一种数字航测相机的驱动系统设计及优化方法

    1 引 言

    由于CCD 具有信号输出噪声低、 动态范围大、量子效率高以及电荷转移效率高等优点， 在光电探测及成像领域获得了广泛应用〔1〕。 随着CCD技术的发展， 新型科学级CCD相机在空间遥感成像和对地观测等领域得到越来越广泛的应用。 CCD工作时序驱动系统的设计是CCD应用的关键。 尤其对数字航测相机而言，CCD驱动关系到整个相机系统的性能和技术指标。 以大幅面CCD传感器FTF4052M为例，在分析其驱动时序的基础上介绍其驱动系统的设计以及在实际应用中降噪方面的优化方法。

    2 CCD的驱动时序分析

    2.1 FTF4052M芯片简介

    FTF4052M是加拿大DALSA公司生产的有效像素为22M（4008H×5344V）的高分辨率全帧CCD图像传感器，最小像元尺寸为9μm×9μm，最大工作频率27MHZ。 其内部结构如图1所示，中间是光积分区域，顶部和底部为水平输出寄存器区。C1、C2、C3为水平像素转移时钟信号，A1、A2、A3、A4为垂直驱动时钟信号。 TG是光敏区与输出寄存器之间的隔栅，OG是输出栅，SG是求和栅，RG是重置栅。

    该芯片将光敏区生成的图像分成W、X、Y、Z四个对称的象限，可通过四路输出端同时输出，有效地提高帧速率，单端输出的帧速率为1帧/秒，四端同时输出就可达3.6帧/秒。 而单端输出就可满足航拍实验要求，且设计简单，因此采用单端输出方式，选用W作为输出象限。

    2.2 驱动时序分析

    FTF4052M的帧转移时序如图2所示 ，SSC为系统内部基准时钟信号，CR（Charge Reset）为CCD的电荷重置信号，即电子快门信号；Trig_in是CCD的外部触发信号， 用它来控制CCD光积分的起始和结束；VA high是控制四相A时钟的高低电平转换的信号。

    CCD帧转移时序分为三个周期性阶段。 CCD未被触发时处在第一阶段， 此时A时钟信号全部保持低电平。 得到触发后CCD进入第二阶段—光积分阶段，即光电转化阶段。 此时A1继续保持低电平，A2、A3、A4变为高电平。 CCD中每个栅极连接一相时钟信号，且像素之间必须分隔，水平方向上可以通过沟道来隔离像素， 垂直方向上隔离像素就必须将四个栅极中的某个栅极电压置为零，这里将A1保持低电平来隔离像素。而电荷则在保持高电平的A2、A3、A4的栅极下积聚起来，形成信号电荷包。光积分结束后进入第三阶段—帧转移阶段，即光电荷转移阶段。帧转移是垂直行转移和水平像素转移交替进行的，它们之间的转换是通过SSC电平的高低转换来实现的。 在SSC保持高电平时，如图3所示，光敏区已经生成的电荷包在四相A时钟信号的驱动下逐行向下转移到输出寄存器〔6〕。