TDICCD相机的低噪声视频处理技术

    1 引 言

    TDICCD(Time Delay Integration CCD)器件是一种特殊的CCD传感器,具有多级结构,它采用同步多级时间累积积分来延长曝光时间,与同样的线阵CCD比,由于M级积分的TDICCD的光能量利用率可提高M倍,信噪比可提高M倍,从而降低了对相机相对孔径的要求,减小了相机系统的重量和体积,大大降低了成本。科学级TDICCD相机(Scientific grade TDICCD camera)是一种具有低噪声、高灵敏度、大动态范围和高量子效率的优良性能的相机,它在空间遥感、天文观测、武器装备等多种技术领域得到了广泛应用[1-3]。

    TDICCD器件的输出信号是空间采样的离散的模拟信号,即有模拟信号和数字信号的双重特性,其中夹杂着各种噪声和干扰,为了保证在TDICCD的动态范围内得到高信噪比的视频信号,以获得较高的图像质量,必须对这些噪声予以抑制。本文分析了TDICCD相机的噪声特征及其处理方法,介绍了TDICCD相机低噪声视频处理电路的原理设计,构建测试平台,并给出了实验测试结果。

    2 TDICCD相机噪声分析及改进

    提高TDICCD相机的成像质量,首先应分析相机噪声的构成和机理,然后根据各噪声的特点分别采取行之有效的措施。TDICCD相机系统中噪声主要包括TDICCD图像传感器的噪声以及片外视频系统的噪声两部分,如图1所示。TDICCD的自身噪声包括光子散粒噪声、暗电流噪声、复位噪声、低频噪声和白噪声等。光子散粒噪声为CCD固有噪声,不能被抑制;对于暗电流噪声,当CCD的工作温度降低到-15e时,可以使暗电流噪声得到很大程度的抑制。片外视频系统的噪声主要有视频信号预处理噪声和量化噪声。视频预处理噪声通过采用低噪声器件和相关计;为了减小量化误差对系统误差的影响,应尽量增大系统的增益。所以,视频信号处理电路需要抑制的主要噪声源仅剩下复位噪声和对系统噪声影响相对来说比较小的低频噪声和宽带白噪声[4]。

    2.1 复位噪声

    复位噪声的产生与CCD的输出结构有密切联系,目前TDICCD最常用的是浮置扩散放大器结构FDA(Floating Diffusion Amplifier),如图2所示[5]。其中,UR、RON、ROFF、C0是复位MOS晶体管T1的等效模型,RON为T1在导通时的阻抗,ROFF为T1在关断时的阻抗、C0为浮置扩散对地电容;T2是输出MOS晶体管。

    当复位噪声对C0充电时,A点处的复位噪声电压均方值为:

    式中:R为A点处的交流对地电阻。由于T2的输入阻抗极高,浮置扩散区与衬底又处于反偏,故可认为R就是复位管T1的沟道电阻。当进行/复位0时,也就是UR加上正脉冲使T1导通,此时VAUVDR,一般R=RON=1048、C0=0.1 pF数量级,则时间常数为:tON=RON#C0=1 ns。而一般复位脉冲频率在几MHz以下,其脉冲周期t为微秒级,所以,tmtON,此时A点处的复位噪声电压将为::