TDI CCD成像系统的研究

    1 引 言

    CCD(Charge Coupled Devices)电荷藕合器件是20世纪70年代初发展起来的新型半导体器件[1],是美国贝尔实验室的W S Boyle和G E Smith于1970年首先提出来的。30年来,CCD的研究取得了惊人的进步,特别是在像感器应用方面发展迅速,已成为现代光电子学和现代测量技术中最活跃、最富有成果的新兴领域之一。电荷耦合器件一经问世,人们对它在摄像领域中的应用产生了浓厚的兴趣,于是精心设计出各种CCD线阵摄像器件和CCD面阵摄像器件。CCD摄像器件不但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点,而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性也是其它摄像器件无法比拟的[2]。

    TDI CCD是一种特殊的CCD器件。TDI(TimeDelay and Integration)是一种扫描方式,它是一项能够增加线扫描传感器灵敏度的技术。TDI的信号输出具有12,24,48,96条积分线和一条水平1024,2048像素。在横向与纵向方向上,具有时间脉冲保持和图像运动同步,累积起来的电荷包(成像数据信息)再转移到CCD水平读出寄存器输出[3]。

    与一般线扫描传感器相比,TDI借助了12,24,48,96等积分线来增加曝光时间。因为传感器信号储存与曝光次数是成正比的,因此所使用的TDI在积分时间内收集到的光子增加了。所以TDI方式的CD比一般线扫描CCD传感器具有更高的灵敏度,它通常用在低光环境下,同时又不会影响扫描速度[4]。

    TDI是基于和运动同步的原理,其MTF为[5]

    式中,MTF(Modulation Transfer Function)为调制传递函数;M是积分线数(与灵敏度增加成正比);$V/V是速度变化量与平均速度的比值。

    对普通的CCD来说,其M=1,而对TDI CCD来说,其M>1。因此,TDI CCD的MTF比普通的CCD的MTF要高。并且可以通过改变TDI CCD的积分线数M来调节其MTF的值,以达到实际应用的要求。

    2 TDI CCD组成的成像系统

    本文采用TDI CCD作为传感器件,设计了一高分辩率CCD相机的成像系统。主要研究内容包括TDI CCD的驱动电路及信号处理电路的研制,其任务是完成地面影像的转换、处理以及整个CCD相机的协调工作。TDI CCD成像系统的框图如图1所示,主要由CCD焦平面单元、时序发生器单元、功率驱动单元、CCD信号处理单元、A/D转换单元等组成。

    TDI CCD成像系统研制的重点是高速高精度CCD时序发生器单元、功率驱动单元、高速低噪声CCD信号处理单元。

    本系统采用IL-E2型TDI CCD,这种线扫描传感器是由加拿大DALSA公司生产的,它使用埋置沟道CCD移位寄存器,以实现最大的信号输出速度和减小器件的噪声。IL-E2型TDI CCD应用在低光条件下实现运动景物的快速成像是理想的,具有为:2048像元;动态结构96,48,24,12,6TDI积分线;13Lm(H)@13Lm(V)像元尺寸;垂直和水平方向积累起来的信号具有高灵敏度;在低光条件下,直接取代线扫描CCD传感器;30MHz有效数据速度;传感器的动态范围超过1600Ø1。