航空异速像移补偿电路、CCD驱动电路及驱动方法与流程

本发明属于航空图像处理技术领域，尤其涉及一种航空异速像移补偿电路、ccd驱动电路及驱动方法。

背景技术：

在侦察过程中,侦察机为躲避雷达的监视,常需要做高速低空(高速高比)飞行,这时航空成像不可避免地会出现像移模糊。像移模糊的形成与载机的飞行姿态紧密相关,载机的飞行速度、高度、翻滚角度、偏航角度、俯仰角度等参数的不同均会产生不同的像移形态。其中当载机侧身飞行或镜头向侧方俯仰成像的时候,载机上的航空相机会处于一种斜视工作状态。这时成像靶面上不同位置会有不同速度的像移产生,生成复杂的运动模糊图像。

采用传统的胶片成像方法很难实现近距离的运动物体的成像。在曝光时物体的相对运动或绝对运动会使图像模糊，解决此种问题较经典的方法是曝光时间控制技术。如果光照条件允许非常短的曝光时间，那么通过增加快门的速度可以使图像定格在某一刻。但是，侦察相机并不能控制光照条件，因此，急需一种对成像条件要求较宽松的侦察成像系统。这需要一种将曝光控制和像移补偿分开考虑的技术。

利用机械的方法解决前向运动补偿的方案主要是尝试消除由于前向运动引起的图像中的模糊点，或是将其降低到可接受的水平。这种方案有三种实现方法：变换胶片、变换镜头、旋转反射镜，这三种方法被广泛应用到包括胶片相机和光电行扫描相机等各种侦察相机中。例如，变换镜头技术成功的应用在ks－116、ka－95短焦距和中等焦距全景扫描相机中已经有超过十年的历史。虽然这些前向运动补偿方案很好的解决了胶片相机成像中的此类技术问题，并且至今仍被广泛采用，但是，此方案在光电系统中应用时都具有一个共同的缺点：即它们都需使用机械装置。这就势必增加成像系统的复杂度、重量和造价。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种航空异速像移补偿电路、ccd驱动电路及驱动方法，旨在解决现有技术中简单、低成本实现航空异速像移补偿的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种一种航空异速像移补偿电路，其特征在于，包括：

主时序发生器，用于产生ccd所需的驱动时序；

异速像移时序控制器，用于转发所述主时序发生器产生的所述驱动时序，以及在异速像移补偿期间产生像移补偿驱动时序；

驱动电路，用于对异速像移时序控制器输出的驱动时序进行放大和平移，以驱动所述ccd。

优选的，所述驱动电路包括水平驱动电路和垂直驱动电路；所述水平驱动电路用于对所述异速像移时序控制器输出的水平转移时序、输出放大器复位脉冲和水平像元合并栅极驱动时钟进行放大和平移，以驱动所述ccd；所述垂直驱动电路用于对所述异速像移时序控制器输出的垂直时序进行信号放大，以驱动所述ccd。

优选的，所述水平驱动电路将水平转移时序放大为满足ccd工作要求的驱动电平。

优选的，所述垂直驱动电路将垂直转移时序放大为具有足够电压和电流驱动能力的驱动电平信号，并产生ccd所需的主要直流偏置电压。

第二方面，本发明提供了一种ccd驱动电路，包括如第一方面所述的航空异速像移补偿电路，还包括ccd、航空控制总线、系统控制器、信号处理电路；所述航空控制总线、系统控制器、航空异速像移补偿电路、信号处理电路依次通讯连接。

优选的，所述航空控制总线用于发送控制信号，提供飞行的高度和速度信息。

优选的，所述信号处理电路将所述ccd输出的模拟信号进行相关双采样、可控增益放大、暗电平箝位补偿和模数转换。

第三方面，本发明提供了一种ccd驱动方法，其特征在于，包括：

根据给定的镜头焦距fl、俯角δ、视场角θ和飞机的速高比v/h计算前向像移速度；

根据所述前向像移速度将ccd的列像素划分为若干个块，每个块与相应的电荷移动速率对应；

航空异速像移补偿电路中的主时序发生器根据所述电荷移动速率产生水平转移时序、在未发生像移时产生垂直转移时序，以及产生异速像移所需垂直转移时序，并通过异速像移时序控制器控制驱动电路驱动所述ccd；

所述ccd接收像移补偿电路的信号，根据所述像移补偿电路的信号改变电荷转移速度；

信号处理电路对所述ccd输出的模拟信号进行相关双采样、可控增益放大、暗电平箝位补偿和模数转换，生成数字图像信号输出。

本发明示出的航空异速像移补偿电路中，通过在航空异速像移补偿电路增加主时序发生器，主时序发生器统一计算异速像移补偿时各种补偿参数，有效保证了异速像移补偿时的时序一致性，更好的提高异速像移补偿的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一的航空异速像移补偿电路的结构示意图；

图2是本发明实施例二示出的ccd驱动电路；

图3是根据一示例性实施例示出的异速像移产生原理示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的焦面像移形成示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的异速像移补偿时序驱动电路模块划分图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

