автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование устройств на основе ПЗС для корреляционной обработки и фильтрации сигналов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИ« УНИВЕРСИТЕТ

О Г К П Л На пРавах рукописи

"« " ^ УДК 621.3.049.771.14: 637.2

2 '2

КОЗЛОВ Александр Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ПЗС Щ. КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ И ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ

I

(05.27.01 - Твердотельная электроника и микроэлектроника)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1995

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель - кандидат технических наук.

с.н.с. Е.И.Черепов.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАИН И.Б.Яковкин - доктор технических наук, профессор, академик МАИ В.Б.Губарев;

Ведущая организация - Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской . Академии наук, г.Новосибирск.

Защита диссертации состоится 13 ишя 1995г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета К 063.34.04 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск-92, пр. К.Маркса, 20.

С диссертацией,можно ознакомится' в библиотеке Новосибирского государственного технического университета. .

Автореферат диссертации разослан "_"___:_1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук

А.С.Берлинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Во многих прикладных задачах, например, при анализе данных, и распознавании образов, возникает необходимость корреляционной обработки и фильтрации сигналов [1,2]. ИНфокая распространенность аналоговых источников сигналов, в частности многоэлементных фотоприемяиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС), делает актуальным создание адекватных интегральных средств для обработки сигналов в дискретно - аналоговом виде [3*]. При обработке сигналов ПЗС обладают рядом преимуществ перед приборами, работающими на других физических принципах 14-83. Устройства на основе ПЗС могут выполнять корреляционную и ранговую обработку, фильтрацию аналоговых: сигналов без предварительного аналого-цифрового преобразования вблизи фокальной плоскости фотоприемников. Эквивалентная производительность таких устройств превышает миллиард операций "умножение-суммирование" в секунду. Практическая реализация обработки сигналов, и особенно изображений, наталкивается на ряд трудностей, связанных с тейпом поступления, большим объемом и двумерной структурой исходных данных. Поэтому актуальной является задача анализа организации вычислительных процессов и разработки наиболее рациональных подходов к' построению даскретно-ана'логовых устройств, ориентированных на интегральную реализацию на приборах с зарядовой связью.

Представляемая к защите диссертация посвящена исследованию в области дискретно-аналоговой обработки сигналов на ПЗС. Для постановки работы были следующие основания.

I. Многообразие прикладных задач, подходов к их решению и синтезированных алгоритмов обработки порождает разнообразие как размеров апертуры обработки, так и форматов исходных сигналов. Однако, обработка изображений в реальном масштабе времени обычно' выполняется в специализированных устройствах, характеризующихся фиксированным форматом исходных сигналов 161. Часто подобные устройства ориентированы на единственный, жестко . заданный алгоритм обработки 17•). Узкая специализация аппаратных средств приводит к ограничению области их применения, длительным циклам проектирования, и следовательно, высокой стоимости. Для более широкого внедрения устройств на ПЗС необходимо дальнейшее

развитие способов поточной обработки изображений, программируемое™ их форматов и рационального использования вычислительных ресурсов, что позволит создать универсальное устройство для обработки в реальном масштабе времени аналоговых сигналов и 'изображений, и обеспечить в этом устройстве программируемость как апертуры обработки, так и форматов исходных сигналов.

• 2.' В ряде прикладных задач, например, при виделенин контуров, идентификации и т.п., возникает необходимость динамической смени опорного или эталонного сигнала без прорывания процесса вычисления 11,83. В известных аналоговых N -точечных корреляторах перезапись или коррекция эталона занимает N тектов вычисления, в течении которых выходной сигнал не формируется. Поэтому актуальной является практическая разработка интегрального коррелятора, в котором перезапись аналогового эталона происходит без прерывания обработки аналогового сигнала, что в конечном итоге повисит быстродействие.•

3. Ранговая обработка сигналов часто реализуется на основе вычисления локальных рангов данных внутри окна, скользящего вдоль сигнальной последовательности. Исполнение вычислителей локальных рангов па дискретных и цифровых • элементах, и возникающие при этом трудности миниатюризации ограничивают их применение С5.10]. Кроме того, известные вычислители включают большое число компараторов - сравнительно сложных электронных узлов. В связи с этим необходимо проанализировать алгоритм ранжирования данных для уменьшения операций сравнения и разработки вычислителя рангов, ориентированного на • интегральную реализацию на приборах с зарядовой связью.

4. Приборы с зарядовой связью' имеют определенную специфику принципа действия .и особенности "интегрируемости" в тракт обработки. При этом важными • характеристиками являются неэффективность переноса заряда и коэффициент передачи ПЗС.

4.1. Неэффективность переноса заряда накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС, на полное число переносов и на точность выполнения операций над зарядами. Отсюда актуальность измерения этой характеристики. Известная методика определения неэффективности переноса заряда из -анализа прохождения через ПЗС гармонических сигналов не учитывает влияние на амплитудою - частотную характеристику (АЧХ) ПЗС

процессов дискретизации на входе и восстановления на выходе ПЗС непрерывного сигнала Г4.51. Поэтому необходимо проанализировать возникающую при этом ошибку и разработать способ ее устранения.

