一种基于多线阵集成TDICCD的低轨成像驱动方法

李强 樊奔 陈希

（北京空间机电研究所，北京 100094）

一种基于多线阵集成TDICCD的低轨成像驱动方法

李强 樊奔 陈希

（北京空间机电研究所，北京 100094）

随着用户对星载对地观测相机的多光谱需求提高，芯片集成化能力的提升，多线阵集成的时间延时积分电荷耦合器件（TDICCD）在航天产品中得到越来越多的重视和应用。文章分析了TDICCD图像传感器在低轨成像时的特点，提出了一种基于多线阵集成TDICCD在垂直转移时间变短情况下的驱动方式，采用现场可编程门阵列作为硬件处理平台，使用高速集成电路硬件编程语言设计了多线阵集成TDICCD驱动时序。经软件仿真验证和硬件实际成像测试，该设计的时序可以满足传感器正确、稳定的工作要求，搭建系统验证了产生时序的正确性，通过采集成像图像并进行了分析，最终确定驱动传感器工作正常，且能有效解决不同线阵间的成像干扰，提高了传感器的成像品质。

多线阵集成 时间延时积分电荷耦合器件 垂直转移时钟 轨道高度 空间遥感相机

0 引言

高分辨率对地观测卫星大多运行在200～1 000km的近地太阳同步轨道上[1]，在高分辨率对地观测相机对地成像时，为了减小相机的相对孔径，提高空间遥感相机成像的能力，一般都采用时间延时积分电荷耦合器件（time delayed integration charge-coupled device，TDICCD）或面阵电荷耦合器件的时间延时积分工作模式[2]。

TDICCD是基于对同一成像目标进行多次曝光的原理设计的[3]。成像目标与TDICCD是相对运动的，这样，同一列多个像元随着相对运动对同一目标在不同时刻进行多次曝光，同时将这些曝光产生的信号累加，从而达到在不降低分辨率的前提下增加灵敏度的目的[4-5]。

但在TDI的工作模式下，相机相对地面的移动速度需要和CCD的像元转移速度相匹配，即用相应的时间将像元的能量从一级传递并累积到下一级[6]。对于同一种相机，轨道高度降低可以提高分辨率，但同时会引起TDICCD相机垂直转移时钟周期变短、模拟信号读出频率的提高，给TDICCD的驱动设计带来新的挑战。

而本文研究的多线阵集成TDICCD，在航天产品中逐渐开始应用，多线阵集成TDICCD在低轨工作时除了上述普通CCD遇到的问题，还需要考虑同一片CCD内不同线阵间驱动时钟的相互影响。本文在分析多线阵集成TDICCD图像传感器低轨成像特点基础上，提出了一种基于多线阵集成TDICCD在垂直转移时间变短情况下的驱动方式并设计了多线阵集成TDICCD驱动时序，实验验证表明，该方法能够解决不同线阵间的成像干扰问题，提高传感器的成像品质。

1 主要指标及驱动原理

以一款典型的多线阵集成TDICCD为例，1个全色谱段为一条线阵，4个多光谱谱段为四条线阵，且4个多光谱谱段的电子学指标完全相同，其具体参数如表1。本文对此器件的研究内容可以扩展到绝大部分多线阵集成TDICCD。

表1 多线阵TDICCD主要指标参数Tab.1 The main features of multi-linear TDICCD

案例中的CCD为四相转移时钟，转移时序如图1所示，H1～H4为四相转移时钟，其为高电平时，在器件内对应位置产生电势能造出势阱，可以存储电荷。T0～T8为电荷完成转移工作周期内的典型时间点，T0′～T8′为逆序转移的时间点，如图2所示。CCD发生光电转换，在T0时刻，产生的电荷存储在其对应的存储区；在 T1时刻，H1变为高电平，则在此存储区相邻位置产生势阱，电荷向相邻存储区移动；在 T2时刻，H3变为低电平，其对应位置势阱消失，电荷向相邻存储区移动。四相转移时钟以图1所示时序工作，直到T8时刻，电荷正好完成从成像对应存储区到相邻存储区的转移。

图1 CCD水平转移时钟示意Fig.1 CCD horizontal transfer sequence

图2 CCD电荷转移示意Fig.2 CCD charge transfer

在TDI的工作模式下，要用相应的时间将像元的电荷从一级传递并累积到下一级，即每一行都要对同一景物成像然后累积，所以相机相对地面的移动速度需要和 CCD的像元转移速度相匹配，则空间遥感相机的轨道高度决定了相机的垂直转移时钟周期[7-8]。且由于全色谱段和多光谱谱段的像元尺寸不同，决定了TDICCD的全色谱段线阵和多光谱谱段线阵的垂直转移时钟周期关系比为1∶2。

