楊婧薇，錢蕓生，柳 磊，盧 杰

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

引言

電子轟擊型有源像素傳感器（electron bombarded active pixel sensor，EBAPS）是一種高性能的真空-半導(dǎo)體混合器件，具有高靈敏度、快響應(yīng)度、低成本、低功耗等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于軍事裝備、遙感測繪、空間探測等領(lǐng)域，研究EBAPS 已成為數(shù)字微光夜視技術(shù)研究領(lǐng)域的重點方向[1]。EBAPS 是減薄后的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）芯片在像增強器熒光屏位置進行耦合，通過采用光電子轉(zhuǎn)換成高能倍增電子的方式，使低照度光電圖像得以倍增的[1]。其工作過程如下：微弱的光信號透過入射窗到達光陰極，在光陰極表面發(fā)生外光電效應(yīng)并產(chǎn)生微弱的光電子信號；在光陰極與電子敏感CMOS 負(fù)高壓的作用下，電子加速撞擊有源像素傳感器（active pixel sensor，APS）表面的電子倍增層以實現(xiàn)電子數(shù)目的倍增；產(chǎn)生的二次電子被傳感器結(jié)區(qū)收集后經(jīng)過光電二極管輸出，實現(xiàn)微弱信號的探測與采集，以方便后續(xù)信號的處理[2]。

EBAPS 技術(shù)屬于高科技軍事領(lǐng)域，美國和法國在這方面的研究成果最為突出。1999 年，美國Intevac 公司率先發(fā)布了電子轟擊有源像素傳感器混合型光電探測器的相關(guān)發(fā)明專利[3]；2005 年，美國Intevac 公司發(fā)布了ISIE6 和ISIE10，相對于Night Vista 幀頻提升，讀出噪聲減小，低照度性能更優(yōu)[4-5]；2009 年，法國核物理研究所研制的EBAPS 器件的靈敏度探測下限達到了單光子量級[6]；2013 年法國Photonis 公司推出名為EBNOCTURN 的EBAPS 相機[5-7]；2020 年，Intervac 公司為美國海軍提供ISIE19型EBAPS 傳感器，便于海軍陸戰(zhàn)飛行員在微光環(huán)境下正常執(zhí)行任務(wù)[5]。在國內(nèi)，以北方夜視技術(shù)股份有限公司和微光夜視技術(shù)國防科學(xué)重點實驗室為代表的研發(fā)團隊已在EBAPS 的理論研究、器件制備等方面取得一定成果[2,8-9]，但其成像電路所采用的多數(shù)芯片主要依賴于進口。由于美國在半導(dǎo)體行業(yè)對中國的制裁，使得芯片供不應(yīng)求，阻礙了我國EBAPS 成像系統(tǒng)的發(fā)展，因此，本文基于EBAPS的國產(chǎn)成像電路研制展開了深入研究。

本文擬設(shè)計一套基于EBAPS 的全國產(chǎn)成像電路評估板。該系統(tǒng)全部采用國產(chǎn)芯片，以FPGA 芯片作為核心處理器，針對我國自主研發(fā)的電子轟擊型有源像素傳感器的特點設(shè)計成像電路；其電路對CMOS 圖像傳感器輸出的圖像信號進行實時采集，并通過數(shù)字圖像處理算法提高成像質(zhì)量；采用Cameralink 接口實現(xiàn)1 280×1 024 pixel@30 f/s 視頻輸出。該成像系統(tǒng)可實現(xiàn)3×10-3lx 環(huán)境照度下目標(biāo)物體的成像，對微光夜視技術(shù)和國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，對低照度環(huán)境下的探測工作有一定的應(yīng)用價值。