4.2. Возможность получения высокого коэффициента передачи определяет интерес к динамической инжекцш сигнального заряда о ПЗС [б]. Однако, при этом коэффициент' передачи зависит от времени накопления и от постоянных напряжений на входном диоде и входном затворе. В некоторых случаях обеспечение требуемого времени накопления или коэффициента передачи приводит к ограничению быстродействия устройств на ПЗС, поскольку процессы накопления и обработки сигнального заряда выполняются последовательно, и, следовательно, длительность тактового периода должна бить больше времени накопления. Кроме того, разброс пороговых напряжений существенно ограничивает использование, динамической инжекцш в многовходових ПЗС. Поэтому требуется исследовать коэффициент .передачи и особенности использования приборов с зарядовой связью в таком режиме.

Цель работа. Разработка на основе ПЗС и исследование устройств для вычисления корреляционной функции, свертки и рангов дискретно - аналоговых сигналов. Для достижения этой цели необходимо было решить следущие основные задачи:

1. Разработать способы и устройство поточной обработки изображений, в том числе переменного формата, с' эффективным использованием, вычислительных ресурсов.

2. Разработать на основе ПЗС интегральные программируемые корреляторы и фильтры аналоговых сигналов, в которых смена эталонного или опорного ' сигнала выполняется без прерывания обработки поступающего информационного сигнала".

3. Разработать способ вычисления и вычислитель рангов, ориентированный на интегральную реализацию на основе ПЗС.

4. Проанализировать влияние процессов дискретизации и восстановления в ПЗС на точность определения неэффективности-переноса заряда по частотной зависимости коэффициента передачи • ПЗС. Внести возможный коррективы в методику.

5. Исследовать коэффициент передачи ПЗС, При рассмотрении уделить основное внимание особенностям динамической инжекцш сигнального заряда в ПЗС. Разработать способы и конструктивные исполнения элементов 'ПЗС, обеспечивашио расширение диапазона реализуемых параметров: коэффициента передачи и быстродействия.

Научная новизна.

1. Развиты способы поточной обработки изображений программируемого формата, ориентированные на интегральную реализацию.

1.1. Первый способ вычисления корреляционной функции двумерного сигнала и эталона форматом реализуется в одномерном устройстве с !Й«Ь ячейками (I - длина строки сигнала). Входные сигналы получают при построчном считывании двумерного сигнала и матрицы эталона, дополненной нулевыми значениями до длшш строки сигнала, т.е. до размера М»Ь элементов. Изменяя количество дополнительных нулевых значений, можно менять формат изображений.

1.2. Второй способ - выполняется в одномерном устройстве с ячейками. Входные сигналы получага при сканировании по

столбцам сигнального изображения и матрицы эталона. Высота полосы сканирования определяется вертикальным размером эталона Ш) .и может изменяться. Возможно формирование требуемого •входного потока путем перестановки отсчетов в последовательности, полученной при построчном считывании сигнала. При этом изменяемость форматов изображений обеспечивается использованием линии с управляемым временем задержки.

Первый способ обработки обеспечивает высокое быстродействие. Второй способ - рациональное использование вычислительных ресурсов.

2. Проведена • экспериментальная проверка способа динамической смены аналогового опорного сигнала без прерывания процесса 'обработки аналогового . информационного сигнала в интегральных программируемых корреляторах и фильтрах на П5С.

3. На основе анализа алгоритма ранжирования данных в скользящем окне впервые разработан способ вычисления рангов, ориентированный на интегральную реализацию на.ПЕС и требующий по сравнению с известнши в 1,5 раза меньше операций сравнения.

4. Проанализирована ошибка известной методики измерения неэффективности переноса заряда по амилитудно - частотной характеристике (АЧХ) ПЗС; впервые получено уточненное выражение для определения неэффективности переноса заряда по АЧХ ПЗС с учетом влияния процессов дискретизации с усреднением на входе и

. восстановления прямоугольными импульсами на выходе ПЗС непрерывного тестового сигнала.

5. Анализ и исследование ПЗС при динамической инжекции сигнального заряда позволили развить способы конструктивного обеспечения требуемого быстродействия и коэффициента передачи устройств на ПЗС.

5.1. Предложен способ совмещения во времени процессов накопления и обработки сигнального заряда в устройствах на ПЗС вэ счет интегрирования входного. сигнального тока в дополнительной области хранения. Это расширяет диапазон реализуемых значений времени накопления, коэффициента передачи и тактовой частоты.

5.2. Разработан способ организации низкочастотной отрицательной обратной связи, обеспечивающий значительное ослабление зависимости коэффициента передачи устройств на ПЗС от разброса пороговых и нестабильности питающих напряжений.

Практическая ценность.

1. Разработано устройство поточной обработки изображений программируемого формата. Возможность обработки изображений переменного формата увеличивает универсальность подобных устройств, расширяет область их применения.

2. Созданы интегральные программируемые коррелятору и трансверсальнда фильтры аналоговых сигналов, работающие в реальном времени, в том числе и с полноформатными изображениями. В соответствии с изменяющимися требованиям прикладных задач в этих приборах можно менять опорные сигналы в любое время, не прерывая'процесса вычисления, что в конечном итоге увеличивает быстродействие.