如附图1所示，本实施例提供的航空异速像移补偿电路包括：主时序发生器、异速像移时序控制器和驱动电路。

主时序发生器用于产生ccd所需的驱动时序；异速像移时序控制器用于转发所述主时序发生器产生的所述驱动时序，以及在异速像移补偿期间产生像移补偿驱动时序；驱动电路用于对异速像移时序控制器输出的驱动时序进行放大和平移，以驱动所述ccd。

通过在航空异速像移补偿电路增加主时序发生器，主时序发生器统一计算异速像移补偿时各种补偿参数，有效保证了异速像移补偿时的时序一致性，更好的提高异速像移补偿的效果。

具体的，驱动电路包括水平驱动电路和垂直驱动电路。

所述水平驱动电路用于对所述异速像移时序控制器输出的水平转移时序、输出放大器复位脉冲和水平像元合并栅极驱动时钟进行放大和平移，以驱动所述ccd；所述垂直驱动电路用于对所述异速像移时序控制器输出的垂直时序进行信号放大，以驱动所述ccd。

所述水平驱动电路将水平转移时序放大为满足ccd工作要求的驱动电平。

所述垂直驱动电路将垂直转移时序放大为具有足够电压和电流驱动能力的驱动电平信号，并产生ccd所需的主要直流偏置电压。

实施例二：

如附图2所示，本实施例提供的ccd驱动电路包括：述航空控制总线、系统控制器、航空异速像移补偿电路和信号处理电路。

所述航空控制总线、系统控制器、航空异速像移补偿电路和信号处理电路依次通讯连接。

其中，航空异速像移补偿电路包括主时序发生器、异速像移时序控制器和驱动电路。

下面将对异速像移产生原因、异速像移补偿原理及本实施例提供的ccd驱动电路进行说明。

1、异速像移产生分析

面阵ccd相机倾斜照相时，由于飞机倾斜时，在单幅地面区域内，近点目标在像面上的前向像移速度同远点的前向像移速度相比，方向相同，大小不等。这将这种方向相等，大小不等的前向像移速度定义为异速像移。相机俯角和相机视场角是异速像移产生的主要原因，此外，飞机姿态角，如飞机横滚角也会产生异速像移。下面将对异速像移产生的原因，异速像移的大小和方向做深入研究。

如图3所示，整个阵列中，飞机飞行方向上焦平面的像移速率并不是不变的。它是由倾斜的范围和斜距r(即镜头到地面景物对应点的距离)决定的。范围越大，焦平面处像移速率越小。具体地，在垂直飞行方向上，某点的像移速率前像像移vp2为：

其中，ε是视场角的一半，δ是相机的俯角，f是镜头焦距；v是飞机飞行速度；r是斜距，即镜头到与焦平面对应地面的点的距离。由图1，焦平面阵列fpa在几何学上可被进一步做如下描述：

这里，对于任意一个给定的θ，y是在垂直于飞行方向上所拍摄地面区域的某点距中心线的距离。如下所示：

其中，δ是俯角，即视场中心与水平线间的夹角；h是飞机的高度。因此：

直于焦平面方向的像移对于图像质量的影响可以由计算焦平面阵列像移调制传递函数mtf得出。由(4)式，对于给定的镜头焦距f、俯角δ、视场角ε和飞机的速高比v/h，在垂直于焦平面方向上，图像某点y处的速度vy可表示为：

经计算与分析可知异步像速只与相机的横向视角和倾斜角有关,与飞机的纵向视角无关.

当飞机的速高比降低时，像移速度也会相应的降低，此时，无论使用多大焦距的镜头来保持地面图像的分辨率，都无济于事。焦平面上平行于飞行方向上某点像移的距离l，与飞机飞行速度v和总时间t有关。总时间t是焦平面阵列曝光时间的总和(即是快门打开的时间)。根据调制传递函数mtf，图像的模糊程度m是l的函数：

垂直于焦平面方向的像移对于图像质量的影响可以由计算焦平面阵列像移调制传递函数mtf得出。由(4)式，对于给定的镜头焦距fl、俯角δ、视场角θ和飞机的速高比v/h，在垂直于焦平面方向上，图像某点y处的速度vy可表示为：

阶梯式像移补偿法是针对面阵ccd感光面上的前向像移速度不一致进行分区补偿的像移补偿法，其原理是依据像移补偿精度要求将面阵ccd的若干列像素划分为两个或两个以上的组合列，这些组合列被独立的、按照像移速度变化规律变化的离散脉冲来同步电荷转移速度和像移速度，每个组合列内部的每列用统一的电荷转移速率。

2、异速像移补偿

对像移变化的补偿，采用一种分级的前向运动补偿技术来实现。如图4焦平面阵列的一些相邻的列构成一个“块”，因此，焦平面阵列就由许多“块”组成。在曝光时，电荷沿着像移方向从一个像素移动到相邻另一个像素。在横向方向上(如横穿“块”的方向上)，电荷移动速度各不相同。因此，通过同步电荷的移动速度和控制在阵列上电荷像移速度的大小，便能逐级的实现前向像移补偿，而不需要动用任何的部件。在理想情况下，像素的每一列都应有其各自的纵向电荷移动速率。但是，从实际角度出发，将焦平面阵列分成一系列的“块”，每一块的电荷移动速率为该块中各列速率的平均值。

