一种高速低噪声大面阵CCD成像系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种高速低噪声大面阵CCD成像系统，包括相机头、CCD芯片和CCD控制器；还包括设置于相机头内部的电路PCB板，所述CCD芯片焊接在该电路PCB板上；所述电路PCB板与CCD控制器连接；由于CCD通过电路板直接与外部控制器连接，提高了信号的完整性设计，在提高CCD象元输出频率的同时又不会引入电路系统各种串扰噪声，能够实现高速低噪声的天文观测成像。

A high speed and low noise large area array CCD imaging system

The utility model provides a high speed and low noise large array CCD imaging system, including camera head, CCD chip and CCD controller; also includes a PCB circuit board is arranged on the camera head, the CCD chip is welded on the circuit board PCB; the circuit board is connected with PCB by CCD by CCD controller; the circuit board directly with the external controller connection, improve the signal integrity design, introduced a variety of crosstalk noise circuit system in improving the CCD pixel output frequency and not, can realize the astronomical imaging of high speed and low noise.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种高速低噪声大面阵CCD成像系统，该成像系统具有大动态范围、高像元读出速率、低噪声等特点，尤其适用于需要长时间曝光积分的天文观测成像系统。
技术介绍
CCD探测器由于其具有体积小、质量轻、功耗低、量子效率高以及读出噪声低等优点，CCD成像系统已经广泛应用于各种成像系统，尤其是需要科学级CCD的天文观测领域。在天文实际应用中，观测时间长达1小时的曝光，为避免长时间积分暗电流随着时间的累积致使象元饱和，CCD器件的工作温度必须冷却到-100℃左右，以有效抑制暗电流。根据所选择的CCD芯片资料和相关实验，表明-100℃左右时，暗电流较低，同时量子效率不会受到影响。考虑到实际使用条件的限制，采取技术相对成熟的液氮制冷。为避免杜瓦挡光，通常需设计独立的相机头来安装CCD，相机头内部真空，成像球面镜可兼作真空封窗，CCD底部通过冷指与杜瓦连接。传统的基于杜瓦制冷的CCD成像系统如图1所示，位于相机头内部的CCD通过密封的航空插头以连线的方式和外部控制驱动电路相连接如图2所示，这种电路连接方案虽然设计简单，但没有兼顾到CCD输出电路和驱动电路的信号完整性设计，导致CCD像元驱动时钟和象元读出电路信号之间串扰，无法满足高速低噪声的天文观测需求，尤其当读出频率和读出通道较多的情况下(如CCD四通道输出)，这种方案只能满足CCD读出频率较低的场合使用(象元频率<200kHz)。目前基于天文杜瓦制冷CCD成像系统的不足主要在于：1)相机头内部CCD与外部CCD控制器通过连线的方式连接，导致CCD输出象元信号与CCD驱动信号随着频率的提高会引起串扰；2)CCD与外部电路通过直接相连，无跟随缓冲电路，CCD容易受到静电损害；3)系统结构不紧凑，维护不易且可靠性不高。随着天文观测需求的不断提高，尤其是大面阵CCD场合，目前的象元读出频率已不能满足要求，随着CCD象元读出频率的提高，CCD的垂直转移时钟和水平移位读出时钟的频率也会相应的提高，为了避免高速时钟信号和象元输出信号之间干扰，必须严格按照信号完整性的设计要求，重新设计CCD头部和杜瓦外部控制电路的连接方案。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种大面阵CCD成像系统，其信号完整性高，串扰低。本技术的技术解决方案是：一种高速低噪声大面阵CCD成像系统，包括相机头、CCD芯片和CCD控制器；其特别之处在于：还包括设置于相机头内部的电路PCB板，所述CCD芯片焊接在该电路PCB板上；所述电路PCB板与CCD控制器连接；所述CCD芯片上设置有CCD焦平面电路；所述CCD控制器包括光纤数据接口电路、FPGA系统控制电路、CCD时序驱动电路、视频信号处理电路和模拟量遥测电路；所述光纤数据接口电路、视频信号处理电路、模拟量遥测电路和FPGA系统控制单元连接，CCD焦平面电路的输出端与视频信号处理电路和模拟量遥测电路的输入端连接，CCD焦平面电路的输入端和CCD时序驱动电路的输出端连接，CCD时序驱动电路的输入端和FPGA系统控制单元的输出端连接。为了便于信号提取，上述的视频信号处理电路包括依次连接的电压跟随电路、前置运放电路、滤波电路及模数转换电路，所述CCD焦平面电路的输出端与电压跟随电路的输入端链接；所述模数转换电路和FPGA系统控制单元连接。为了防止CCD输出的视频信号受CCD驱动信号的串扰，在电路PCB板布线时，将CCD焦平面电路分为两个不同信号层，两个信号层中间插入地平面层。上述FPGA系统控制电路包括FPGA芯片，所述FPGA芯片型号为XC4VLX60。为了满足大面阵CCD驱动引脚高速及大电容负载的驱动要求，上述CCD时序驱动电路采用EL71xx或EL72xx。为了实现通过光纤接口发送CCD图像数据，上述光纤数据接口电路包括转化器和光纤模块，所述转化器的型号为TLK2501，所述光纤模块的型号为AFBR-57R5APZ。上述模拟量遥测电路包括模数转换芯片，所述模数转换芯片的型号为LTC1598，该芯片具有8个模拟输入通道，便于监控多组信号。还包括CCD控制箱和控制箱安装座，所述控制箱安装座设置于相机头侧面，所述CCD控制箱设置于控制箱安装座上；所述CCD控制器位于CCD控制箱中。为了实现电路板的真空气密性，上述的电路PCB板内侧镀金。一种高速低噪声大面阵CCD成像系统的成像方法，包括以下步骤：步骤一：FPGA系统控制电路通过光纤/USB接口转换电路和光纤数据接口电路接收采集控制计算机发送的CCD成像系统的控制指令；并将该控制指令解析生产CCD驱动信号；步骤二：CCD时序驱动电路接收FPGA系统控制电路发送的驱动信号，对该驱动信号进行电平转换生成CCD驱动脉冲，将CCD驱动脉冲发送至CCD焦平面电路；步骤三：CCD焦平面电路接收CCD时序驱动电路发送的CCD驱动脉冲进行工作，产生CCD偏置电压、工作温度及视频信号，并将工作温度、视频信号及偏置电压缓存输出；步骤四：视频信号处理电路中的电压跟随电路接收CCD焦平面电路发送的视频信号，对该视频信号进行隔直后发送给前置运放电路，前置运放电路接收电压跟随电路发送的视频信号，对该视频进行放大后发送至滤波电路，滤波电路接收前置运放电路发送的视频信号，对该视频信号进行低通滤波后发送至模数转换电路，模数转换电路将视频信号转换为数字信号后发送FPGA系统控制电路；步骤五：模拟量遥测电路接收并监测CCD焦平面电路发送的偏置电压及工作温度参数，将偏置电压及工作温度参数转换为数字信号后发送至FPGA系统控制电路；步骤六：FPGA系统控制电路接收模数转换电路和模拟量遥测电路发送的数字信号，对这两类数字信号整合为图像数据，使其符合采集协议，然后将图像数据发送至光纤数据接口电路；步骤七：光纤数据接口电路接收FPGA发送的图像数据，转换图像数据的输出格式，将图像数据发送至光纤/USB接口转换电路；步骤八：光纤/USB接口转换电路接收光纤数据接口电路发送的图像数据，并通过USB接口发送到采集控制计算机。本技术的有益效果是：1、由于CCD通过电路板直接与外部控制器连接，提高了信号的完整性设计，在提高CCD象元输出频率的同时又不会引入电路系统各种串扰噪声，能够实现高速低噪声的天文观测成像；2、由于系统完全是由硬件实现的，采取模块化设计，使得整个系统具有较高的可靠性和稳定性，而且集成度高，体积小，便于维护。附图说明图1表示传统基于杜瓦制冷系统与相机头结构示意图；图2表示传统CCD相机头部连接示意图；图3表示本技术CCD相机头部连接示意图；图4表示CCD控制箱与相机头连接示意图；图5表示CCD成像观测系统电路功能框图；图中附图标记为：1-CCD芯片；2-相机头部；3-密封的航空插座；4-场镜；5-冷指；6-放大电路；7-真空杜瓦瓶；8-液氮灌注口；9-真空阀；10-电路PCB板；11-高速接插件；12-CCD控制箱；13-控制箱安装座；14-CCD控制器。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细描述：如图3所示为本技术CCD相机头部连接示意图，为了改善相机头内部CCD芯片1与CCD控制器14电性连接的信号完整性，不再采用传统连接方式，单独设计一块电路PCB板10，CCD芯片1直接焊接在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速低噪声大面阵CCD成像系统，包括相机头、CCD芯片和CCD控制器；其特征在于：还包括设置于相机头内部的电路PCB板，所述CCD芯片焊接在该电路PCB板上；所述电路PCB板与CCD控制器连接；所述CCD芯片上设置有CCD焦平面电路；所述CCD控制器包括光纤数据接口电路、FPGA系统控制电路、CCD时序驱动电路、视频信号处理电路和模拟量遥测电路；所述光纤数据接口电路、视频信号处理电路、模拟量遥测电路和FPGA系统控制单元连接，CCD焦平面电路的输出端与视频信号处理电路和模拟量遥测电路的输入端连接，CCD焦平面电路的输入端和CCD时序驱动电路的输出端连接，CCD时序驱动电路的输入端和FPGA系统控制单元的输出端连接。

