高分辨率大面陣微型相機設計

陶淑蘋，鄭曉云，樸永杰

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 小衛星技術國家地方聯合工程研究中心，吉林 長春 130033）

1 引 言

微型飛行器或微小衛星為地球觀測、臨近空間目標監視、開發測試商業貨架產品等應用研究提供了有效的低成本解決辦法［1－2］，因此開發支持這些基本或其他高級應用的小型化相機成為必需。目前，一些微小衛星已經采用小相機來獲取圖像，如德國亞琛應用科學大學于2008年發射的COMPASS－1即采用了OV7648FB相機模組，用于對地凝視拍照［1］。其中相機分辨率為640×480，像元尺寸5.6μm，輸出支持 YUV／YCbCr 4∶2∶2ITU－656和RAW RGB，相機電子學系統高度集成，其供電、驅動和數據輸出均通過FPC連接器與底端控制系統相連，功耗40mW，整星重量只有1kg。由于受微型飛行器或微小衛星重量、體積和成本等的限制，其攜帶的成像系統也必須具備集成度高、體積小、成本低特點。因此相較于CCD傳感器在集成度、成像控制、功耗、成本方面具有明顯優勢的CMOS傳感器更利于小型化相機設計。另外，將A／D轉換集成于芯片內部的CMOS傳感器輸出為數字信號，避免了CCD傳感器輸出高頻模擬信號在傳輸中易受噪聲干擾的缺陷［3－7］。隨著CMOS制造工藝的不斷成熟，CMOS傳感器應用于微型飛行器或微小衛星成為極可能趨勢。

然而，人們對相機分辨率和幅寬等的要求越來越高，這對成像系統的設計也提出了更高的要求。為了滿足高分辨率、小型化需求，本文設計了一種基于CMOS傳感器OV14825的大面陣小型成像系統。

2 分辨率及幅寬分析

根據一次成像關系，如圖1所示，結合成像距離、光學系統的焦距和所選用的傳感器像元大小，可以由式（1）計算得到成像系統的目標像元分辨率TSD。

式中：a為CMOS傳感器的像元尺寸，f為光學系統焦距，H為成像距離。在光學相機的方案設計階段則可依據目標像元分辨率要求，反推得到光學系統焦距。

圖1 一次成像示意圖Fig.1 Schematic diagram of first imaging

所選傳感器像元尺寸a＝1.4μm，選取H＝20km，f＝50mm，計算得到地面像元分辨率可達到0.56m。

設計中采用3片傳感器交錯拼接方式（如圖2所示），將焦面組成一個大面陣，因此該系統在保證高分辨率的同時又兼顧了大幅寬。成像幅寬計算公式如下：

式中，Npixels為傳感器每行像元數，且對于本文所選傳感器Npixels＝4 416；m為兩相鄰傳感器的搭接像元，此處選用m＝20，由此計算得到大面陣相機幅寬為7.396km。

圖2 傳感器拼接示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor splicing

為了獲得最終圖像還需要對3個傳感器分別獲取的圖像進行拼接。如果對星下點成像則水平方向直接將搭接像元去除，垂直方向按照第2片傳感器與1、3片傳感器的位置幾何關系和相對運動速度得到以時間和行數為變量的拼接算法，將對應于同一水平線上目標景物的不同傳感器不同時刻不同行輸出圖像拼接。當側擺成像時，還需要在上述操作之前增加幾何校正，從而去除成像角度引起的縮放比不同的影響。

3 電子學系統方案

設計的大面陣CMOS成像系統電子學結構框圖如圖3所示，主要包括控制采集部分和成像部分。控制采集部分由圖像快視系統、控制指令終端等組成，成像部分由FPGA、CMOS傳感器、時序驅動電路、數據存儲電路、數傳電路等組成。實驗選用了OmniVision公司的OV14825彩色面陣CMOS傳感器，FPGA為Xilinx公司的XC4VFX60，另外采用了2片片外SRAM用于數字信號存儲。其中3片彩色面陣CMOS傳感器拼接組成一個大面陣焦平面。

圖3 硬件系統結構框圖Fig.3 Block diagram of the hardware system

控制指令終端通過RS422接口向FPGA發送控制指令，FPGA收到控制指令后譯碼，完成對CMOS內部寄存器的設置，同時相機有關的關鍵參數也可以返回上位機控制終端。CMOS傳感器的驅動時序由FPGA生成，彩色面陣CMOS傳感器初始化成功后會輸出串行差分圖像，圖像進入FPGA首先進行串并轉換，然后將信號轉換為滿足Camera Link接口時序的串行數據。另外FPGA控制2片SRAM實現數字圖像的存儲，最終數字圖像以Camera Link接口形式發送至快視系統。

