TDI CCD相机系统设计

　　引言

　　TDI（Time Delay Integration）是一种新型的扫描方法，拍摄时对某一个目标进行多次曝光，使积分时间增加 M 倍（M 为 TDI CCD 的级数），即使在低照度的环境下，CCD 芯片也有较高的灵敏度和较大的动态范围。在拍摄运动物体时有效的避免了拖尾现象，提高了输出信噪比。由于这些优点使得 TDI CCD 相机可以使用相对小口径的光学系统。

　　在红外微光夜视环境下，对运动目标的实时测量是十分必要的，TDI 的相机满足了这一要求，它能够在微光条件下用小口径的相机长时间的对准动态的低照度的目标进行连续的扫描跟踪拍摄，不需要像传统的 CCD 那样重复的清零和动作机械快门。观测人员可根据返回的图像信息（逐行显示数据）对相机做出必要的调节，不需要在曝光和数据采集之间频繁的切换，提高了观测效率。另外，TDI 拍摄的图像进行了多帧累积，有效的抑制了随机噪声，图像的信噪比和相机的灵敏度都得到了提高，以便在红外微光夜视等环境下观测更暗弱的目标。

　　1 实验原理

　　TDI CCD 的像元结构和全帧转移面阵 CCD 基本相同，本文所用的为 Kodak 公司的 KAF1001E，它是一款高灵敏度宽动态范围的增强型 CCD 芯片。在 TDI模式下工作时，所拍摄的目标与相机之间要有相对的运动，目标在像面上的运动需要和电荷包在 TDI 方向上的运动速度同步，也就是两者相对静止对同一目标进行多次扫描[1]。若速度不同步则会引起图像变形，即行方向和列方向上的拖影。如图 1 所示。TDI 相当于对同一目标多次曝光的叠加，电荷包在势阱里进行，受 CCD 驱动信号 Vertical 驱动，即 TDI 信号控制。当 TDI 的第一个信号 T1 将第一行产生光敏电荷存入移位寄存器中，第二个 TDI 信号 T2 将 T1 及第二行产生的光敏电荷存入移位寄存器中，以此类推，转移完全部 TDI 产生的电荷，并经过放大器顺序读出，重复这个过程一直到整幅图像读出为止。如图 2 所示。

　　为了保持 TDI 与拍摄物体运动同步就需要一个额外的外触发信号来控制行转移操作。实验中，首先我们需要运动的图像，我们采用北京华维浩润公司的X 平台移动测试系统，将相机放置在该系统导轨的平台上，通过串口控制平台的移动速度 V（V 从 0.3mm/s到 39.05 mm/s 共 100 档速度可调），这样相当于被拍摄物体在反向以 Vt的速度做相对运动。

　　其次需要一个可调节的外触发时钟信号。调节该信号使得其与被拍摄物体运动严格匹配。即：

Vt＝N⋅p/TL(1)

　　式中：N 为镜头的放大倍数，镜头采用 Nikon 的 120mm焦距镜头，如果物距为 H，则 N＝H/120，经测量 N＝19.8；p 为相机的像元尺寸，KAF1001E 的像元尺寸为 24μm；TL为图像运动速率及放大倍数下 TDI 的行转移周期。Ft＝1/Vt，为 TDI 的频率，调节外触发的Ft使之与图像的运动速度同步，则可以采集正确的TDI 图像。为了调节出正确的 Ft，我们采用的是 STC系列的 MCU 来实现，通过串口在线发送数据，MCU接收到数据后控制将其转换为外触发高低电平的时间，从而设置外触发的频率 Ft。