3. Разработан вычислитель рангов, содержащий по сравнению с. известными устройствами в 1,5 раза меньше 'компараторов. Это упрощает интегральную реализацию вычислителя на ПЗС, уменьшает активную площадь кристалла, приходящуюся на один элемент "скользящего окна".

4. Предложена уточненная методика определения неэффективности переноса заряда по АЧХ ПЗС с учетом влияния процессов дискретизации на входе и восстановления на выходе ПЗС.

5. Разработаны новые конструктивные решения устройств на ПЗС, во-первых, расширяющие диапазон сочетания тактовой частоты, времени накопления и коэффициента .передачи' за . счет интегрирования входного сигнального тока в течение всего тактового периода; во-вторых, значительно ослабляюще влияние на

коэффициент передачи разброса пороговых и нестабильносгн питаниях напряжений за счет организации низкочастотной отрицательной обратной связи- Последнее позволяет использовать динамическую инжекцию сигнальных зарядовых пакетов и получать высокий.коэффициент передачи в многовходовых ПЗС.

Основные положения, выдвигаемые на защиту.

1. Способы и устройство поточной обработки изображений, в том чис^о переменного формата, с эффективным использованием вычислительных ресурсов.

2. Конструктивные исполнения программируемых корреляторов и трансверсалышх фильтров аналоговых сигналов на основе ПЗС, в которых смена опорного сигнала выполняется без прерывания обработки поступающего информационного сигнала.

3. Конструктивное исполнение ■ вычислителя рангов, ориентированное на интегральную реализацию на основе ПЗС.

4. Способ повышения точности определения неэффективности переноса заряда по АЧХ ПЗС за счет учета влияния процессов дискретизации с усреднением сигпала на входе и восстановления прямоугольными импульсами на выходе ПЗС.

5. Способы "конструктивного обеспечения требуемого быстродействия и определенного коэффициента передачи устройств на ПЗС.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Отдела физики поверхности ИФП СО РАН; на семинарах "Вычислительные -системы" ИФП СО РАН; на 1-ой Краевой научно - практической конференции (Красноярск, 1965); на Третьем Региональном семинаре "Распределенная обработка информации" (Улан-Удэ, 1989); на Всесоюзной конференции "Оптикоэлектрояные измерительные устройства и системы" (Томск, 1983); на Республиканской конференции "Физические проблемы ВДП-интегрялыюй электроники" (Севастополь, 1990); на Международной конкуренции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (Новосибирск, 1930).

Часть работы, представленная на конкурс прикладных работ Сибирского Отделения Академии Наук в 1989 году, награждена Дипломом третьей степени.

Публикации. По 'материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе в центральной печати - 13 работ, получено 4 Авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Она содержит 132 страпицы машинописного текста, включая 45 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 59 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

■ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, • сформулт«р"р°»" ^, ноучпоа новизна и практическая ценность работы, а также положения, выдвигаемые на защиту. Дано краткое описание диссертации'по главам.

В первой главе, имеющей обзорный характер, изложены осноогше принципы работы ГОС; рассмотрен коэффициент, передачи ПЗС при разных способах ввода сигнального заряда; приводится выражение для частотной зависимости, коэффициента передачи ПЗС с учетом неэффективности переноса заряда; представлен широкий обзор корреляторов и фильтров на ПЗС. Сформулированы конкретные задачи работы, вытекающие из анализа литературы.

Во второй главе с целью обеспечения обработки в темпе поступления данных и программируемое™ форматов изображений анализируется процесс вычисления двумерной корреляционной функции. ■ !

Допустим,, что исходное изображение имеет К строк по Ь отсчетов, а формат опорного сигнала - М * N. Дискретная корреляционная функция К^п.т) опорного У = СУ(кД)} и информационного X = {Х(к,1)1 изображений представлена выражением

К_(п,т)= 2 Б Х(К+п-1 д+т-1 ).У(кД), (2.1) ** 1=1к=1 где п = 1, 2, (К-М+1); и = 1, 2, .... (МЫ).

Если дополнить матрицу опорного сигнала У = ШкД)> нулевыми значениями до размера - М * Ь отсчетов и ввести новые переменные

1 = (к-1)1 + 1, 3 = (п-1)(Г.-К+Г) + и, то несложно получить следующее выражение

К^Ш» 2 Х(1+3-1)-Ш), (2.2)

где (п-1)Ь+1 ^ 3 « п1-К+1, ' .(2.3)

причем п = 1, 2, ...', (К-М+1).

Таким образом, выражения (2.1) и (2.2) с учетом (2.3) ■ даст адекватные результаты.- Т.е. двумерную корреляционную функцию

можно вычислять в одномерном устройстве. Входные одномерные сигналы получают при построчном и поэлементном считывании сигнала и эталона- Эталон при вводе дополняется нулевыми значениями до длины строки сигнала. Продвижение сигнала в регистре эквивалентно скольжению эталонной матрицы из левого верхнего угла двумерного сигнала в правый нижний. При адекватном наложении сигнала и эталона формируются текущие значения корреляционной функции. Изменяя количество дополнительных нулевых значений, можно менять формат изображений.

