一种低噪声CCD相机电路的制作方法

本实用新型属于光电领域，涉及一种低噪声CCD相机电路实现方法及系统，尤其涉及一种针对低噪声要求的天文观测及深空探测领域的CCD遥感相机电路。

背景技术：

由于CCD具有高量子效率、良好的线性度和低噪声等特性，已广泛应用于航空航天等领域，尤其在低照度，弱光目标天文观测等领域。然而噪声已经成为完成弱光观测任务的主要障碍，随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数量的增加势必要减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。为了扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD相机的噪声，否则无法应用于高精度、弱光目标的天文观测任务。

CCD相机系统的噪声概括起来主要包括光子噪声、复位噪声、暗电流噪声、热噪声、片外放大器噪声、1/f噪声及量化噪声。其中光子噪声是CCD固有噪声，其表征CCD相机系统最高信噪比的极限。CCD热噪声和暗电流可以通过对CCD进行制冷，有效降低其影响。其余的复位噪声、1/f噪声和AD量化噪声均可以通过低噪声电路设计将其影响降到最低。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种体积小、重量轻功耗低、抗干扰能力强、安全性和可靠性高、设计灵活扩展能力强的低噪声CCD相机电路，可以有效降低噪声，提高CCD相机的动态范围。

本实用新型的技术解决方案是：一种低噪声CCD相机电路，其特征在于：所述CCD相机电路包括带宽可调的模拟前端电路和基于CDS技术的CCD相机数字采样电路；

所述模拟前端电路包括隔直电容C、前级同相放大电路QF和带宽可调的RC低通滤波开关KG；前级放大电路QF包括运放U；与运放U的同相输入端连接的电阻R；与运放U反向输入端连接的电阻R1和电阻R2；与电阻R2和运放U反向输入端并联的肖特基二极管D；电阻RS1、电阻RS2与运放U的输出端连接；开关Ks和电容Cs组成带宽可调开关KG；Ks模拟开关的打开与闭合依据当前CCD视频信号输出电压波形的相位关系进行切换，从而改变模拟前端的带宽；

CCD相机数字采样电路包括高速ADC和FPGA；高速ADC对CCD信号参考电平和像素电平进行采样和模数转换，FPGA实现对ADC高速采样的控制、数字低通滤波和数字CDS。

上述高速ADC是相关双采样，若CCD的像素时钟频率为f_CCD,则采样频率f_SAMPLE＝2f_CCD，即是像素时钟频率的2倍。

还包括数字低通滤波器LP，采用多个采样点求平均，在FPGA中实现，在时序关系允许的条件下，采集2n个采样点，之后再取平均，去除模拟前端引入的高频噪声和降低量化噪声。

还包括数字CDS，是参考电平与像素电平采样点之差，抑制CCD视频信号的复位噪声和低频噪声，实现形式为数字减法器，数字减法器是对CCD信号参考电平转换值s_ref和像素电平转换值s_pix进行减法运算，得到需要的数字图像。

本实用新型的优点是：体积小、重量轻功耗低、抗干扰能力强、安全性和可靠性高、设计灵活扩展能力强；可以有效降低噪声，提高CCD相机的动态范围。采用FPGA实现高速采样、数字低通滤波和数字CDS，不仅可以进一步去除模拟前端引入的高频噪声、降低量化噪声而且可以有效去除像素之间的相关噪声。同时采用FPGA实现，具有结构较简单，实现方便的优点。

附图说明

图1是本实用新型带宽可调的模拟前端电路示意图；

图2是本实用新型CCD视频信号输出电压波形图；

图3是本实用新型基于CDS技术的低噪声数字采样电路示意图；

图4是本实用新型数字采样时序关系图；

具体实施方式

本实用新型提供了一种低噪声CCD相机电路实现方法及其系统，由带宽可调的模拟前端电路和基于CDS技术的CCD相机数字采样电路两部分组成。

一、模拟前端电路；如图1所示。它是由隔直电容、前级放大电路QF和带宽可调的RC低通滤波开关KG三部分组成。由于CCD的输出信号是浮置在直流电平上(通常十几伏)的负极性空间离散的模拟信号。如果直接将该信号用于后级放大及模数转换，则容易使放大器和ADC饱和，并且不利于有用信号的提取，因此必须对该信号进行隔直、放大等前级处理。本专利提出了一种带宽可调的模拟前端电路，其中C是隔直电容、U、R、R1、R2和D构成前置放大电路QF，其目的是将信号电平调整到高速模数转换器的输入范围内；D：肖特基二极管，用于滤掉一部分复位脉冲尖峰。RS1、RS2、Ks和Cs组成带宽可调开关KG。Ks模拟开关的打开与闭合依据当前CCD视频信号输出电压波形的相位关系进行切换，从而改变模拟前端的带宽。RC低通滤波器的转折频率为f0＝1/2πRC，转折频率的位置随RC而变。如果电容容量不变，低通电阻阻值从RS1减小至RS2，转折频率向高频端平移。

由CCD输出信号特点：如图2所示复位脉冲A中夹杂一些高频分量(复位尖峰)，而参考电平B和像素电平C相对稳定。为了进一步降低模拟前端的噪声，根据CCD输出信号的相位关系来切换带宽开关。当复位脉冲来到时，KS打到RS1处，RC低通滤波器的转折频率低，可以有效滤除复位脉冲中高频分量；当参考电平和像素电平来到时，KS打到RS2处，RC低通滤波器的转折频率高，使CCD参考电平和像素电平尽可能地无损失通过。

二、基于CDS技术的低噪声数字采样电路：

如图3所示，它由高速ADC和FPGA组成。CCD相机数字采样电路的目的在于采到精确的CCD信号，尽可能地降低CCD的噪声。由于复位噪声是CCD输出信号中最主要干扰源，并且能够应用外围采样处理电路进行抑制，相关双采样技术能有效的滤除复位噪声，所以CCD相机采样电路一般采用模拟域CDS电路。

该电路由高速ADC和FPGA两部分组成。该电路首先进行高速模数转换、其次在数字域进行采样信号的低通滤波(LP)，最后在数字域进行数字减法来实现相关双采用。在数字域进行CDS处理的优点是数字减法器更精确。该电路选用元器件种类少(2种)，大大提高了电路的可靠性。此外可供选择的模数转换器种类较多，从而可以增加电路设计的灵活性。

高速ADC其目的是对CCD信号参考电平和像素电平进行采样和模数转换。由于是相关双采样，若CCD的像素时钟频率为f_CCD,则采样频率f_SAMPLE＝2f_CCD，即是像素时钟频率的2倍。因此选择模数转换器的最高工作频率至少是像素时钟频率的2倍。模数转换器的位数则根据CCD信号的动态范围以及应用需求来选择。

数字低通滤波器(LP)：实现形式采用多个采样点求平均，由于在FPGA中实现，在时序关系允许的条件下，一般采集2n个采样点，如图3所示，之后再取平均可以进一步去除模拟前端引入的高频噪声和降低量化噪声；

数字CDS：实际上是参考电平与像素电平采样点之差。可以有效抑制CCD视频信号的复位噪声和低频噪声。实现形式为数字减法器。数字减法器是对CCD信号参考电平转换值s_ref和像素电平转换值s_pix进行减法运算，得到需要的数字图像s_img＝s_pix s_ref。由于s_ref和s_pix是按时间顺序先后进行模数转换的，因此数字减法器只需对当前转换值和前一刻转换值进行减法处理即可。