1 整體方案設(shè)計

1.1 EBAPS 選型

本文選定了國內(nèi)某公司用國產(chǎn)APS 芯片完成封裝的正照式EBAPS 器件，其基本結(jié)構(gòu)[1-2]如圖1所示。該APS 芯片分辨率為1 280（H）×1 024（V）像素，像素時鐘最大不超過80 MHz，主要工作波段為0.3 μm～0.97 μm，卷簾門式曝光，由9 路外部信號控制，分別是VSYNC、HCLK、HSYNC、VCLK、RD1、RD2、RST、SEL、T，其中VSYNC 信號的占空比設(shè)置決定有效曝光時間，且采用模擬差分輸出方式。APS 芯片的主要技術(shù)參數(shù)在一定程度上會影響其他器件的選型與硬件電路的設(shè)計，芯片主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 APS 芯片主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of APS chip

圖1 EBAPS 基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic structure of EBAPS

1.2 硬件設(shè)計框架

本系統(tǒng)將復(fù)旦微電子FMK50t 系列FPGA（field programmable gate array）芯片作為核心處理器，含CMOS 圖像傳感器模塊、模數(shù)信號轉(zhuǎn)換模塊、FPGA核心板模塊、視頻輸出模塊以及系統(tǒng)供電模塊5 個模塊。其中，CMOS 圖像傳感器模塊由FPGA控制，在高壓電子轟擊模式下，器件表面的光陰極接收到光學(xué)鏡頭匯聚的光信號，光陰極發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，在高壓電場的作用下，光電子加速撞擊APS 芯片實現(xiàn)電子倍增，最終以一對差分模擬信號輸出；模數(shù)信號轉(zhuǎn)換模塊完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，在接收CMOS 圖像傳感器模塊輸出的模擬信號時，先通過具有緩沖作用的電壓跟隨器，隨后經(jīng)過可平衡差分輸入的全差分運算放大器，從AD(analog digital)轉(zhuǎn)換器輸出16 bit的數(shù)字信號至FPGA 核心板模塊中；FPGA 核心板模塊對數(shù)字信號進行有效地緩存與處理后，在視頻輸出模塊將數(shù)字信號通過Cameralink 采集卡傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)Cameralink 接口輸出。整個系統(tǒng)的總電源幅值為12 V，系統(tǒng)供電模塊則是通過電源芯片的轉(zhuǎn)換以滿足各個模塊的供電需求，整個成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

2 硬件電路設(shè)計

本項目硬件電路圍繞EBAPS 傳感器、FPGA核心處理器開展系統(tǒng)的硬件設(shè)計。依據(jù)模塊化的設(shè)計理念，硬件電路設(shè)計主要包括系統(tǒng)電源板、探測器驅(qū)動板、FPGA 核心板、視頻輸出板，通過合理的器件選型、外圍電路設(shè)計、PCB 繪制和調(diào)試完成各電路板的預(yù)設(shè)功能。

2.1 系統(tǒng)電源板

系統(tǒng)電源模塊負(fù)責(zé)各個模塊的供電工作，是設(shè)計電路能否正常工作的基礎(chǔ)與保障。根據(jù)DCDC(direct current-direct current)電源芯片轉(zhuǎn)換效率高、輸入電壓范圍寬，LDO(low drop-out)電源芯片穩(wěn)定性好、負(fù)載響應(yīng)快、效率低等特點，結(jié)合各模塊供電需求，本設(shè)計采用矽力杰的DC-DC 開關(guān)電源SY8113 和圣邦微LDO 電阻分壓電源芯片SGM2028。在原理圖設(shè)計時，為避免供電電源引起串?dāng)_，電路采用單獨供電的方式；為減小電壓波動，芯片輸出端采用串聯(lián)鉭電容的方式穩(wěn)定信號。系統(tǒng)電源模塊供電方案如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)電源模塊供電方案Fig.3 Power supply scheme of system power module