Однако, в случае большого формата сигнала и малого формата эталона при вышеизложенном подходе большое количество отсчетов сигнала умножается на ноль. Рассмотрим как обеспечить более рациональное использование вычислительных ресурсов.

В выражении (2.1) заменим внутренную сумму произведением вектора-строки на вектор-столбец:

К^п.т)- £"< Ц Х(к+п-1 Д+т-1) • У(к Д)) =

^ 1=1 к=}

N

'А

УО Д) У(2,1)

У(МД)

Х(п Д+т-1) Х(в+1 Д+т-1)

Х(п+М-1 Д+т-1)

(2.4)

Появляется возможность оперировать с векторами отсчетов, также

как раньше с отдельными элементами. В каждом сдвиге эталона по горизонтали столбец фрагмента.сигнала. Обозначив

У(1 Д) т

> У(2 Д) >

Г(1) = , эШ =

У(МД)

процессе вычисления при обновляется только один

Х(п,1+ш-1) Х(п+1 Д+т-1)

1 - 1,

+ ш,

(2.5)

3 = (п-1 НЬ-М) получаем одномерную корреляционную функцию

^ Г(1).3(1+3-1),

где 3 (Ь-Н+1) (К-М+1).

Таким образом, для вычисления двумерной корреляционной функции с ядром М»Н может быть построено одномерное устройство с 1й»Н ячейками (первый вариант требует (Ь(М-1)+Ю ячеек) и все ячейки будут задействованы в процессе вычисления. Входные одномерные сигналы получают при сканировании по столбцам. Высота

полосы сканирования определяется вертикальным размером эталона. Возможно формирование требуемого ,входного потока путем перестановки отсчетов в последовательности,• полученной при построчном считывании сигнала. При этом изменяемость форматов изображений обеспечивается использованием линии с управляемым временем задержки, количество ячеек в которой = Ш-1

(регистр 3).

Структурная схема разработанного устройства корреляционной обработки представлена на рис.1. Способы подачи сигналов на его входы - на рис.2. На конструкцию устройства получено , Авторское свидетельство. Основой этого устройства является коррелятор.

6хо32

I;

ЭТАЛОН

1

Вк>Э1

Т

СИГНАЛ

■ВхсЭ)

ц

СИГНАЛ

ВхоЭЗ

КоЗ носки

(при необходимости)--- ВжгзЭЗ "1"-«-6хоЭ2

Первый способ Второй способ

Рис.2. Способы подачи сигналов на, входы разработанного устройства.

Разработан 123-точечный коррелятор.аналоговых сигналов. В этом коррепятеро смена эталона обеспечивается без прерывания процесса корреляции сигнала и эталона. Коррелятор изготовлен по

I.

стандартной МДП-технологии в виде кремниевого кристалла размером 4,б»8,2мм2. Блок-схема коррелятора изображена на рис.3. Получено условие согласования входного устройства и устройства считывания заряда, необходимое для работы коррелятора подобного типа. Рассмотрено влияние неэффективности переноса заряда на работу коррелятора аналоговых сигналов. Общая погрешность вычисления определяется технологическим разбросом параметров каскадов и составляет менее 5%.

Сигнальные зарядовые пакеты, передаваемые по первому регистру, модулируют потенциалы на "плавающих" ■ электродах. Потенциалы "ллаващих" электродов преобразуются умножающими транзисторами в токи под управлением эталона. Для аналогового умножения используется "триодный" (ненасыщеннй) рожим МГШ-транзистора. Выходным сигналом коррелятора является разность токов в суммирующих шинах. Возможно также применение цифровых весовых коэффициентов: -1,0.

Второй регистр имеет последовательный вход и параллельный выход. По команде эталон из этого регистра параллельно загружается через изолирующие ключи в ячейки памяти. Ячейки памяти - это набор "плавающих" диффузионных областей III¡. Изменение напряжения на "плаващей" области пропорционально величине пришедшего зарядового пакета.

Вычисление корреляционной функции поступающего сигнала с запомненным эталоном может осуществляться даже в то время, когда новый эталон будет записываться во второй регистр, поскольку ключи изолируют ячейки памяти от регистра. Перезапись эталона одновременно во всех ячейках памяти за время меньшее, чем такт вычисления, обеспечивает непрерывность обработки аналогового сигаала.

Представлена разработка интегрального коррелятора на основе 138-входового ПЗС с объемным каналом (кристалл 7*8 мм2). Полученные экспериментальные результаты показывают, что объединение двух таких кристаллов обеспечивает обработку за одну секунду при первом варианте включения 7500 кадров двумерного сигнала форматом 32*32 элемента, эталон - 8*8; при втором - 25. кадров сигнала - 170170 элементов, эталон - 16*16.

