李強(qiáng) 樊奔 陳希

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

一種基于多線陣集成TDICCD的低軌成像驅(qū)動方法

李強(qiáng) 樊奔 陳希

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

隨著用戶對星載對地觀測相機(jī)的多光譜需求提高，芯片集成化能力的提升，多線陣集成的時間延時積分電荷耦合器件（TDICCD）在航天產(chǎn)品中得到越來越多的重視和應(yīng)用。文章分析了TDICCD圖像傳感器在低軌成像時的特點，提出了一種基于多線陣集成TDICCD在垂直轉(zhuǎn)移時間變短情況下的驅(qū)動方式，采用現(xiàn)場可編程門陣列作為硬件處理平臺，使用高速集成電路硬件編程語言設(shè)計了多線陣集成TDICCD驅(qū)動時序。經(jīng)軟件仿真驗證和硬件實際成像測試，該設(shè)計的時序可以滿足傳感器正確、穩(wěn)定的工作要求，搭建系統(tǒng)驗證了產(chǎn)生時序的正確性，通過采集成像圖像并進(jìn)行了分析，最終確定驅(qū)動傳感器工作正常，且能有效解決不同線陣間的成像干擾，提高了傳感器的成像品質(zhì)。

多線陣集成 時間延時積分電荷耦合器件 垂直轉(zhuǎn)移時鐘 軌道高度 空間遙感相機(jī)

0 引言

高分辨率對地觀測衛(wèi)星大多運(yùn)行在200～1 000km的近地太陽同步軌道上[1]，在高分辨率對地觀測相機(jī)對地成像時，為了減小相機(jī)的相對孔徑，提高空間遙感相機(jī)成像的能力，一般都采用時間延時積分電荷耦合器件（time delayed integration charge-coupled device，TDICCD）或面陣電荷耦合器件的時間延時積分工作模式[2]。

TDICCD是基于對同一成像目標(biāo)進(jìn)行多次曝光的原理設(shè)計的[3]。成像目標(biāo)與TDICCD是相對運(yùn)動的，這樣，同一列多個像元隨著相對運(yùn)動對同一目標(biāo)在不同時刻進(jìn)行多次曝光，同時將這些曝光產(chǎn)生的信號累加，從而達(dá)到在不降低分辨率的前提下增加靈敏度的目的[4-5]。

但在TDI的工作模式下，相機(jī)相對地面的移動速度需要和CCD的像元轉(zhuǎn)移速度相匹配，即用相應(yīng)的時間將像元的能量從一級傳遞并累積到下一級[6]。對于同一種相機(jī)，軌道高度降低可以提高分辨率，但同時會引起TDICCD相機(jī)垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期變短、模擬信號讀出頻率的提高，給TDICCD的驅(qū)動設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)。

而本文研究的多線陣集成TDICCD，在航天產(chǎn)品中逐漸開始應(yīng)用，多線陣集成TDICCD在低軌工作時除了上述普通CCD遇到的問題，還需要考慮同一片CCD內(nèi)不同線陣間驅(qū)動時鐘的相互影響。本文在分析多線陣集成TDICCD圖像傳感器低軌成像特點基礎(chǔ)上，提出了一種基于多線陣集成TDICCD在垂直轉(zhuǎn)移時間變短情況下的驅(qū)動方式并設(shè)計了多線陣集成TDICCD驅(qū)動時序，實驗驗證表明，該方法能夠解決不同線陣間的成像干擾問題，提高傳感器的成像品質(zhì)。

1 主要指標(biāo)及驅(qū)動原理

以一款典型的多線陣集成TDICCD為例，1個全色譜段為一條線陣，4個多光譜譜段為四條線陣，且4個多光譜譜段的電子學(xué)指標(biāo)完全相同，其具體參數(shù)如表1。本文對此器件的研究內(nèi)容可以擴(kuò)展到絕大部分多線陣集成TDICCD。

