TDI-CCD相机动态成像的速度同步控制研究

    0 引 言

    TDI-CCD是近几年发展起来的一种新型光电传感器,由于其特殊的结构和扫描方式,它可以对同一目标多次曝光,与普通线阵CCD相比,具有很高的光电灵敏度和信噪比[1],特别对现代靶场立靶测试系统的快速成像及在航天卫星的遥感、遥测等领域具有广泛的应用。在线阵CCD交汇测量系统中,对于大靶面、高速飞行的小目标,常规CCD基本上抓不到目标的任何信息,而TDI-CCD在低照度下可以捕获到目标的相关信息,但它和普通线阵CCD的工作原理不同,在对高速动态目标成像时,要求行扫描速率和目标像移速率严格同步,否则,难以正确提取目标的图像信息。这是因为TDI-CCD相机在对运动目标成像时,由于在光积分时间内成像目标的快速变化,导致目标图像与CCD像元之间存在着相对运动,相应地引起光敏面上成像点的变化,由此造成不同步采集而产生的像移。如果速度失配较大,将会降低相机的MTF和分辨力,使相机的输出图像模糊。事实上,严格同步是不可能的,究竟有多大的失配量,即多高的同步控制精度才不会影响成像质量。针对上述问题,本文在介绍TDI-CCD工作原理的基础上,通过像移MTF分析TDI-CCD相机在推扫成像过程中速度失配大小对相机成像质量的影响,并通过实验仿真与测试进一步确定TDI-CCD相机在进行动态成像时的速度同步控制范围,从理论和实验上验证了像移影响成像质量正确性,并给出了同步误差控制的2种有效措施。

    1 TDI-CCD结构及原理

    TDI-CCD是时间延迟和积分CCD,虽然其种类较多,但基本结构相似,其外部结构呈长方形,类似一个面阵CCD,但从功能上来说,它是一个线阵CCD器件。这里,以典型的IL-E2型(TDI2048@96图像传感器)为例,其结构如图1所示。成像区由一排排垂直CCD寄存器组成,它的列数N(如2048)为一行的像元数,它的行数M(如96)为延迟积分的级数。在成像区下方有一个转移门,用于控制电荷从最后一行像元转移到水平读出CCD寄存器。当器件以推扫方式成像时,目标图像将自上而下依次扫过各级TDI像元,每级像元对目标的凝视时间为一个曝光积分周期。在第一个积分周期,第一级像元对目标曝光,并收集信号电荷,当积分周期结束时,信号电荷转移至第二级像元;在第级积分周期,第二级像元在前级转入电荷基础上继续收集同一目标的信号电荷,当周期结束时,信号电荷再转入第三级像元;在第三个周期,第三级像元将以同样的方式对同一个目标曝光,并转移电荷。以此类推,当最后一个周期结束时,转移到水平读出CCD寄存器中的信号电荷为全部TDI像元的积分电荷之和。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[2]。垂直方向的电荷转移为串行移位方式,每级像元将电荷转出的同时,也接收前级像元转入的下一目标的信号电荷,并在下一个积分周期继续对该目标曝光。因此,每经过一个积分周期,TDI-CCD将输出一行视频信号。为确保CCD输出信号为同一目标的累加信号电荷,TDI方向像元间的电荷转移速度必须与像元上目标图像的移动速度同步。