В третьей главе рассмотрено устройство для фильтрации изображений. Разработан 5 - точечный программируемый транс-версалышй фильтр на ПЗС, допускащий применение аналоговых и цифровых (О, -I, -2) весовых коэффициентов (кристалл 5*5 мм2). Общая погрешность вычисления составляет, менее 1%. В этом фильтре смена весовых коэффициентов обеспечивается без прерывания процесса обработки сигаала. Приводятся экспериментальные результаты, позволяющие использовать разработанные фильтры при контрастировании перепадов яркости на полноформатных изображениях•(512*518 элементов, 20 кадров в секунду).

Проанализирован алгоритм ранжирования данных в скользящем окне из N элементов входной последовательности. Каждому элементу сигнала в скользящем окне соответствует ранг, вычисленный по данному фрагменту сигнала. При сдвиге окна на'один такт в него входит новый элемент сигнала и один элемент выходит. Локальные ранги элементов нового фрагмента, сдвинутого на один шаг,, могут быть получены модификацией рангов элементов предыдущего фрагмента Г12].

СИГНАЛ: X,

1вх

Х1 Хвнх

РАНГ: И.

вх

Н1 '. Квых

"вх__-" "иге

Известно, что вычисление локальных рангов содержит три группы операций сравнения [5,101.

Первая группа - сравнение входного элемента Х^ с остальными элементами окна Х^, где 1 = 1...(И-1).

Вторая - сравнение входного ранга Нш с рангами элементов, оставшихся в окне где 1 = 1...(И-1).

Третья - сравнение выходного ранга 1!вцх с рангами элементов, оставшихся в окне В^, где 1 = 1...(Н-1).

Первая группа операций сравнения необходима для вычисления ранга входного элемента. Вторая и третья - для модификации рангов остальных элементов текущего фрагмента. Выполнение всех трех груш операций требует 3(М-1) компараторов.

, Заметим, однако, что величина рангов непосредственно связана с величиной элементов сигнала, причем большему элементу соответствует больший ранг и наоборот. Поэтому можно сделать вывод о фактической эквивалентности первой и второй групп операций сравнения. Т.е. для вычисления локальных рангов достаточно двух групп операций сравнения, что требует только 2(Ы-1) компараторов.

Таким образом, предложенный способ заключается в вычислении П _ / I, при хвх ^ хх; О, при Х^ < х1.

N-1 (

Квх = 1£1С1. С1 = {

и модификации ♦

в1 = ^ + Л^, где ЛЯ1

Г X, > Хвх С х1 О, при ^ 1 или { х

1«1->вшх К

> \л(

Хвх „„„ [ Х1 ^ Хвх .

'< «вых'

+1, при

{

< КВЦХ Х1 *вх

-I, при

' Н1 > ^ых

Проведенный анализ позволил разработать вычислитель рангов, требующий по сравнению с известными в 1,Б раза меньше компараторов. Это упрощает интегральную реализацию вычислителя рангов на ПЗС, . уменьшает активную площадь кристалла, приходящуюся на один элемент "скользящего окна". На конструкцию вычислителя рангов получено Авторское свидетельство.

В интегральном исполнении вычислителя сдвиговый регистр, блок сумматоров и элементов задержки реализуются на ПЗС. При этом блок сумматоров и элементов задержки представляет собой регистр ПЗС с дополнительными входами для суммирования

(вычитания) содержимого ячеек ПЗС и единичного зарядового шкота (рис.4). Входные и выходные сигналы, представлены в зарядовой области; это обеспечивает возможность размещения вычислителя но одном кристалле с другими функциональными ПЗС.

Ю

Вход -> сигнала

РЕГИСТР

ПЗС

Т

Компараторы ч}—> >>

РЕГИСТР ПЗС

Выходы рангов Рис.4. Разработанный вычислитель рангов на ПЗС.

В четвертой главе, исследована ошибка известной методики определения неэффективности переноса заряда по амплитудно -частотной характеристике ПЗС (4,51. Для- этого рассмотрена частотная зависимость коэффициента передачи ПЗС. Коэффициент передачи ПЗС равен произведению коэффициентов передачи входного устройства, каскадов переноса заряда и выходного устройства (рис.5). -

Вход Входное N каскадов Выходное Выход

Входное N каскадов Выходное

устройство переноса к>(3«0 устройство

Н^и) Н3(Л»)

Рис.5. Структурная схема ПЗС.

Во входном устройстве выполняется дискретизация исходного непрерывного сигнала. Если дискретизация • осуществляется с усредением сигнала за время тактового периода, то спектр исходного непрерывного сигнала умножается на спектр импульса дискретизации прямоугольной формы 12,4]. Поэтому коэффициент передачи входного устройства описывается функцией ввда

щ Й1п(т.р«г/Ч? ) Н, (Л«г> = —цжТйТ ехр^отсрлу,

где р - отношение времени усреднения к тактовому периоду, тактовая частота. Если же длительность дискретизующих импульсов бесконечно мала (р»0), • то споктр исходного сигнала при дискретизации не изменяется.