表1 多線陣TDICCD主要指標(biāo)參數(shù)Tab.1 The main features of multi-linear TDICCD

案例中的CCD為四相轉(zhuǎn)移時鐘，轉(zhuǎn)移時序如圖1所示，H1～H4為四相轉(zhuǎn)移時鐘，其為高電平時，在器件內(nèi)對應(yīng)位置產(chǎn)生電勢能造出勢阱，可以存儲電荷。T0～T8為電荷完成轉(zhuǎn)移工作周期內(nèi)的典型時間點，T0′～T8′為逆序轉(zhuǎn)移的時間點，如圖2所示。CCD發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，在T0時刻，產(chǎn)生的電荷存儲在其對應(yīng)的存儲區(qū)；在 T1時刻，H1變?yōu)楦唠娖剑瑒t在此存儲區(qū)相鄰位置產(chǎn)生勢阱，電荷向相鄰存儲區(qū)移動；在 T2時刻，H3變?yōu)榈碗娖剑鋵?yīng)位置勢阱消失，電荷向相鄰存儲區(qū)移動。四相轉(zhuǎn)移時鐘以圖1所示時序工作，直到T8時刻，電荷正好完成從成像對應(yīng)存儲區(qū)到相鄰存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移。

圖1 CCD水平轉(zhuǎn)移時鐘示意Fig.1 CCD horizontal transfer sequence

圖2 CCD電荷轉(zhuǎn)移示意Fig.2 CCD charge transfer

在TDI的工作模式下，要用相應(yīng)的時間將像元的電荷從一級傳遞并累積到下一級，即每一行都要對同一景物成像然后累積，所以相機(jī)相對地面的移動速度需要和 CCD的像元轉(zhuǎn)移速度相匹配，則空間遙感相機(jī)的軌道高度決定了相機(jī)的垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期[7-8]。且由于全色譜段和多光譜譜段的像元尺寸不同，決定了TDICCD的全色譜段線陣和多光譜譜段線陣的垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期關(guān)系比為1∶2。

2 軌道高度對成像的影響

對于TDICCD空間遙感相機(jī)來說，影響其成像的主要因素包括相機(jī)焦距、探測器像元尺寸、讀出速率、軌道高度等[9-10]。軌道高度和最終成像圖像的分辨率密切相關(guān)，在其它因素不變的情況下，軌道越低則意味著能獲得越高分辨率的圖像。而多線陣集成TDICCD的不同譜段間的干擾程序和相機(jī)在軌的成像條件相關(guān)，主要是垂直轉(zhuǎn)移速率參數(shù)的變化。相機(jī)垂直轉(zhuǎn)移頻率變短時，多線陣間的像元垂直轉(zhuǎn)移時鐘和像元水平轉(zhuǎn)移時鐘會發(fā)生干擾，而TDICCD垂直轉(zhuǎn)移頻率和像元尺寸、讀出速率、分辨率、軌道高度等參數(shù)[11-12]相關(guān)，不考慮地球自轉(zhuǎn)，且相機(jī)垂直照到地面的情況下，相機(jī)垂直轉(zhuǎn)移頻率計算方法如下：

式中 F是地面像元分辨率；H是衛(wèi)星軌道高度；a是像元尺寸；f是星載相機(jī)焦距。

式中 V為衛(wèi)星運(yùn)動速度；G為萬有引力常數(shù)；M為地球質(zhì)量；R為地球半徑。

式中 Vt為投影地速。

式中 T為相機(jī)垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期。

在本設(shè)計中相機(jī)為6m焦距，當(dāng)軌道高度大于430km時，即在垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期大于1 000（多光譜譜段像元數(shù)）個時鐘周期的情況下，此相機(jī)的多線陣集成TDICCD驅(qū)動方式和普通驅(qū)動方式無異，在全色譜段的一個垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期內(nèi)，可以把多光譜譜段的像元全部水平轉(zhuǎn)移完畢。

