用于天文观测的大靶面多通道高速读出的CCD相机系统研究

CCD is a kind of image sensor,it converts pixels into digital signals and characterizes the signals by charge. The requirements of the CCD imaging technology in the astronomical observation and aerospace detection fields are significantly higher than it in civil and general industrial fields. In astro observation field, cameras almost adopt simple-channel read-out and use USB2.0 or ethernet as communication method. In actual application of big target area and real-time image processing,Simple-channel read-out and USB2.0 communication can not meet the needs of high speed transmission ，ethernet and carema link communication are confined to the computer's number of PCI/PCIE,address,and interrupt resources.In order to obtain high transmission speed and high-definition pictures,this project proposes to develop new camera system by adopting multi-channel read-out and using USB3.0 method . Specific tasks as follows: rearch the working principle of multi-channel camera;rearch the USB3.0 bus and the way of using it as the transporter between camera and computer;the rearch of CCD image acquisition software for the master station.

电荷耦合器件（CCD）是一种图像传感器，它把图像像素转换成数字信号，并以电荷来表征信号大小。天文空间目标观测、航空探测等领域对CCD成像技术的要求明显高于民用和一般工业应用领域，天文观测中普遍采用科学级的CCD芯片以获得高分辨率清晰度的图像。在读出方式上一般采用单口读出，通讯接口上大多采用USB2.0、Camera Link或者以太网方式。在大靶面实时图像处理的实际应用中，单通道的方式读出速度较慢，USB2.0的传输速度无法满足大数据量高速传输的要求，Camera Link 及以太网受到工业级PC机PCI资源的限制。为了获得大靶面高分辨率图像和高速数据传输速度，本项目提出了多通道的图像读出和全新的通用串行接口USB3.0传输方式，满足天文观测对CCD相机的要求。具体内容包括：研究多通道快读出相机的工作原理；研究USB3.0总线结构及将其作为相机数据传输的方法；主控台CCD图像采集软件。

在空间天文目标观测、航空探测等领域CCD成像技术正在被广泛的使用。通过采集相机图像可以对空间或者地面的目标进行实时精确探测和跟踪，确定目标的尺寸，形状和运动轨迹等重要参数。由于科学观测对于图像分辨率、性噪比及数据传输速度要求很高，一般的CMOS民用相机或者小靶面视频相机无法满足使用需求，实际观测中普遍采用科学级的CCD芯片以获得高分辨率清晰度的图像。目前，CCD探测技术正在向大靶面快读出高帧频的方向发展，上亿像素超高速传输方式的相机已经出现。但是当前空间天文观测所用的绝大部分科学级相机都依赖国外进口，国产化率很低，给维修更换带来诸多不便。传统的CCD读出方式为单端口读出，系统的信号链带宽较低。数据传输方面现在用的较多的USB2.0传输速度无法满足大数据量、高速度的传输要求，而采用Camera Link接口需要借助于图像采集卡通过PCI与主计算机相连。目前国外的Apogee、FLI、DALSA等相机厂家正在或者刚刚成功研制出基于USB3.0通讯的CCD相机（如Andor Zyla4.2 sCMOS系列；滨松ORCA-flash4.0系列和pco edge3系列等）。在国内，绝大部分的相机研究是针对视频或者CMOS芯片成像，采用USB2.0数据传输协议。为了解决这些问题，项目自主创新设计了一种新的CCD图像采集系统,研制出了两套CCD相机的样机。在读出方式上，分别采用了单通道读出(CCD传感器采用Onsemi KAF1001)和多通道读出(CCD传感器采用Fairchild CCD3041)两种采集方式进行读出。在数据传输方式上，采用了全新的通用串行接口USB3.0技术传输四通道CCD图像数据。USB3.0传输速度理论上能达到5Gbps，是目前USB2.0的10倍。本项目研究的内容包括：CCD相机结构及工作原理；单通道/多通道读出时序；USB3.0数据传输及主控台CCD图像采集软件等。具体采用CYUSB3014控制器实现USB3.0高速数据传输；运用CPLD编写了时序驱动，并进行仿真；在Visual Studio环境下编写USB3.0软件界面，采集图像数据。通过查看图像信息对整个系统进行了分析和验证。结果证明，基于USB3.0协议传输的系统具有灵敏度高、可靠性好、数据传输速度快的特点，适合运用在空间目标图像观测中。