【技术特征摘要】
1.一种高速低噪声大面阵CCD成像系统，包括相机头、CCD芯片和CCD控制器；其特征在于：还包括设置于相机头内部的电路PCB板，所述CCD芯片焊接在该电路PCB板上；所述电路PCB板与CCD控制器连接；所述CCD芯片上设置有CCD焦平面电路；所述CCD控制器包括光纤数据接口电路、FPGA系统控制电路、CCD时序驱动电路、视频信号处理电路和模拟量遥测电路；所述光纤数据接口电路、视频信号处理电路、模拟量遥测电路和FPGA系统控制单元连接，CCD焦平面电路的输出端与视频信号处理电路和模拟量遥测电路的输入端连接，CCD焦平面电路的输入端和CCD时序驱动电路的输出端连接，CCD时序驱动电路的输入端和FPGA系统控制单元的输出端连接。2.根据权利要求1所述的高速低噪声大面阵CCD成像系统，其特征在于：所述的视频信号处理电路包括依次连接的电压跟随电路、前置运放电路、滤波电路及模数转换电路，所述CCD焦平面电路的输出端与电压跟随电路的输入端链接；所述模数转换电路和FPGA系统控制单元连接。3.根据权利要求1所述的高速低噪声大面阵CCD成像系统，其特征在于：所述CCD焦平面电...

【专利技术属性】
技术研发人员：江宝坦，邱跃洪，潘志斌，王海，肖茂森，水泳，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，西安交通大学，
类型：新型
国别省市：陕西;61