高分辨力TDI-CCD遥感相机的特性分析

    引　言

    随着遥感卫星和遥感应用技术的发展,人们对航天遥感器的分辨能力提出越来越高的要求[1]。根据推帚式线阵CCD相机的工作原理和几何光学原理,相机在线列方向的地面像元分辨力表示为

    其中　GSD为相机的地面像元采样距离,H为相机的运行轨道高度,f为相机的焦距,a为CCD像素单 元线列方向的几何尺寸。推帚方向的地面像元分辨力由相机的星下点速度和行周期时间决定GSDV=VGT1(2)

    其中　T1为行周期时间;VG为星下点速度,它由轨道高度来决定。从式(1)和式(2)可以得到提高相机地面像元分辨力的三种有效途径:增加相机的焦距、缩小相机的行积分时间和选择象素几何尺寸小的CCD器件。为了符合遥感相机轻型化的发展趋势,不因焦距的增加而使相机的体积和重量急剧增加,这就需要减小相机的相对孔径。但是,对于普通线阵CCD而言,相机的灵敏度随着相对孔径、行积分时间、像素几何尺寸的减小而减小。为了使相机地面像元分辨力提高的同时,不使相机灵敏度等其它特性受到负面影响,需要采用高灵敏度的特殊CCD器件。微光摄像的诱人前景以及CCD制造工艺的提高,一些特殊的器件孕育而生。其中,TDI-CCD成为当前为了解决微光摄像或高分辨力、高速CCD相机应用的首选器件[2]。

    1　TDI-CCD的工作原理

    早在20年前,TDI-CCD技术便提出来,仅仅由于TDI-CCD器件的制造成本和制造工艺的原因,一直没有得到广泛的应用。但是,由于TDI-CCD具有不牺牲空间分辨力的情况下获得高灵敏度这个突出特点,使其在高速、微光成像领域具有广泛的应用前景。所以,随着需求量的扩大和生产制造成本的降低,TDI-CCD在90年代又焕发了新的生机。

    对于普通线阵CCD来说,信号等效电荷数为NE∝SEAT。一旦CCD器件已经确定,那么器件的灵敏度S和光敏元的面积A便确定。在输入光照度E一定的情况下,要提高CCD灵敏度,唯一的办法就是增加积分时间T,而增加积分时间将带来空间分辨力的降低,这在某些实际应用中有时是绝对不允许的。所以说,对于高速、微光成像应用,普通线阵CCD是无能为力的。而TDI-CCD则是基于同一目标进行多次曝光,通过延时积分的方法来增强光能的收集,它能轻易地解决灵敏度与分辨力之间的矛盾。下面,我们以运动的小球通过TDI阵列来形象描述TDI的工作原理。

    为了满足TDI-CCD的基于同一目标多次曝光这个重要条件,假设TDI-CCD相机处于静止状态,那么需要小球在TDI-CCD方向存在相对速度。对于TDI-CCD相机,不仅要求小球运动的方向与电荷沿TDI转移的方向一致,而且保证小球运动的速度与电荷转移的速度匹配。