2.2 探測器驅(qū)動板

探測器驅(qū)動板包含圖像傳感器模塊和模數(shù)信號轉(zhuǎn)換模塊。UV1280 芯片是圖像傳感器模塊的核心器件，該芯片有9 路數(shù)字驅(qū)動信號線、2 路模擬差分信號線；模數(shù)信號轉(zhuǎn)換模塊核心芯片為AD轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計中，AD 選擇的是芯佰微的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器CBM92AD68-80，其采樣率為80 MSPS。為了保證圖像信號的穩(wěn)定，本設(shè)計采用杭州瑞盟的MS8617M 電壓跟隨器和華芯微的HRF8138M差分放大器完成信號的緩沖和放大。

2.3 國產(chǎn)FPGA 核心板

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是一種可編程的半定制電路，可通過編寫硬件邏輯語言完成數(shù)據(jù)信息存儲與處理。本系統(tǒng)選用復(fù)旦微電子FMK50 系列FPGA 的芯片，該芯片具有52 k 邏輯單元、120 個計算單元、250 個User I/O、4 個通用高速收發(fā)器，與市面上具有相同可編程邏輯資源的主流FPGA相對比，該芯片功耗更低，性價比更高。在數(shù)據(jù)存儲方面，為穩(wěn)定數(shù)據(jù)信號以及提高圖像質(zhì)量，F(xiàn)PGA核心板模塊設(shè)有西安紫光國芯半導(dǎo)體的DDR(double data rate)芯片HXI15H4G160AF-13K 用于圖像緩存，兆易創(chuàng)新的FLASH 芯片GD25S512MD 用于數(shù)據(jù)存儲。根據(jù)設(shè)計要求，本項目基于復(fù)旦微FMK50T4-FPGA 芯片完成核心板設(shè)計，該核心板上設(shè)有主、從FPGA，為保證兩片F(xiàn)PGA 芯片之間可進行高速無損數(shù)據(jù)通信，在PCB(printed circuit board)設(shè)計時，著重確保信號線等長、等間距。

2.4 視頻輸出板

視頻輸出模塊使用Cameralink 視頻輸出方式[10]，采用85 MHz 時鐘頻率。Cameralink 芯片采用成都振芯科技的接口控制芯片GM8283，該芯片具有寬時鐘頻率范圍10 MHz～90 MHz，可將并行輸入的28 bits LVCMOS(low-voltage CMOS)數(shù)據(jù)和1 bit 時鐘信號轉(zhuǎn)為5 路串行通道輸出。電路中信號線多為差分信號，為解決輸出差分信號極性相反、差分阻抗不變且抑制共模干擾等問題，在PCB 設(shè)計中遵循等長、等間距的設(shè)計原則。硬件電路實物如圖4 所示。

圖4 關(guān)鍵硬件電路實物圖Fig.4 Physical drawing of key hardware circuits

3 邏輯設(shè)計

3.1 邏輯設(shè)計框架

FPGA 邏輯設(shè)計含CMOS 驅(qū)動模塊、AD 配置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、視頻輸出模塊。邏輯設(shè)計框圖如圖5 所示。

圖5 邏輯設(shè)計框圖Fig.5 Block diagram of logic design

CMOS 驅(qū)動模塊是整個邏輯設(shè)計中的起始端，該模塊使用Verilog 語言編寫傳感器9 路數(shù)字驅(qū)動信號的方式完成驅(qū)動，CMOS 輸出的差分?jǐn)?shù)據(jù)通過電壓跟隨器和差分運算放大器后進入AD 芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在AD 配置模塊，信號在FPGA 內(nèi)部進行對齊測試訓(xùn)練后方可進入正常工作模式，AD 芯片將2 路差分模擬信號轉(zhuǎn)換成16 路并行數(shù)字信號，傳輸至FPGA 芯片進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)硬件電路設(shè)計和數(shù)據(jù)流的流向，主FPGA負(fù)責(zé)與前端CMOS 進行交互，從FPGA 負(fù)責(zé)后端顯示模塊的輸出，主、從FPGA 則通過握手機制完成信息交互。在數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)字信號先進入寫FIFO(first input first output)完成位寬轉(zhuǎn)換、跨時鐘域的操作，然后使用AXI4 總線協(xié)議配置MIG(memory interface generators) 核的方式，使數(shù)字信號在DDR 中完成緩存和圖像處理算法復(fù)現(xiàn)的讀寫操作。視頻輸出模塊，即Cameralink 顯示模塊，通過GM8283 芯片完成并串轉(zhuǎn)換操作，實現(xiàn)上位機與FPGA 之間的通信。