當(dāng)軌道高度小于430km時，即在垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期小于1 000（多光譜譜段像元數(shù)）個時鐘周期的情況下，在全色譜段的一個垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期內(nèi)，多光譜譜段的像元無法全部轉(zhuǎn)移完畢。多光譜譜段線陣的水平轉(zhuǎn)移時鐘會和全色譜段線陣的垂直轉(zhuǎn)移時鐘重疊，即如圖3所示，圖中V_P為全色譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘，H_P為全色譜段水平轉(zhuǎn)移時鐘，V_B為多光譜譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘，H_B為多光譜譜段水平轉(zhuǎn)移時鐘，H_P和H_B均為四項轉(zhuǎn)移時序，以一個時序簡圖表示H1到H4。4個多光譜譜段的時序關(guān)系完全相同，t1～t3為3個時間段。在t2時間段內(nèi)，由于全色譜段正在進(jìn)行垂直轉(zhuǎn)移，勢必對多光譜譜段的電信號產(chǎn)生干擾，其主要干擾方式為互感耦合。

圖3 低軌成像時5個譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘和水平轉(zhuǎn)移時鐘對應(yīng)關(guān)系Fig.3 The timing relationship of five–spectrum imaging on low earth orbit

將采用此種驅(qū)動方式的多線陣TDICCD相機(jī)置于積分球前，在軌道高度小于430km內(nèi)選擇兩組不同垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期進(jìn)行成像，并將成像數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，會發(fā)現(xiàn)4個多光譜譜段的數(shù)據(jù)如圖4所示。圖4（a）為垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期較短時測得的多光譜4個波段量化灰度值，干擾值出現(xiàn)在像元位置600～700之間，圖4（b）為垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期較長時測得的多光譜4個波段量化灰度值，干擾值出現(xiàn)在像元位置800～900之間。通過分析可以看出，全色譜段的垂直轉(zhuǎn)移時鐘信號對多光譜譜段的成像品質(zhì)有影響，而且不同的垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期，對應(yīng)的受影響像元位置也在變化。

圖4 低軌工作時多光譜譜段成像干擾示意Fig.4 The image interference of multispectral imaging on low earth orbit

由此可知對于多線陣集成TDICCD空間遙感相機(jī)在低軌運(yùn)行時，常規(guī)的驅(qū)動方式下多光譜譜段成像品質(zhì)會受到全色譜段的垂直轉(zhuǎn)移時鐘的影響，且受影響像元隨著垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期的變化而變化，從而導(dǎo)致圖像品質(zhì)受影響較大，無法進(jìn)行像元輻射校正。

3 驅(qū)動方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)方案

由于多線陣集成TDICCD相機(jī)在低軌運(yùn)行時，多光譜譜段成像品質(zhì)會受到全色譜段的垂直轉(zhuǎn)移時鐘的影響，因此本文提出了低軌成像驅(qū)動方案。

本設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖5所示，時序控制電路使用晶振和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）產(chǎn)生工作所需時序，經(jīng)過驅(qū)動芯片及箝位后，得到CCD所需驅(qū)動信號，驅(qū)動多線陣TDICCD工作，產(chǎn)生模擬視頻信號；經(jīng)過濾波之后，將模擬信號進(jìn)行箝位、放大、相關(guān)雙采樣，再經(jīng)過A/D變換處理，得到量化后的數(shù)字視頻信號；然后按指定格式進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，再通過接口電路輸出給圖像采集設(shè)備。另外，通過供電及控制設(shè)備發(fā)送指令，實現(xiàn)對垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期、TDI級數(shù)、視頻信號增益的調(diào)整功能。

圖5 多線陣集成TDICCD成像電路系統(tǒng)組成Fig.5 Multi-linear TDICCD imaging circuit system

在具體設(shè)計中，還需注意系統(tǒng)的電磁兼容性，需使用多層電路板，控制好模數(shù)混合板的分區(qū)及走線；模擬信號使用同軸電纜傳輸；高速數(shù)字信號使用差分雙絞屏蔽線；驅(qū)動時序設(shè)計用FPGA實現(xiàn)，用VHDL語言編程[13-15]。該時序采用自頂向下的結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計方法，把整個程序劃分為功能獨立的各個子模塊，在頂層完成各個子模塊的調(diào)用，便于維護(hù)。對驅(qū)動時序程序進(jìn)行功能和時序仿真驗證，仿真結(jié)果表明該設(shè)計時序功能和性能滿足器件的使用要求。

