推帚式TDI-CCD相机应用分析

    1 引 言

    当运用线阵型CCD对二维客体进行摄像时,像感器与客体在垂直于线阵方向(x方向)上应有相对运动,像感器的线阵沿x方向逐行地对客体进行摄像,这种成像方式叫推帚工作模式[1]。物平面内x方向上可以分辨的最小几何尺寸由像感器速度通过光学系统在物平面上的投影和像感器积分时间决定,dx= v0T,像感器在扫描方向的分辨率正比于1/dx。而输出信号电荷数E正比于输入照度H、积分时间T和光敏元面积A,表示为EWHTA。

    对于普通线阵CCD,在输入照度、光敏元面积限定的情况下,欲提高信号电荷唯一的办法是增加积分时间,而积分时间的增加降低了扫描方向的空间分辨率,所以在实际应用中不得不折中考虑。而延时-积分(TDI)CCD相对于普通线阵CCD具有许多技术和性能上的优点:高数据输出率、高输出信噪比、宽动态范围。它可以在不牺牲空间分辨率和数据读出率的同时增加输出信号的灵敏度。它之所以有这些特点是由它独特的结构和工作原理决定的,下面我们对TDI-CCD的工作原理进行具体分析。

    2 TDI-CCD结构与工作原理分析

    虽然TDI-CCD种类繁多,但基本结构是相似的。在此我们以比较典型的IL-E2型TDI 2048@96像感器为例进行分析。它的基本结构如图1所示,光敏元为N@M排列,N为水平方向像元数(2 048个有效光敏元),M为垂直方向的像元数(最大为96个像素)。在水平方向和垂直方向都需要移位寄存器驱动控制,这样才能保证所有像素中的电荷顺序地读出;另外TDI-CCD可以灵活控制级数,使其工作于6、12、24、48、96级5种工作方式。

    TDI是基于同一目标多次曝光,通过延时积分的方法,以增强光能的收集。如图2所示,TDI-CCD以推帚方式对一静止图像进行扫描,CCD的线阵方向为y,而CCD运动方向为x方向。当进行扫描摄像时,首先线阵96对客体进行扫描成像,经过一个积分周期T后,光敏元所收集的光子转换为电荷,而在下一行周期的TCK为高电平期间将电荷转移到下一阵列,只要CCD沿x方向前进的位移等于dx= v0T,那么线阵95将对相同的客体进行扫描成像并产生电荷,经过两个行周期后,线阵95中势阱所收集的电荷数为线阵96和线阵95分别产生的电荷数的叠加。对于M级,通过延时积分的方法,输出信号电荷数与级数M呈正比,表达为EWM@HTA。由此可见,级数的增加等效于积分时间的增加或入射照度的增强。所以,TDI-CCD特别适合于高速、高分辨、低光强应用[2]。

    3 TDI-CCD相机系统调制传递函数

    分辨能力是像感器的重要参数,它代表分辨物像细节的能力,而分辨能力可以用调制传递函数(MTF)来描述。空间频率越高,MTF退化越严重,造成这种现象的因素有以下几个方面:几何尺寸、电荷转移中的损失、速度失配、电荷分立运动[3]。