3.2 自適應(yīng)曝光算法

曝光程度是相機能否呈現(xiàn)清晰圖像的重要影響因素。曝光是由光圈大小、曝光時間、ISO 感光度三者共同決定，其中，光圈大小影響進光量，曝光時間是光到達的時間長度，ISO 感光度是增益大小[11]。自動曝光的宗旨是通過調(diào)整這三者以改變圖像亮度。圖像亮度Y組成如（1）式所示：

式中：k為常數(shù)；E為環(huán)境照度；(D/f)2為相對孔徑，是光圈系數(shù)的倒數(shù)；T為曝光時間；G為感光度。

在FPGA 硬件實現(xiàn)時，考慮到環(huán)境因素、相對孔徑、探測器內(nèi)信號增益大小等不宜使用FPGA實現(xiàn)控制，故設(shè)計了一種調(diào)整曝光時間T的自適應(yīng)曝光算法。結(jié)合EBAPS UV1280 的芯片手冊，有效曝光時間由9 路驅(qū)動信號中的VSYNC 信號的占空比設(shè)置，故探測器最大曝光時間為一幀圖像的時間。該算法以平均亮度算法為參考完成自動曝光操作，因系統(tǒng)輸出為黑白圖像，故圖像灰度和圖像亮度兩者數(shù)值相同，利用當(dāng)前幀的平均像素信息，并結(jié)合恒定步長搜索法以調(diào)節(jié)下一幀的曝光時間，經(jīng)過不斷優(yōu)化后使得最終輸出的圖像平均灰度處于最佳亮度范圍[Ymin,Ymax]。通過大量的實驗測試，得出本系統(tǒng)在低照度環(huán)境下的最佳亮度范圍為[24 000，25 600]。設(shè)置初始曝光時間為Tdefault，如果平均灰度數(shù)值正處于最佳亮度范圍，則曝光時間將保持初始值；如果平均灰度值超過最佳亮度，則曝光時間將自動減少標(biāo)準(zhǔn)步長；如果平均灰度值不足最佳亮度，則曝光時間將自動增加標(biāo)準(zhǔn)步長。曝光時間T的計算公式如下：

最大曝光時間Tmax的計算公式如下：

式中：s表示標(biāo)準(zhǔn)步長；m表 示橫向像素數(shù)；n表示縱向像素數(shù)；f表示像素時鐘頻率。像素時鐘頻率為40 MHz，標(biāo)準(zhǔn)步長為640 000 ns，根據(jù)計算，該系統(tǒng)的最大曝光時間Tmax為32 768 000 ns，最小曝光時間Tmin為1 000 000 ns，初始曝光時間Tdefault為16 384 000 ns。若增加步長后的曝光時間超出曝光范圍，最終的曝光時間將設(shè)為最大曝光時間；若減少步長后的曝光時間不足曝光范圍，最終的曝光時間將設(shè)為最小曝光時間。圖6、圖7 為自動曝光算法前后EBAPS 成像效果圖。

圖6 不足曝光時算法效果圖Fig.6 Algorithm effect diagram when underexposed

圖7 過度曝光時算法效果圖Fig.7 Algorithm effect diagram when overexposed

3.3 幀間噪聲抑制算法

噪聲是影響圖像質(zhì)量水平的重要因素。CMOS圖像傳感器噪聲主要分為固定模式噪聲（fixed pattern noise，F(xiàn)PN）和隨機噪聲兩類[12-18]。固定模式噪聲是CMOS 傳感器自身結(jié)構(gòu)特點所產(chǎn)生的。CMOS 輸出圖像信息如（4）式：