Коэффициент передачи N каскадов ПЗС с учетом неэффективности переноса (е) можно записать следующим образом £5,81:

= ехр[-НЕ(1-Соа(2ют/«т))] е2р(-.1Не51п(2ютЛ»т). (4.в) В выходном устройстве сигнальные зарядовые пакета обычно преобразуются в напряжение и синтезируется ступенчатая аппроксимация сигнала. При этом происходит умножение спектра сигнала и спектра прямоугольного восстанавливающего, импульса [41. Поэтому выражение для коэффициента передачи выходного

каскада можно записать в виде 2щ Б1п(1ф?/и_) Н3(3») = - ~ ехр(-^лг7/иг),

где 7 - отношение времени существования сигнала на выходе к

длительности тактового периода.

Таким образом, модуль выражения, описывающего частотную

зависимость коэффициента передачи ПЗС, равен

Б1п(в1от/«0 БЗлСттаг/О

|Н(Зи>|=-г- ехр(-Не(1 -Соз(2тш/« )-г-.

ртШ/?ГТ . 1 ТШ/Ит

На практике наиболее часто встречается случай,' когда

дискретизация на входе осуществляется импульсами малой

длительности, а на выходе происходит восстановление сигнала в

виде ступенчатой огибающей (р»0, 7=1).

В Г4,Б] предлагается • использовать для определения

неэффективности переноса заряда выражение (4.6). Однако, в этом

случае неучет процесса восстановления на выходе неизбежно ведет

к завышенному значению неэффективности переноса. Зависимость

возникащей при этом ошибки от потерь переноса при частоте,

взятой в качестве параметра, приведена на рис.6. . Ошибка

находилась как отношение потерь заряда,, вычисленных без учета

влияния восстановления, к реальному значению потерь заряда.

Видно, что превышение полученного значения потерь над реальным

наблюдается на всех частотах и при всех значениях

неэффективности переноса. Причем ошибка возрастает с ростом

частоты и уменьшением общих потерь, и может превышать 10 раз.

Оиибко

Рис.6. Зависимость ошибки, возникающей при определении неэффективности переноса заряда по АЧХ ГОС без учета влияния процесса восстановления на выходе.

Несложно показать, что в случае дискретизации с усреднением сигнала на входе БЗС (р=1, 7=1) ошибка становится еще больше.

Таким образом, при определении неэффективности переноса заряда по АЧХ ПЗС необходимо обязательно учитывать процессы дискретизации сигнала с усреднением на входе и восстановления прямоугольными импульсами на выходе ПЗС.

Теоретически проанализированы и экспериментально исследованы особенности динамической инжекции сигнального заряда в ПЗС. При "динамической инжекции" сигнальное напряжение преобразуется в ток, который накапливается на емкости приемной области ПЗС в течении определенного времени [8]. Это определяет высокий коэффициент передачи и функциональные возможности динамической инжекции - экспоненциальную или квадратичную зависимость величины введенного зарядового пакета от входного напряжения.

Первая особенность. Коэффициент передачи по напряжению зшиеит от времени накопления (,„ (рис.7 кривая I). Обеспечение

/г

Рис.7. Зависимости коэффициента передачи ПЗС от'времени накопления (I) и от напряжения смещения (2 - без обратной связи, 3-е обратной связью).

требуемого времени накопления или коэффициента передачи в некоторых случаях приводит ■ к ограничению быстродействия функциональных устройств,. поскольку длительность тактового периода должна быть больше времени накопления. Предложено и апробировано конструктивное решение, позволяющее в течение всего тактового периода накапливать входной сигнальный ток в дополнительной потенциальной ямэ под вторым затвором (рис.8). Процессы накопления й обработки сигнального заряда совмещаются во времени, и длительность тактового периода может быть равна времени накопления. Это расширяет диапазон рейлизуемых значений времени накопления, коэффициента передачи и тактовой частоты.

Вторая особенность. Сильная зависимость коэффициента передачи от напряжения смещения (рис.7 кривая 2 • для подпорогового режима). Предъявляются жесткие требования к разбросу пороговых и нестабильности питающих . напряжений. Предложенный автором способ организация низкочастотной

Рис.8. ИЗО при динамической инжекции зарядовых пакетов. <исм-напряжбшгв смещения; ,и2-постоянные напряжения; Цд-тактируемое напряжение; ис(3-импульс сброса).

отрицательной обратной связи обеспечивает значительное ослабление зависимости коэффициента передачи от разброса пороговых и нестабильности питающих напряжений (рис.8). Участок, где коэффициент передачи не зависит от напряжения смещения расширяется см. кривую 3 на рис.7. Это позволяет осуществлять динамическую инжекцию сигнального заряда в многовходовых ПЗС. На предложенные конструктивные решения получены Авторские свидетельства. •

го

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Итак, в представленной работе решен комплекс вопросов, .•ьязашшх с созданием на основе ПЗС и использованием устройств для корреляционной и ранговой обработки, фильтрации сигналов. Разработанные устройства шеют высокую производительность (до Б миллиардов операций "умножение-суммирование" в секунду) и могут обрабатывать сигналы без предварительного аналоге - цифрового преобразования вблизи фокальной плоскости фотоприемника.

Получены следущие основные результаты и выводы:

1. Развиты способы и вперено разработано устройство поточной обработки изображений программируемого формата, ориентированные на интегральную реализацию на ПЗС. Один способ обработки обеспечивает высокое быстродействие. Другой рациональное использование вычислительных ресурсов. Возможность обработки изображений переменного формата увеличивает универсальность, расширпет область применения подобных устройств.