对于较大像素的焦平面阵列，上述方法的应用情况如图4所示。阵列中的像素信息被细分为许多“块”，根据每一块中心处的像移速度，每一个块都有其各自的电荷移动速率。图中，用箭头代表这些电荷移动速率，箭头长度越长表示速率越大。距离阵列边缘nadir越近的“块”的电荷移动速率越大，距离水平线越近的“块”的电荷移动速率越小，在阵列横向方向上电荷移动速率是单调变化的。曝光时，当快门打开时，包含景物信息的电荷被采集到阵列中的像素上，然后根据每个“块”的电荷移动速率将电荷从一个像素移动到相邻的另一个像素上。当快门关闭，即曝光结束后，将包含图像信息的这些积聚的电荷顺序地从阵列读出到寄存器，每次读一行。信息再由寄存器被送入信号处理器件，以供使用者评估。当信号读出结束后，阵列便可以进行下一次曝光。

将5式展开，并且结合图3，在焦平面阵列中相对于其边缘任一点y的像移速度为：

其中，利用2式，θ随y位置的不同而变化；φ是一个阶跃函数，定义为：φ(y≥0)＝1，φ(y≤0)＝0。

下式给出了，任意一个像点移动到任意像移补偿区域k的任意点y处，的距离l：

其中，y是焦平面的宽度，k是fmc区域的编号，整数i的数值决定函数中用哪个区域的中心点去减y值。如果l(y,k)的值已知，那么相应的阵列的调制传递函数mtf可以由6式计算得出。由于像移补偿是逐级进行的，因此将焦平面阵列也划分为一个个区域，这种方法提高了调制传递函数mtf，如图5所示。由图可知，将阵列划分为两个部分就可以显著的提高阵列边缘nadir处的调制传递函数mtf，可由0提高到95％。当将阵列划分为8个部分时，可将mtf提高到99.5％以上。

3.ccd驱动电路

如图2，通过航空控制总线向系统控制器提供飞行的高度和速度信息。系统控制器首先存储收到的信息，然后根据这些信息确定任务参数，包括：镜头焦距、工作模式、阵列大小、阵列中纵向组的个数、像素大小等。航空异速像移补偿电路用来产生ccd所需的水平驱动时序、垂直驱动时序以及ccd所需的其他时序。

水平驱动电路，用于对异速像移时序控制器输出的水平转移时序、输出放大器复位脉冲和水平像元合并栅极驱动时钟进行放大和平移，以驱动ccd；垂直驱动电路，用于对异速像移时序发生器输出的垂直时序信号进行放大，以驱动ccd。

ccd产生后的信号通过信号处理电路处理后传输到存储及数据传输装置。

具体的，主时序发生电路用来产生ccd所需的水平驱动时序、垂直驱动时序以及ccd所需的其他时序。异速像移时序控制器负责转发主时序产生的ccd驱动时序以及在异速像移补偿期间像移补偿驱动时序。垂直驱动电路将垂直转移时序放大为具有足够电压和电流驱动能力的驱动电平信号，并产生ccd所需的主要直流偏置电压水平驱动电路水平驱动器将水平转移时序放大为满足ccd工作要求的驱动电平。信号处理电路前端信号处理器将ccd输出的模拟信号进行相关双采样、可控增益放大、暗电平箝位补偿和模数转换。存储数据及传输装置将数转换器产生的数字图像信号从相机输出，并提供与上位机进行通信的接口。

所述像移补偿时序驱动电路可以分为以下模块：如图5总线接口模块接收系统控制器传来的像移补偿时间间隔信息；像移补偿定时和控制模块：在曝光期间根据时间间隔信息产生定时脉冲，并根据工作状态产生主时许发生器的触发信号和时序切换信号；垂直转移时序产生模块：根据定时脉冲产生异速像移补偿驱动时序；垂直转移时序选择和分配模块在曝光期间选通垂直转移时序产生的信号，在电荷输出和空闲期间则选通主时序产生的信号，并在分配过程中控制每路的相位关系；水平转移时序分配模块：信号缓冲转发模块：转发主时序发生模块产生的其它时序信号。

实施例三：

实施例三示出一种ccd驱动方法，其特征在于，包括：

根据给定的镜头焦距fl、俯角δ、视场角θ和飞机的速高比v/h计算前向像移速度；

根据所述前向像移速度将ccd的列像素划分为若干个块，每个块与相应的电荷移动速率对应；

航空异速像移补偿电路中的主时序发生器根据所述电荷移动速率产生水平转移时序、在未发生像移时产生垂直转移时序，以及产生异速像移所需垂直转移时序，并通过异速像移时序控制器控制驱动电路驱动所述ccd；

所述ccd接收像移补偿电路的信号，根据所述像移补偿电路的信号改变电荷转移速度；

信号处理电路对所述ccd输出的模拟信号进行相关双采样、可控增益放大、暗电平箝位补偿和模数转换，生成数字图像信号输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。