6根据权利要求4所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述提取线阵CCD输出信号的相关参数是利用当阈值电平一定时、在不同的光积分时间下，CCD输出信号经过二值化处理后所获得的方波将对应不同的宽度，积分时间长则宽度宽，积分时间短则宽度窄特性，根据已知的方波宽度值及其所对应光积分时间，估算出使方波宽度值达到预期范围所对应的光积分时间。
7根据权利要求4所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述将所提取的线阵CCD输出信号的相关参数与预先设定的阈值进行比较时，所述的线阵CCD输出信号的相关参数采用方波的宽度，是将该方波的宽度与预先设定的宽度阈值比较1)当方波宽度小于阈值下限时，给定步长，按给定的步长增加光积分时间；2)当输出信号对应的方波宽度大于上限宽度时，则按给定步长减小光积分时间；3)直到当输出信号对应的方波宽度介于上、下限宽度之间时，光积分时间不变。
8根据权利要求7所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述方波的宽度是由单片机从数据锁存器中提取；所述的方波宽度小于阈值下限时，按给定的步长增加光积分时间，是通过单片机将该宽度值与预先设置的门限宽度下限进行比较后，通过查表计算，按一定的步长增加积分时间并送数据锁存器存储；所述的方波宽度大于阈值上限时，按给定的步长减小光积分时间，是通过单片机将该宽度值与预先设置的门限宽度上限进行比较后，通过查表计算，按一定的步长减小光积分时间并送数据锁存器存储；所述的输出信号对应的方波宽度介于上、下限宽度之间时，光积分时间不变，是通过单片机将该宽度值与预先设置的门限宽度上限进行比较后确定，并经数据锁存器输出。
9根据权利要求6所述的线阵CCD光积分时间自适应控制方法，其特征在于所述将所提取的线阵CCD输出信号的相关参数与预先设定的阈值进行比较包括1)对系统预置初始光积分时间，使CCD驱动时序发生器704产生线阵CCD芯201片正常工作所需的驱动脉冲序列，开始正常工作；2)光积分时间计算单元702顺序读取经过信号预处理及A/D转换单元701预先处理并数字化后的信号705；3)光积分时间计算单元702对步骤902中顺序读取的数字信号进行判断；当某一像元的输出信号幅值大于预先设定的阈值上限，则停止步骤903，进行步骤904；如果CCD一帧的输出信号幅值全部低于阈值下限，则锁存本帧输出信号的最大幅值进入步骤905；4)将系统光积分时间设置为最小，使CCD驱动时序发生器704产生具有新的光积分时间的CCD驱动脉冲序列，线阵CCD芯片201在该驱动脉冲序列的作用下输出新的信号；5)积分时间计算单元702对步骤903中锁存的最大幅度值与预先设定的阈值下限进行比较，当上述最大幅值大于阈值下限时，则表明积分时间合适不必调节，进入步骤907，否则，进入步骤906；6)进行光积分时间计算；7)至光积分时间不变，保持光积分时间；8)将新的光积分时间回送到CCD驱动时序发生器704，产生具有新的光积分时间的线阵CCD驱动脉冲序列，驱动线阵CCD芯片201开始一个新的光积分周期。
10一种实现上述线阵CCD光积分时间自适应控制方法的装置，其特征在于它包括CCD驱动时序发生器204，所述CCD驱动时序发生器204的输出端接线阵CCD芯片201的输入端；所述线阵CCD芯片201的输出端接CCD输出信号预处理单元202的输入端；所述CCD输出信号预处理单元202的输出端接光积分时间计算单元203的输入端；所述光积分时间计算单元203的输出端接CCD驱动时序发生器204的输入端。所述的CCD输出信号预处理单元包括采样保持器301；所述的CCD输出信号预处理单元包括[202内部结构框图]；采样保持器301、低通滤波器302、运算放大器303、比较器304，阈值电平调节单元305；所述的光积分时间计算单元[203的内部结构]包括计数单元，所述的计数单元401和数据锁存器均接于单片机403的I/O端；所述的计数单元401的计数输出端接数据锁存器402的数据输入端。所述的A/D转换单元包括CCD输出信号预处理单元，所述的CCD输出信号预处理单元202为CCD信号预处理及A/D转换单元701；所述的光积分时间计算单元203为光积分时间计算模块702；所述的CCD驱动时序发生器204为CCD驱动时序发生器704。
全文摘要
一种线阵CCD光积分时间自适应控制方法，包括1)根据线阵CCD输出信号的相关参数，估算出线阵CCD所对应的光积分时间；2)利用估算出的光积分时间，控制线阵CCD驱动时序发生器，产生线阵CCD正常工作所需的驱动脉冲序列，所述的驱动脉冲序列包括积分脉冲序列、转移脉冲序列及复位脉冲序列；3)线阵CCD在驱动脉冲序列驱动下输出光积分时间经过调节的信号，将该信号经预处理后，通过计算再次提取线阵CCD输出信号的相关参数；4)将所提取的线阵CCD输出信号的相关参数与预先设定的阈值进行比较，当超出阈值范围时，经1)、2)、3)对光积分时间再次进行调节，直到参数值落入预先设定的阈值范围；5)光积分时间的自动调节完成。
文档编号H04N5/335GK1635780SQ20031012475
公开日2005年7月6日 申请日期2003年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者胡晓东, 谷林 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所