2. Впервые созданы программируемые интегральные аналоговые корреляторы и трансверсальные фильтры на основе ПЗС, в- которых смена эталонного или опорного сигнала обеспечивается без прерывания процесса обработки информационного сигнала, что в конечном итоге увеличивает быстродействие.

2.1. Разработанный на основе ПЗС с объемным каналом 128 -точечный коррелятор может обрабатывать за одну секунду 7500 кадров изображения, имеющего формат 32«32 элемента, окном размером 8«8 при первом способе включения; при втором - 25 кадров изображения, имеющего формат 170*170 •элементов, окном размером 16«16.

2.2. Разработанный' 5 - точечный, входовзвешиваодий программируемый трансверсалыгай фильтр на ПЗС. в котором допустимы цифровые (-2, -1, О, +1, +2) и аналоговые значения весовых коэффициентов, можно использовать для контрастирования перепадов яркости на полноформатных изображениях (512*512 элементов, 20 кадров в секунду).

3. Впервые на основе анализа алгоритма ранжирования данных в скользящем окне разработан вычислитель рангов, ориентированный на интегральную реализацию на основе ПЗС и требующий по сравнению с известными в 1,6 раза меньше компараторов.

2i

4. Проанализирована ошибка известной методики измерения неэффективности пореноса заряда по амилитудно - частотной характеристике (АЧХ) ПЗС. Превышение значения неэффективности переноса, полученного без учета влияния восстановления на выходе ПЗС, над реальным значением потерь заряда наблюдается при всех частотах тестового гармонического сигнала и т,ри всех значениях неэффективности переноса. Величина ошибки возрастает с ростом частоты и уменьшением общих потерь, и может превышать 10 раз.

BnepFiiie получено уточненное выражение для определения неэффективности переноса заряда по АЧХ ПЗС с учетом влияния процессов дискретизации с усреднением на входе и восстановления п])ямоугольными импульсами на выхода ПЗС непрерывного тестового сигналя.

5. Анализ и исследование ПЗС при динамической инжекции сигнального заряда позволили развить способы конструктивного обеспечения требуемых характеристик устройств на ПЗС.

5.1. Предложен способ расширения диапазона реализуемых значений времени накопления, коэффициента передачи и тактовой частоты устройств на ПЗС за счет интегрирования входного сигнального тока в дополнительной области хранения в течение всего тактового периода.

5.2. Разработан способ значительного ослабления зависимости коэффициента передачи устройств на ПЗС от разброса пороговых и нестабильности питающих напряжений ■ за счет организации низкочастотной отрицательной обратной связи. Это позволяет использовать динамическую инжекцию и получать высокий коэффициент передачи в многовходовых ПЗС.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ:

1. А.И.Козлов, В.И.Райгель, А.А.Спектор. Исследование качественных характеристик двумерного векторного фильтра // 1-я Краевая научно-практическая конференция: Тез. докл., 8-13 апр. 1985 г. - Красноярск, 1985. - С. 155.

2. A.c. 1469569 СССР, Устройство считывания фотосигнала / Болдырев В.А., Козлов А.И., Кляус Х.И., Фомин Б.И., Черепов Е.И. Опубл. 30.03.89, Бюл.Л 12. МКИ: Н 04 N 5/30.

3. А.И.Козлов, В.И.Черепов, А.Е.Эпов. Вычислитель рангов // Распределенная обработка информации: Тез. докл. Третьего регионального семинара, июль 1989 г.- Улан-Удэ.: 1989. - С.

99.

4. А.И.Козлов, Х.И.Кляус, Е.И.Черепов. 5-точечный аналоговый свертаватель на приборах с зарядовой связью // Распределенная обработка информации: Тез. докл. Третьего регионального семинара, июль 1989 г. - Улан-Удэ.: 1989. - С.

■ 100.

5. ■ А.И.Козлов, Х.И.Кляус, Е.И.Черепов. 128-точечный аналоговый

свертаватель на приборах с зарядовой связью // Оптико-электронные измерительные устройства и системы: Тез. докл. Всесоюз. конф., октяб. 1989 г. - "Томск.: Радио и связь, 1989. - Ч. 1. - С. 13.

6. А.И.Козлов, Х.И.Кляус, В.П.Мусливец, Е.И.Черепов. Устройство считывания фотосигнала. Оптико-электронные измерительные устройства и системы. Тезисы докладов . Всесоюзной конференции. Томск.: Радио и связь. Часть 1, стр. 40, 1989.

7. A.c. 1654834 СССР. Устройство для корреляционной обработки / ■ Бакут H.A., Ворновицкий И.Э., Козлов А.И.,' Кляус Х.И., Олыианецкая В.В., Черепов Е.И. // Бюл.й 21. 1991. МКИ: G 06

F 15/336.

8. Козлов А.И., Кляус Х.И., Черепов Е.И. и др. Устройства свертки сигналов на , приборах с зарядовой связью. Новосибирск, 1989. т.'63 с. ■ - (Препринт / АН СССР. Сиб. . отделение. Институт, физики полупроводников; №43).

