基于CCD的紫外电晕检测系统硬件电路设计
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摘要
紫外探测技术在军事和民用领域发挥着越来越重要的作用。其中电力部门主要用来检测电晕放电，及时准确地检测电晕放电的位置和强弱对保证电力系统可靠运行和减少人身及设备的损坏有重要的意义。
常规的电晕照相机在白天不能有效地探测到电晕活动。本文对基于紫外CCD传感器的硬件电路进行设计，将其应用于紫外电晕检测系统中可使该系统不受太阳辐射的影响，24小时全天候工作，可对电晕放电进行准确地探测和定位，无图像偏差。
结合紫外CCD—CCD180-512-SFT的工作原理，详细介绍了利用现场可编程逻辑阵列(FPGA)设计CCD驱动时序，并在理论上分析了CCD的噪声种类和产生原因，简单介绍了对于各种噪声的消除方法。结合KTC噪声特性，对相关双采样电路进行了详细分析。设计了CCD视频信号处理电路，包括前置预放、输出放大、箝位放大、A／D转换、数据缓存等模块，其中，数据缓存器由Altera新一代FPGA—CycloneⅡ系列EP2C35F484C6内嵌的RAM块生成。实现了高可靠性的CCD视频信号的处理。最后，分析了目前设计中的不足之处，提出部分改进意见。
Ultraviolet technology of detecting is playing a more and more important role in the field of military affairs and civil application in modern society. The main purpose for electric power department is to examine the corona discharge. To detect the position and intensity of corona discharge in time is significant for the steady going of electric power system and the decrease of facilities' destruction.
Normal corona camera can't detect the activity of corona effectively in the daytime. The hardware circuit based on ultraviolet CCD is designed. Apply this hardware circuit to ultraviolet corona detecting system can avoid the influence of solar radiation and detect the corona discharge effectively without image warp.
According to the principle of CCD180-512-SFT, a new approach using filed programmable gate array (FPGA) to achieve the schedule circuit is presented. All kinds of noise of CCD are analyzed, and how to eliminate it is introduced. According to the characteristic of KTC noise, the correlated double sampling circuit is particularly analyzed. CCD video signal processing circuits are designed independently, such as front amplifier, output amplifier, clam amplifier, A/D and FIFO. FIFO is built from embedded M4K memory blocks of Altera Cyclone II device-EP2C35F484C6. The CCD video processing circuits are high reliable. Finally, some advice is given for the design according to the deficiency.
常规的电晕照相机在白天不能有效地探测到电晕活动。本文对基于紫外CCD传感器的硬件电路进行设计，将其应用于紫外电晕检测系统中可使该系统不受太阳辐射的影响，24小时全天候工作，可对电晕放电进行准确地探测和定位，无图像偏差。
结合紫外CCD—CCD180-512-SFT的工作原理，详细介绍了利用现场可编程逻辑阵列(FPGA)设计CCD驱动时序，并在理论上分析了CCD的噪声种类和产生原因，简单介绍了对于各种噪声的消除方法。结合KTC噪声特性，对相关双采样电路进行了详细分析。设计了CCD视频信号处理电路，包括前置预放、输出放大、箝位放大、A／D转换、数据缓存等模块，其中，数据缓存器由Altera新一代FPGA—CycloneⅡ系列EP2C35F484C6内嵌的RAM块生成。实现了高可靠性的CCD视频信号的处理。最后，分析了目前设计中的不足之处，提出部分改进意见。
Ultraviolet technology of detecting is playing a more and more important role in the field of military affairs and civil application in modern society. The main purpose for electric power department is to examine the corona discharge. To detect the position and intensity of corona discharge in time is significant for the steady going of electric power system and the decrease of facilities' destruction.
Normal corona camera can't detect the activity of corona effectively in the daytime. The hardware circuit based on ultraviolet CCD is designed. Apply this hardware circuit to ultraviolet corona detecting system can avoid the influence of solar radiation and detect the corona discharge effectively without image warp.
According to the principle of CCD180-512-SFT, a new approach using filed programmable gate array (FPGA) to achieve the schedule circuit is presented. All kinds of noise of CCD are analyzed, and how to eliminate it is introduced. According to the characteristic of KTC noise, the correlated double sampling circuit is particularly analyzed. CCD video signal processing circuits are designed independently, such as front amplifier, output amplifier, clam amplifier, A/D and FIFO. FIFO is built from embedded M4K memory blocks of Altera Cyclone II device-EP2C35F484C6. The CCD video processing circuits are high reliable. Finally, some advice is given for the design according to the deficiency.