3.2 水平轉(zhuǎn)移時鐘分段時序設(shè)計

避免軌道高度降低帶來的圖像干擾的方法是在時序電路內(nèi)增加多光譜譜段的分段時序設(shè)計，使多光譜譜段水平轉(zhuǎn)移時鐘避開全色譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘，在時間上不存在交疊。具體時序如圖6所示，全色譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘工作時，多光譜譜段水平信號保持不變，待全色垂直轉(zhuǎn)移時鐘工作完后，多光譜譜段水平轉(zhuǎn)移時鐘再進(jìn)行工作。這樣，多光譜譜段讀出信號時避免了全色譜段像元垂直轉(zhuǎn)移帶來的干擾。

圖6 多光譜譜段分段水平轉(zhuǎn)移時鐘Fig.6 Multispectral horizontal transfer sequence

但多光譜譜段的驅(qū)動時序分段后，在t1時間段的最后一個像元和t3時間段第一個輸出的像元，其靠近放大輸出電路的唯一寄存器會受到全色譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘本身的影響，而引入串?dāng)_，如圖7實測結(jié)果所示。圖7（a）為垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期較短時測得的多光譜4個波段量化灰度值，干擾值出現(xiàn)在像元位置600附近，圖7（b）為垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期較長時測得的多光譜4個波段量化灰度值，干擾值出現(xiàn)在像元位置800～900之間。通過分析可以看出，4個譜段在均勻光下，在水平驅(qū)動的分段位置都會有串?dāng)_過沖，而且也會隨著垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期的變化而變化位置，導(dǎo)致圖像受影響較大，且無法進(jìn)行像元輻射校正。

圖7 多光譜譜段分段水平轉(zhuǎn)移的成像干擾實測示意Fig.7 Multispectral horizontal transfer image interference test result

3.3 逆向水平轉(zhuǎn)移時鐘設(shè)計

為避免轉(zhuǎn)移邊緣干擾，多光譜譜段需要在分段水平轉(zhuǎn)移時鐘的基礎(chǔ)上增加逆向水平轉(zhuǎn)移時鐘設(shè)計，其時序關(guān)系如圖8所示，其電荷e轉(zhuǎn)移示意如圖2所示，電荷在T0′到T8′的時間內(nèi)發(fā)生逆向轉(zhuǎn)移。使用此方法讓多光譜譜段水平驅(qū)動信號避開全色譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘，在時間上不存在交疊，即如圖9所示，寄存器內(nèi)正向轉(zhuǎn)移n個像元后，全色垂直轉(zhuǎn)移時鐘到來之前，多光譜譜段的水平轉(zhuǎn)移時鐘由圖1的順序轉(zhuǎn)移變化為圖8所示的逆向轉(zhuǎn)移時序，使得電荷逆向轉(zhuǎn)移3～5個像元，避免此時刻邊緣寄存器內(nèi)的像元受到干擾。全色譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘工作時，多光譜譜段水平信號保持不轉(zhuǎn)移電荷狀態(tài)，待全色垂直轉(zhuǎn)移時鐘工作完后，多光譜譜段水平信號再進(jìn)行正向電荷轉(zhuǎn)移工作。這樣，多光譜譜段讀出信號時避免了全色譜段垂直轉(zhuǎn)移時鐘的干擾。

圖8 逆向水平轉(zhuǎn)移時鐘示意Fig.8 Reverse horizontal charge transfer sequence

圖9 逆向水平轉(zhuǎn)移電荷移動示意Fig.9 Reverse horizontal charge transfer

針對低軌成像時，多線陣集成TDICCD相機(jī)各譜段間會有不可輻射校正的成像干擾，在本方案中，采用分段水平轉(zhuǎn)移時鐘，并在此基礎(chǔ)上增加一段逆向水平轉(zhuǎn)移時鐘設(shè)計，最終完成的成像驅(qū)動設(shè)計，其結(jié)果能完全避免多線陣集成TDICCD的不同譜段間的成像信號干擾，能夠得到最優(yōu)的成像品質(zhì)。