9. A.c. 1700765 СССР,' Устройство считывания фотосигнала / Козлов А.И., Кляус Х.И., Мусливец В.П., Черепов Е.И. Опубл. 23.12.91, Бюл-гё 47. МКИ: Н 04 И 5/30.

10. Ворновицкий Н.Э., Козлов А.И., Кляус Х.И., Черепов Е.И. 32-точечный аналоговый свертыватель на приборах с зарядовой связью. Автометрия, 1990, N Б, 36 - 42 с.

11. Козлов А.И., Кляус Х.И., Мусливец В.П. .Черепов Е.И. 5-точечный аналоговый свертыватель на приборах с зарядовой связью. Автометрия, 1991, Jfe I, 103 - 107 с.

12. Н.Э.Бокк, А.И.Козлов, Х.И.Кляус, Е.И.Черепов. Определение • неэффективности переноса в ПЗС по затуханию гармонического сигнала // Физические проблемы ЩП-интегральной электроники: Тез. докл. VI Республ. конф., 28 - 30 июня 1990 г. - Киев,

1990. - с. 32.

13. А.И.Козлов, X.И.Кляус, Е.И.Черепов. Устройство для двумерной свертки сигналов // Обработка изображений и дистанционные исследования: Тез. докл. Междунар. конф., 19 - 21 августа 1990 г. - Новосибирск, IS90. - с. 131 - 132.

14. А.И.Козлов, Е.И.Черепов, А.Е.Эпов. О медианной и низкочастотной фильтрации при контрастировании изображений // Обработка изображений и дистанционные исследования: Тез.

•докл. Междунар.конф.. 19-21 августа 1990г.- Новосибирск,

1990.-C.I33.

15. Бокк Н.Э., Козлов А.И., Кляус Х.И., Черепов Е.И. Учет влияния дискретизации при определении неэффективности переноса по амплитудно-частотной характеристике прибора с зарядовой связью // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы.- 1990.- J6 в.- С. 38 - 42.

16. Козлов А.И., Кляус Х.И., Черепов Е.И. и др. Коэффициент передачи прибора с зарядовой связью. - Новосибирск, 1990. -32 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отделение. Институт физики полупроводников; * 6).

17. Козлов А.И. Функциональные ГОС для корреляционного сравнения сигналов. - Новосибирск, 1991. - 36 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отделение. Институт физики полупроводников; * I).

18. Козлов А.И. Устройство для свертки сигналов. Автометрия,

1991, * 3, стр. 90-92. .

19. A.c. * 1795448 СССР. Вычислитель рангов / Козлов А.И., Черепов Е.И., Эпов А.Е. // Опубл. 15.02,93. Бюл.* 6, МКИ: G Об F 7/06.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

I. Ирэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. - М. : Мир, 1982.

-2. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях / Под ред. Н.Г.Волкова. Пер. с франц.- М.: Мир, 1983.

3. Быков P.E., Манцветов A.A., Степанов H.H., Эйсенгардт Г.А. Преобразователи изображения на при5орах с зарядовой связью.-М.: Радио и связь, 1992.

4. Цыкш И.А. Дискретно-аналоговая обработка сигпалов.- М.: Радио и связь, 1983.

Б. Валякия И.А., Егоров Ю.М., Родзивилов В.А. Приборы с переносом заряда в радиотехнических устройствах обработки информации.- М.: Радио и связь, 1987.

G. Chiang A.M., Chuang K.L. A CCD Programmable Image Processor and its Neural Network Applications // IEEE Journal of Solid-State Circuits.- 1991.- SC-26, й 12.- PP. 1894 - 1901.

7.. Кузнецов Ю.А., Шилин В.А. Микросхемотехника БИС на приборах с зарядовой связью.- М.: Радио и связь, 1988.

8. Приборы с зарядовой связью / Под ред. М.Хоувза и Д.Моргана: Пор. с англ. - М.: Энергоиздат, 1981.

9. Кухорев Г.А., Тропченко А.Ю., Шмерко В.П. Систолические процессоры для обработки сигналов.- Мн.: Беларусь, 1988. -с. 142.

10. A.c. J6 II09739 СССР. Устройство для ранжирования чисел / Ложкин Ю.Н., Мамаев A.A., Яхонтов Р.Д.- Опубл. 23.08.84. Бюл-fö 31.

11. A.c. Jf<913563 СССР. Программируемый трансверсальный фильтр / Кляус Х.И., Ли И.И., Филлипова В.В., Черепов В.И.- Опубл. 15.03.82, Бал. Л 10.

12. Тьюки Дж. Анализ результатов наблюдений: Пер. с англ.- М.: Мир, 1981.- с.675.

Подписано в печать ££ апреля 1995 г. Формат 84 х 60 х I/I6. Бумага оберточная. Тираж 120 экз. Усл.печ.л. i,5. Уч.-изд.л.

Заказ Ш 19Я

Бесплатно

Отпечетано на участке оперативной полиграфии Новосибирского государственного технического университета 630092, г.Новосибирск, пр. К.Маркса, 20