引文
[1] 程开富．新型紫外探测器件及应用[J]．国外电子元器件．2001，(2)：4-10
[2] 靳贵平．紫外探测技术与双光谱图像检测系统的研究[D]．西安：中国科学院西安光学精密机械研究所．2004，6
[3] 梁永山．论电晕放电与检测[J]．电子变压器技术，1999-(2)：19—22
[4] 电晕真的不能消失吗[J]．农村电气化．2002(9)：45-45
[5] 顾聚兴．紫外摄像机在白天探测输电线的电晕放电[J]．红外，2002(1)：44
[6] 张钦芝．新型日间电晕探测照相机[J]．国际电力，2001(2)：60-62
[7] Development of Daytime Corona Inspection Technology. EPRI, Palo Alto, CA, 2000, {Product ID Number 1000460}
[8] K. W. Forsyth. Corona Detector with Optical Filter. Canada Demande Application 2, 211, 490
[9] W. L. Voslo, G. R. Stolper, P. Baker. Daylight Corona Discharge Observation and Recording system. The 10th International Symposium on HV Engineering, 1977
[10] M. Lindner, S. Elstein, P. Lindner. Solar Blind and Bispectral Imaging with ICCD, BCCD, and EBCCD Cameras. SPIE, vol. 3434, pp. 22-31
[11] M. Lindner, S. Elstein, J. Wallace. Solar Blind Bandpass Filters for UV Imaging Devices. SPIE, vol. 3302, pp: 176-183
[12] "Viewing Corona in the Daytime," EPRI Journal, Volume 24, Number 4, Winter 1999
[13] M. Lindner Elstein S, Lindner P. et al. Daylight corona discharge imager. High voltage engineering sumposium. 1999, 8:22-27
[14] Mlalka Lindner, Pinhas Lindner, Jeremy M. Topaz and Avi Mendelson,. J. Phillips, Daycor-A dual-spectrum camera for daytime corona detection. EPRI-Energy livery and Utilization Center, Lenox, MA. USA
[15] 王庆有．CCD应用技术[M]．天津大学出版社．2000
[16] 颜伟彬．CCD信号数据采集及处理[D]．武汉：华中科技大学．2004，5
[17] Kriss Michael, Parulski Ken, David Lewis. Critical technologies for still imaging systems[A]. SPIE[C]. 1989, 1082. 157-183
[18] 江孝国，祁双喜，王婉丽等．CCD输出信号的低噪声处理电路研究[J]．光电子·激光．2001，12(11)：1126-1129
[19] 许秀贞．超光谱成像仪CCD的时序设计与视频信号处理[D]．西安：中国科学院西安光学精密机械研究所．2004，6
[20] 张坤．高帧速CCD摄像器件的设计[J]．红外与激光工程，1999，28(2)：58—61
[21] 李艺琳，冯勇，安澄全．用相关双采样技术提高CCD输出信号的信噪比[J]．电测与仪表，1999(5)：31—32
[22] 许秀贞，李自田，薛利军．CCD噪声分析及处理技术[J]．红外与激光工程，2004，33(4)：343—346
[23] 韩志学．线阵CCD相机电子电路研究[D]．秦皇岛：燕山大学．2005，4
[24] 金明河，赵杰，蒋明．基于微处理器的CCD驱动逻辑产生方法[J]．电子技术应用，1999(2)：22—23
[25] 孔渊，王世勇，崔洪洲，等．基于CPLD的高速面阵CCD驱动电路设计[J]．半导体光电，2003，24(5)：363—366
[26] 王诚，薛小刚，钟信潮，等．Altera FPGA／CPLD设计(基础篇)[M]．北京：人民邮电出版社，2005
[27] 廖裕评，陆瑞强．CPLD数字电路设计-MAX+PLUS Ⅱ[M]．北京：清华大学出版社，2001
[28] 许秀贞，李自田，李长乐，皮海峰，薛利军．基于CPLD的可选输出CCD驱动时序设计[J]．光子学报，2004，33(12)：1504-1507
[29] 龚德铸，贾锦忠，刘洋．紫外CCD敏感器头部电路系统的研究[J]．空间科 学学报，2006，26(2)：132—141
[30] 许永和．EZ-USB FX系列单片机USB外围设备设计与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[31] 郑红，吴冠．TMS320C54xDSP应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
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