式中：CMOS_OUT為采樣的真實圖樣信息；Ori_ph為不含噪聲的理想圖像信息；Temp_n為像素隨機噪聲；FPN_n為暗電流FPN[15-18]。

根據(jù)EBAPS 的成像特點提出幀間噪聲抑制算法，該算法主要是去除低照度環(huán)境下圖像的固定模式噪聲FPN_n，采用實時圖像與暗背景圖像線性相減的方式實現(xiàn)。本算法采用AXI4 總線協(xié)議控制MIG 核的方式，在DDR 中開辟了5 片大小為1 280×1 024×2 Bytes 地址空間，前4 片地址用于存放4 張連續(xù)的無光照環(huán)境下的暗背景圖像，最后1 片地址用于存放實時圖像，通過對“KEY=1”的判斷來進行寫入地址的選擇。將前4 片地址中的4 幀圖像進行對應(yīng)圖像位置的像素值求平均計算，得到最接近真實的暗背景圖像信息，實時圖像中固定模式噪聲的去除，采用前4 片平均像素值的暗背景圖像與第5 片地址的實時圖像之間進行線性相減的方式完成，由此可近似得到固定模式噪聲去除后的圖像。去噪算法邏輯設(shè)計框架如圖8所示。算法實現(xiàn)中的重點是對DDR 地址跳變的控制和數(shù)據(jù)對齊的把控。在DDR 地址控制方面，需先配置好讀寫文件中的地址與數(shù)據(jù)通道相關(guān)參數(shù)設(shè)定，控制好5 片地址的起始地址AXI4_AWADDR，以及每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐话l(fā)長度。

圖8 去噪算法邏輯設(shè)計框架Fig.8 Logic design framework of denoising algorithm

在S2MM 寫操作時，數(shù)據(jù)在進入DDR 前，會先進入FIFO 進行跨時鐘域變換與位寬轉(zhuǎn)換，當(dāng)FIFO 的prog_empty 信號為拉低狀態(tài)時，即可繼續(xù)進行突發(fā)式寫操作，同時拉高地址通道的AXI4_AWVAILD 信號；等待MIG 核反饋的AXI4_AWREADY信號，如果該信號同時處于拉高狀態(tài)，即可完成一次地址握手。每完成一次地址握手，地址位將增加一個BRUST 的長度，等待下一次地址握手。當(dāng)?shù)刂肺帐趾蛿?shù)據(jù)握手均完成時，即可完成一個地址的突發(fā)式數(shù)據(jù)寫入。以此類推，直至一幅圖完全寫入DDR 地址中。使用以上方式完成5 片地址的圖像寫入，其中通過判斷“KEY=1”真假選擇寫入的地址信息，“KEY=1”為真，則寫入前4 片地址；“KEY=1”為假，則寫入第5 片地址。式（5）為AXI4 總線中地址位的表達式：

式中：ADDR_BIAS為基地址；ADDR_offset為偏移地址，用以控制寫入不同圖像的起始地址；address_r表示一次BRUST 的長度。

在MM2S 讀操作時，數(shù)據(jù)需要通過FIFO 進行跨時鐘域與位寬轉(zhuǎn)換后進入顯示模塊。其中，將4 片地址上平均黑圖像素值black_data與圖像像素值normal_data作差之前，需要先通過設(shè)置相同的FIFO 讀出信號rd_en，使兩個像素值一一對應(yīng)。至此完成圖像算法的全部內(nèi)容，圖9 為幀間噪聲抑制算法前后EBAPS 成像對比圖。

圖9 算法前后EBAPS 成像對比結(jié)果Fig.9 Comparison results of EBAPS imaging before and after algorithm

