高分辨力TDI_CCD遥感相机的特性分析_佟首峰_百度文库
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高分辨力TDI_CCD遥感相机的特性分析_佟首峰
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14:22:24& 来源：&
& & 摘要:首先简要陈述了提高线阵CCD遥感相机地面像元分辨力的几种有效途径,接着分析它们对相机灵敏度特性的影响。为了解决相机分辨力与灵敏度之间的矛盾,对几种高灵敏度CCD进行简要分析,其中重点对TDI-CCD的工作原理和主要特性进行详细分析,发现TDI-CCD不仅具有高灵敏度,而且对于相机的分辨能力、信噪比和响应非均匀性等特性都有不同程度的改善。从而使TDI-CCD成为解决遥感高分辨、轻型化的主要技术途径和关键技术措施。
& & 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。
& & 从图1可知,在t1时刻,首先由第N级光敏元对小球成像,经过一个行周期后,第N+1级光敏元对小球成像。这样,第N+1级光敏元中的电荷数不仅包括此次曝光时间所收集的信号电荷,而且包括它前一级转移来的信号电荷,这可以等效于光敏面增加1倍,也可以等效于积分时间增加一倍。依次类推,若TDI-CCD的级数为M,CCD视频输出信号将增加M倍,相当于相机的输出灵敏度提高了M倍。
& & 2　TDI-CCD相机的特性分析
& & 前面我们对TDI-CCD进行了定性的分析,现在进一步对TDI-CCD相机进行定量分析,主要包括TDI-CCD对相机的信噪比、动态范围、响应不均匀性和分辨能力的影响。
& & 2.1　动态范围与TDI的级数
& & 根据动态范围的定义,它可以用输出信号的饱和电压与暗噪声等效电压之比来表示。假设TDI-CCD工作级数为1,相当于线阵CCD。如果输出的最大信号电荷数为NS,CCD所产生的暗噪声均方根值为(N2ND+N2NR)1/2,NND为暗电流噪声等效电荷数,NNR为复位噪声等效电荷数,则CCD输出动态范围为DR1当工作于M级时,CCD输出的最大信号电荷数仍为NS,而暗电流噪声随着级数的增加呈M倍增长,复位噪声和级数无关。所以CCD相机输出总均方根噪声表示为
& & 于是得到工作级数为M条件下CCD相机输出信号动态范围为
　　由(4)式可知,随着级数M的增加,CCD相机输出信号动态范围呈减小的趋势。具体减小的程度视暗电流噪声和复位噪声的比例而定。图2简单地示意了TDI-CCD的工作级数对输出信号的动态范围的关系。由图可以得出以下结论:¹随着TDI-CCD级数的增加,CCD输出信号动态范围具有下降趋势,下降的程度视两种均方根噪声的比例而定;&通过调节级数,可以使TDI-CCD工作于很宽的动态范围。所以说,采用TDI-CCD器件可以增加相机系统的动态范围。
& & 2.2　信噪比与级数
& & TDI-CCD正常工作时,视频输出信号电荷数为M级阵列的代数和,表达为其中NSi为一个像素积累的信号电荷数。随着级数的增加,CCD主要噪声源表现出不同的特性:光子散粒噪声仍为信号电荷数的均方根,暗电流噪声则为M级阵列的几何平均值,表示为而复位噪声与M无关。所以,我们能够得到TDI-CCD相机的输出信噪比与级数的关系为
　　通过对式(5)的分析,得出以下结论:无论对于微光摄像应用还是常规光照摄影,增加TDI的级数,都可以使CCD的输出信号的信噪比增加。信噪比增加的程度视工作条件而定,但是至少可以提高M倍。
& & 2.3　相机响应不均匀性
& & TDI-CCD的另一个优点是对同一景物多次曝光成像,CCD输出信号等效电荷数为每个势阱单元所收集的电荷数与级数M的乘积,这可以减小像元之间的响应不均匀性影响和固定图形噪声。对于大多数应用场合几乎不需要校正处理。
& & 2.4　对相机调制传递函数的影响
& & 对于推帚成像模式[3],在CCD积分时间内,相机与景物的相对运动引起图像移动,造成图像模糊。根据像移调制传递函数的定义MTFS=sin(Psf)/Psf可知:要提高MTFS的值就必须减小像移s。对于普通线阵CCD,为了保证扫描方向的地面分辨力,在一行周期内,需要地面覆盖长度在CCD焦平面上所成像的长度至少等于像素的长度a,此时产生的像移s=a,对于奈奎斯特频率fN=1/(2a),得到