3.1 OV14825及其工作原理

OV14825是OmniVision公司生產的一款高性能彩色CMOS傳感器。分辨率為4 416×3 312，像元尺寸1.4μm，其數字輸出圖像接口支持12bit并行DVP、MIPI或LVDS格式，數據格式為RAW RGB。串行相機控制總線SCCB接口用于實現對傳感器驅動及成像參數有關寄存器的設置。

OV14825的結構框圖如圖4所示，包含圖像傳感器核、圖像傳感器處理器、圖像輸出接口、時序發生器、SCCB接口及控制寄存器，鎖相環PLL。其中圖像傳感器核內部集成一個12bit的ADC模塊，并可以實現外界光頻率自動檢測和增益調整；圖像傳感器處理器用于完成一些數字圖像處理功能；圖像輸出接口支持DVP、MIPI或LVDS，可根據實際應用需求選擇合適的接口方式。

圖4 OV14825組成結構框圖Fig.4 Structure diagram of OV14825

3.2 串行差分數據接收與發送

為了提高傳輸速率，本文選用LVDS數據接口方式進行系統設計。共有4對差分數據信號和1對差分時鐘信號，當采用4通道數據輸出時，其工作時序如圖5所示。圖中LCLK為像素時鐘，LD0為第1個串行差分數據通道，LD3為第4個串行差分數據通道，單個數據通道內部為串行數據，多個數據通道之間形成并行發送，FH為4個幀頭標識，FE為4個幀尾標識。

圖5 LVDS圖像工作時序圖Fig.5 Timing diagram of the LVDS images

傳感器LVDS圖像數據直接進入FPGA，由于圖像快視系統的采集卡為CAMERA LINK接口，因此FPGA除了完成圖像數據的接收緩存外，還需完成CAMERA LINK接口數據的轉發控制。

CAMERA LINK為標準工業相機輸出接口，其傳輸信號仍為低電壓差分信號，但數據格式異于圖像傳感器輸出的LVDS圖像數據，且與并行圖像數據之間滿足圖6所示時序關系，因此可將輸入串行差分數據轉換為并行圖像數據，然后再按照圖6時序將并行圖像數據轉換為符合CAMERA LINK接口時序的差分信號后輸出。串并轉換和并串轉換操作均在FPGA內部完成，尤其在FPGA內部實現的并串轉換操作可以省去CAMERA LINK接口轉換芯片。編寫FPGA程序并仿真，得到串行差分數據接收和發送的功能仿真圖分別如圖7和圖8所示。

圖6 Camera Link接口時序圖Fig.6 Interface timing of the Camera Link

圖7 串并轉換FPGA程序仿真圖Fig.7 FPGA based simulation results of the SERDES

圖8 并行數據轉換為Camera Link差分信號的FPGA程序仿真圖Fig.8 FPGA based simulation results of the parallel data being converted to differential signals for Camera Link

4 成像實驗

基于以上軟硬件設計，實現了FPGA對CMOS圖像傳感器的SCCB時序驅動以及成像參數配置，并基于FPGA完成圖像數據接收、緩存及轉發模塊功能，最終圖像通過CAMERA LINK接口傳輸至圖像快速采集顯示系統。整個成像系統高度集成，除去光學系統的系統總重量250g；體積4cm×4cm×3cm；功耗2W。另外高質量的光學系統必然會帶來高結構剛度要求和大質量的代價，因此在工程應用時還必須從選材和結構形式等方面周密考慮，從而滿足微型飛行器或微小衛星對重量、體積、功耗等的小型化設計要求。

圖9 成像實驗獲取圖像Fig.9 Image gotten by the imaging experiment

為了驗證系統成像效果，開展成像實驗，并獲取圖像如圖9所示。實驗中，靶標與相機距離13m，理論分辨率為0.364mm，實際獲取圖像分辨率優于0.5mm，而且獲取圖像細節豐富，層次分明，達到了預期的設計效果，證明該方案切實可行。

5 結 論

本文針對低成本小型化相機應用需求，提出了一種高分辨率大面陣的小型化成像系統，詳細闡述了該系統的電子學方案，并預估了該成像系統用于目標觀測的像元分辨率和幅寬。利用3片高集成度CMOS傳感器交錯拼接的大面陣相機最終重量控制在250g，體積4cm×4cm×3cm，功耗2W。最后基于設計的相機樣機開展了成像實驗，在13m成像距離條件下獲取圖像分辨率優于0.5mm，而且圖像細節豐富，層次分明。

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