4 測試結(jié)果分析與討論

基于上文所述硬件電路與邏輯電路設(shè)計，完成EBAPS 國產(chǎn)成像電路的設(shè)計與組建。為測試該成像電路的成像效果，組建了與之功能配套的成像檢測系統(tǒng)，設(shè)計了EBAPS 高壓轟擊測試方案，圖10 給出了實驗測試設(shè)備系統(tǒng)實物圖，該系統(tǒng)包含光學(xué)鏡頭、成像電路、可調(diào)式恒流源、微弱光照度計、Cameralink 采集卡、專用上位機等。EBAPS是電子轟擊型有源像素傳感器，需在光陰極和APS 芯片之間加一個負(fù)高壓以實現(xiàn)電子倍增，測試系統(tǒng)為其準(zhǔn)備了專用高壓電源。實驗中的環(huán)境照度、轟擊電壓均可進行調(diào)節(jié)。在整機正常工作情況下，硬件電路功耗為4.8 W，邏輯設(shè)計電路片上功耗為1.261 W，其中，動態(tài)功耗1.185 W、靜態(tài)功耗0.076 W。

圖10 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成實物圖Fig.10 Physical drawing of structure composition for test system

為進一步提高EBAPS 成像系統(tǒng)的成像效果，感光器件獲得合適的曝光量，使所攝物體呈現(xiàn)正常亮度，增設(shè)自動曝光算法，對不同高壓、環(huán)境照度條件下的圖像進行采集和對比。實驗采集0～1 500 V 范圍內(nèi)的EBAPS 成像圖，為方便結(jié)果對比，選取0 V、-500 V、-1 000 V、-1 500 V 作為代表性結(jié)果。圖11 所示圖像為自動曝光算法和幀間噪聲抑制算法綜合后的效果圖。

圖11 可變高壓下的EBAPS 成像圖Fig.11 EBAPS imaging images under variable high voltages

從圖11 中可以看出，除了因EBAPS 器件工藝原因形成的明顯橫條紋存在以外，在自動曝光算法和幀間噪聲抑制算法下，已可以呈現(xiàn)出較清晰的圖像。圖11 中橫向?qū)Ρ仁黔h(huán)境照度的變化，縱向?qū)Ρ仁歉邏悍档淖兓故玖嗽诓煌h(huán)境照度和高壓值時，國產(chǎn)EBAPS 成像電路的成像效果。其中，在不加高壓、3×10-1lx 照度下，圖像已基本無物體的輪廓特征。根據(jù)圖11 中第3、4 行前兩幅圖可看出：在相同高壓的情況下，自動曝光算法在調(diào)節(jié)不同環(huán)境照度下圖像亮度時，有一定成效；EBAPS 器件加以合適的高壓后，即使在低照度環(huán)境下仍可識別圖像，并且在轟擊電壓設(shè)為-1 500 V時，3×10-3lx 環(huán)境照度下仍可成像。根據(jù)實驗結(jié)果，可以得出，本系統(tǒng)已實現(xiàn)了EBAPS 的國產(chǎn)電路成像的基本功能。

5 結(jié)論

為加快EBAPS 器件成像電路的國產(chǎn)化進程，本文設(shè)計了一套基于EBAPS 的國產(chǎn)成像電路評估板。首先，以國產(chǎn)復(fù)旦微FMK50t 系列的FPGA 芯片為核心，通過器件選型、外圍電路設(shè)計、PCB 繪制搭建了系統(tǒng)的硬件平臺；其次，通過邏輯設(shè)計完成探測器驅(qū)動、圖像緩存、Cameralink 顯示，初步完成EBAPS 圖像顯示功能；最后，設(shè)計了自適應(yīng)曝光算法、幀間噪聲抑制算法改善圖像質(zhì)量，實現(xiàn)了EBAPS 圖像傳感器在3×10-3lx 低照度環(huán)境下的實時顯示。實驗證明，該成像電路整機功耗4.8 W，可以有效去除固定模式噪聲，改善成像質(zhì)量。下一步工作將從低功耗、小型化角度對電路進行優(yōu)化。本文設(shè)計的EBAPS 國產(chǎn)成像系統(tǒng)，可為EBAPS器件的國產(chǎn)成像電路設(shè)計提供參考。