MTFS= sin(P/2)/(P/2) = 0.64
　　由此可见,对于普通线阵CCD,像移调制传递函数在奈奎斯特空间频率处的值仅为0.64,它将使CCD相机在推帚方向的地面分辨能力下降。根据像移调制传递函数的定义可知,为了提高MTFS,要求所积累的电荷在TDI方向的转移尽可能的连续,也就是说,当TDI方向电荷转移时钟相数越多,电荷运动越连续,在积分时间内产生的像移对系统的MTF影响就越小。假设TDI方向的移位寄存器的时钟相数为p。在连续两次电荷转移之间,像运动的距离b=b0/p,b0是CCD各单元的中心距。由像移引起调制传递函数下降的表达式为
　　从图3所示的像移调制传递函数示意图中可以发现,在奈奎斯特频率处,如果选用四相转移时钟,其像移产生的MTFS可以从普通线阵的MTFS=0.64提高到MTFS=0.974,基本消除TDI方向的像移引起的MTF的下降,从而使CCD沿阵列方向的MTFp与TDI推帚方向的MTFV基本一致,提高了空间分辨能力[4]。
& & 综上所述,TDI-CCD相机工作于推帚成像时除具有高灵敏度外,它还具有以下四个突出优点:相机的输出信噪比增强,动态范围扩大,像移对于系统调制传递函数影响大大减小,从而提高了空间分辨能力,输出信号的不均匀响应性减弱。那么,它是否存在一些缺点和不足呢?答案是肯定的。在TDI-CCD相机研制过程中,需要考虑速度匹配失调对相机系统MTF的影响。
& & 2.5　速度匹配对MTF的影响
& & 为了满足TDI-CCD的基于同一目标多次曝光这个重要条件,要求被摄物体相对于相机的运动的速度与电荷转移的速度匹配。否则,速度失配将使相机在TDI方向的调制传递函数产生退化。如果电荷包平均速度v-与相对速度vi之差为$v,那么经过M级TDI后,电荷包将从同步条件下应处的位置移动的像移为s=Md($v/vi),d是像平面采样间距。根据像移调制传递函数MTFS=sin(Psf)/Psf,得到由于非同步性效应引起的MTF退化为
& & 这里,f&=f/2fN为相对空间频率,对于M$vvi=2,MTF$v在奈奎斯特极限处f=fN]f&=1/2时MTF$v=0,更大的退化一般认为是不可接受的,因此M$vvi=2成为TDI-CCD的一个重要设计依据。级数越多,对运动速度的同步要求越高,若TDI-CCD工作于96级,那么要求速度的同步精度为$vv&2.08%。由此可见,无论在实验条件下还是实际工作中,都应尽量减小速度失配引起MTF的下降,而且其控制精度一般比较高。
& & 结束语
& & 由于TDI-CCD图像敏感器具有以上诸多优点,使其在微光领域或高分辨、高速相机中有广泛的应用前景。但是,在TDI-CCD相机的具体研制过程中,为了更充分发挥TDI-CCD的优点,还需要解决以下问题:1)通常情况下,通过调节TDI-CCD相机的工作级数,使相机可以应用于亮度范围很广的环境;2)虽然增加TDI-CCD的级数可以提高输出图像的信噪比,但是当输出信号非常微弱时,还需要对系统的各种噪声进行抑制;3)为了减小由于速度不匹配引起图像的分辨能力产生退化的影响,实际应用中通常使TDI-CCD相机的行输出频率可以灵活改变;4)为了增加相机的地面像元分辨力,需要减小行积分时间,这将使相机的像素读出速率增加,所以通常认为TDI-CCD相机是高分辨力、高像素读出速率、高灵敏度相机。
& & 参考文献:
& & [1]　杨秉新.国外航天侦察相机和测绘相机发展概况[J].航天返回与遥感,): 16-24.
& & [2]　王以铭.电荷耦合器件原理与应用[M].北京:科学出版社,1987.
& & [3]　许世文,姚新程,付苓.推帚式TDI-CCD成像时像移影响的分析[J].光电工程,):60-63.
& & [4]　Washkurak W D. High speed, low noise, fine resolution TDI CCD imagers[J].SPIE, 2-263.
& & 作者：佟首峰 &李德志 &郝志航
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