2 轨道高度对成像的影响

对于TDICCD空间遥感相机来说，影响其成像的主要因素包括相机焦距、探测器像元尺寸、读出速率、轨道高度等[9-10]。轨道高度和最终成像图像的分辨率密切相关，在其它因素不变的情况下，轨道越低则意味着能获得越高分辨率的图像。而多线阵集成TDICCD的不同谱段间的干扰程序和相机在轨的成像条件相关，主要是垂直转移速率参数的变化。相机垂直转移频率变短时，多线阵间的像元垂直转移时钟和像元水平转移时钟会发生干扰，而TDICCD垂直转移频率和像元尺寸、读出速率、分辨率、轨道高度等参数[11-12]相关，不考虑地球自转，且相机垂直照到地面的情况下，相机垂直转移频率计算方法如下：

式中 F是地面像元分辨率；H是卫星轨道高度；a是像元尺寸；f是星载相机焦距。

式中 V为卫星运动速度；G为万有引力常数；M为地球质量；R为地球半径。

式中 Vt为投影地速。

式中 T为相机垂直转移时钟周期。

在本设计中相机为6m焦距，当轨道高度大于430km时，即在垂直转移时钟周期大于1 000（多光谱谱段像元数）个时钟周期的情况下，此相机的多线阵集成TDICCD驱动方式和普通驱动方式无异，在全色谱段的一个垂直转移时钟周期内，可以把多光谱谱段的像元全部水平转移完毕。

当轨道高度小于430km时，即在垂直转移时钟周期小于1 000（多光谱谱段像元数）个时钟周期的情况下，在全色谱段的一个垂直转移时钟周期内，多光谱谱段的像元无法全部转移完毕。多光谱谱段线阵的水平转移时钟会和全色谱段线阵的垂直转移时钟重叠，即如图3所示，图中V_P为全色谱段垂直转移时钟，H_P为全色谱段水平转移时钟，V_B为多光谱谱段垂直转移时钟，H_B为多光谱谱段水平转移时钟，H_P和H_B均为四项转移时序，以一个时序简图表示H1到H4。4个多光谱谱段的时序关系完全相同，t1～t3为3个时间段。在t2时间段内，由于全色谱段正在进行垂直转移，势必对多光谱谱段的电信号产生干扰，其主要干扰方式为互感耦合。

图3 低轨成像时5个谱段垂直转移时钟和水平转移时钟对应关系Fig.3 The timing relationship of five–spectrum imaging on low earth orbit

将采用此种驱动方式的多线阵TDICCD相机置于积分球前，在轨道高度小于430km内选择两组不同垂直转移时钟周期进行成像，并将成像数据进行对比分析，会发现4个多光谱谱段的数据如图4所示。图4（a）为垂直转移时钟周期较短时测得的多光谱4个波段量化灰度值，干扰值出现在像元位置600～700之间，图4（b）为垂直转移时钟周期较长时测得的多光谱4个波段量化灰度值，干扰值出现在像元位置800～900之间。通过分析可以看出，全色谱段的垂直转移时钟信号对多光谱谱段的成像品质有影响，而且不同的垂直转移时钟周期，对应的受影响像元位置也在变化。

图4 低轨工作时多光谱谱段成像干扰示意Fig.4 The image interference of multispectral imaging on low earth orbit

由此可知对于多线阵集成TDICCD空间遥感相机在低轨运行时，常规的驱动方式下多光谱谱段成像品质会受到全色谱段的垂直转移时钟的影响，且受影响像元随着垂直转移时钟周期的变化而变化，从而导致图像品质受影响较大，无法进行像元辐射校正。

3 驱动方案设计

3.1 系统方案

由于多线阵集成TDICCD相机在低轨运行时，多光谱谱段成像品质会受到全色谱段的垂直转移时钟的影响，因此本文提出了低轨成像驱动方案。

本设计的系统框图如图5所示，时序控制电路使用晶振和现场可编程门阵列（FPGA）产生工作所需时序，经过驱动芯片及箝位后，得到CCD所需驱动信号，驱动多线阵TDICCD工作，产生模拟视频信号；经过滤波之后，将模拟信号进行箝位、放大、相关双采样，再经过A/D变换处理，得到量化后的数字视频信号；然后按指定格式进行格式转换，再通过接口电路输出给图像采集设备。另外，通过供电及控制设备发送指令，实现对垂直转移时钟周期、TDI级数、视频信号增益的调整功能。

图5 多线阵集成TDICCD成像电路系统组成Fig.5 Multi-linear TDICCD imaging circuit system

在具体设计中，还需注意系统的电磁兼容性，需使用多层电路板，控制好模数混合板的分区及走线；模拟信号使用同轴电缆传输；高速数字信号使用差分双绞屏蔽线；驱动时序设计用FPGA实现，用VHDL语言编程[13-15]。该时序采用自顶向下的结构化、模块化设计方法，把整个程序划分为功能独立的各个子模块，在顶层完成各个子模块的调用，便于维护。对驱动时序程序进行功能和时序仿真验证，仿真结果表明该设计时序功能和性能满足器件的使用要求。

3.2 水平转移时钟分段时序设计

避免轨道高度降低带来的图像干扰的方法是在时序电路内增加多光谱谱段的分段时序设计，使多光谱谱段水平转移时钟避开全色谱段垂直转移时钟，在时间上不存在交叠。具体时序如图6所示，全色谱段垂直转移时钟工作时，多光谱谱段水平信号保持不变，待全色垂直转移时钟工作完后，多光谱谱段水平转移时钟再进行工作。这样，多光谱谱段读出信号时避免了全色谱段像元垂直转移带来的干扰。