4 測試及驗證

在實驗室搭建測試系統(tǒng)，如圖10所示，在多線陣集成TDICCD成像系統(tǒng)上安裝鏡頭；鏡頭前安裝景物模擬器，可選景物或均勻光輸出；并在外圍搭建相應(yīng)的控制及供電系統(tǒng)給成像系統(tǒng)供電和發(fā)送控制指令，并能夠調(diào)整系統(tǒng)的垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期，模擬低軌工作情況；搭建圖像采集及評價系統(tǒng)對成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。

圖10 多線陣集成TDICCD成像測試系統(tǒng)Fig.10 Multi-linear array TDICCD test system

對系統(tǒng)中所需的時序關(guān)系進(jìn)行FPGA程序編程并進(jìn)行仿真，在全色譜段的垂直轉(zhuǎn)移時鐘V_P到來之前3個時鐘周期，如圖11所示的T0′時刻，多光譜譜段的水平轉(zhuǎn)移時鐘H1到H4產(chǎn)生逆向轉(zhuǎn)移時序，在全色譜段的垂直轉(zhuǎn)移時鐘V_P工作完成后，多光譜譜段的水平轉(zhuǎn)移時鐘恢復(fù)正向轉(zhuǎn)移時序，滿足本系統(tǒng)設(shè)計的多線陣集成TDICCD的驅(qū)動時序要求。

圖11 多光譜譜段正向到逆向水平轉(zhuǎn)移時鐘圖Fig.11 Multispectral horizontal drive and reverse drive clock

使用此方法完成的成像驅(qū)動設(shè)計，其結(jié)果能將多線陣集成TDICCD的不同譜段間的成像信號干擾降到最低，獲得最高成像品質(zhì)，圖12是使用圖像采集設(shè)備測得均勻光的成像圖，4個多光譜譜段的圖像在低軌工作模式下穩(wěn)定無干擾，經(jīng)過像元輻射校正后可以得到良好的成像。

圖12 多光譜譜段低軌成像校正前后對比Fig.12 The value of multispectral pixels contrasting before and after correction

使用該設(shè)計的多線陣TDICCD已成功應(yīng)用于某試驗相機(jī)的成像試驗，該相機(jī)在低軌工作拍攝到的圖像如圖13所示。從圖像可以看出，在本時序驅(qū)動下，相機(jī)成像工作狀態(tài)穩(wěn)定，成像品質(zhì)良好，完全消除了圖4和圖7中的成像干擾，得到了很好的驗證。

圖13 星上系統(tǒng)成像Fig.13 Sensing imaging

5 結(jié)束語

綜上研究結(jié)果，對于多線陣集成TDICCD在低軌運(yùn)行的時候，要注意不同線陣間垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期不同帶來的成像干擾，如果無法保證不同的線陣間垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期相同，則在設(shè)計時需要充分考慮相關(guān)因素，通過使用本文提到的逆向水平轉(zhuǎn)移來避讓干擾，從而獲得良好的成像。

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Driving Method of Low Earth Orbit Imaging Based on Multi-linear TDICCD

LI Qiang FAN Ben CHEN Xi

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Along with the user’s growing requirements for multispectrum of earth observing camera and the improved capability of chip integration, multi-linear array time delayed integration(TDI) charge-coupled device(CCD) has been widely used in space products. This paper analyzes the imaging characteristics of multi-linear TDICCD sensor when imaging from low earth orbit, and puts forward a driving method based on multi-linear TDICCD under the condition of shorter row transfer time. By adopting FPGA as the hardware processing platform and using the very-high-speed-integrated-circuit hardware description language(VHDL), a driving sequence for the multi-linear TDICCD is designed, which can work correctly and meet the requirement based on software simulation and hardware imaging test. Finally, based on the result of the analysis of imaging pictures, the design drives sensor to work normally and can repress imaging interference between different linear arrays to improve the quality of imaging.

multi-linear integration, time delayed integration charge-coupled device(TDICCD), vertical drive clock, orbit altitude, space remote sensing camera

V474

A

1009-8518(2016)01-0032-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.01.004

李強(qiáng)，男，1981年生，2003年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè)學(xué)士學(xué)位，高級工程師。研究方向為視頻電子學(xué)。E-mail：lqcast@sina.com。

（編輯：陳艷霞）

2015-11-30

國家重大科技專項工程