图6 多光谱谱段分段水平转移时钟Fig.6 Multispectral horizontal transfer sequence

但多光谱谱段的驱动时序分段后，在t1时间段的最后一个像元和t3时间段第一个输出的像元，其靠近放大输出电路的唯一寄存器会受到全色谱段垂直转移时钟本身的影响，而引入串扰，如图7实测结果所示。图7（a）为垂直转移时钟周期较短时测得的多光谱4个波段量化灰度值，干扰值出现在像元位置600附近，图7（b）为垂直转移时钟周期较长时测得的多光谱4个波段量化灰度值，干扰值出现在像元位置800～900之间。通过分析可以看出，4个谱段在均匀光下，在水平驱动的分段位置都会有串扰过冲，而且也会随着垂直转移时钟周期的变化而变化位置，导致图像受影响较大，且无法进行像元辐射校正。

图7 多光谱谱段分段水平转移的成像干扰实测示意Fig.7 Multispectral horizontal transfer image interference test result

3.3 逆向水平转移时钟设计

为避免转移边缘干扰，多光谱谱段需要在分段水平转移时钟的基础上增加逆向水平转移时钟设计，其时序关系如图8所示，其电荷e转移示意如图2所示，电荷在T0′到T8′的时间内发生逆向转移。使用此方法让多光谱谱段水平驱动信号避开全色谱段垂直转移时钟，在时间上不存在交叠，即如图9所示，寄存器内正向转移n个像元后，全色垂直转移时钟到来之前，多光谱谱段的水平转移时钟由图1的顺序转移变化为图8所示的逆向转移时序，使得电荷逆向转移3～5个像元，避免此时刻边缘寄存器内的像元受到干扰。全色谱段垂直转移时钟工作时，多光谱谱段水平信号保持不转移电荷状态，待全色垂直转移时钟工作完后，多光谱谱段水平信号再进行正向电荷转移工作。这样，多光谱谱段读出信号时避免了全色谱段垂直转移时钟的干扰。

图8 逆向水平转移时钟示意Fig.8 Reverse horizontal charge transfer sequence

图9 逆向水平转移电荷移动示意Fig.9 Reverse horizontal charge transfer

针对低轨成像时，多线阵集成TDICCD相机各谱段间会有不可辐射校正的成像干扰，在本方案中，采用分段水平转移时钟，并在此基础上增加一段逆向水平转移时钟设计，最终完成的成像驱动设计，其结果能完全避免多线阵集成TDICCD的不同谱段间的成像信号干扰，能够得到最优的成像品质。

4 测试及验证

在实验室搭建测试系统，如图10所示，在多线阵集成TDICCD成像系统上安装镜头；镜头前安装景物模拟器，可选景物或均匀光输出；并在外围搭建相应的控制及供电系统给成像系统供电和发送控制指令，并能够调整系统的垂直转移时钟周期，模拟低轨工作情况；搭建图像采集及评价系统对成像系统的数据进行采集和处理。

图10 多线阵集成TDICCD成像测试系统Fig.10 Multi-linear array TDICCD test system

对系统中所需的时序关系进行FPGA程序编程并进行仿真，在全色谱段的垂直转移时钟V_P到来之前3个时钟周期，如图11所示的T0′时刻，多光谱谱段的水平转移时钟H1到H4产生逆向转移时序，在全色谱段的垂直转移时钟V_P工作完成后，多光谱谱段的水平转移时钟恢复正向转移时序，满足本系统设计的多线阵集成TDICCD的驱动时序要求。

图11 多光谱谱段正向到逆向水平转移时钟图Fig.11 Multispectral horizontal drive and reverse drive clock

使用此方法完成的成像驱动设计，其结果能将多线阵集成TDICCD的不同谱段间的成像信号干扰降到最低，获得最高成像品质，图12是使用图像采集设备测得均匀光的成像图，4个多光谱谱段的图像在低轨工作模式下稳定无干扰，经过像元辐射校正后可以得到良好的成像。

图12 多光谱谱段低轨成像校正前后对比Fig.12 The value of multispectral pixels contrasting before and after correction

使用该设计的多线阵TDICCD已成功应用于某试验相机的成像试验，该相机在低轨工作拍摄到的图像如图13所示。从图像可以看出，在本时序驱动下，相机成像工作状态稳定，成像品质良好，完全消除了图4和图7中的成像干扰，得到了很好的验证。

图13 星上系统成像Fig.13 Sensing imaging

5 结束语

综上研究结果，对于多线阵集成TDICCD在低轨运行的时候，要注意不同线阵间垂直转移时钟周期不同带来的成像干扰，如果无法保证不同的线阵间垂直转移时钟周期相同，则在设计时需要充分考虑相关因素，通过使用本文提到的逆向水平转移来避让干扰，从而获得良好的成像。

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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

李强，男，1981年生，2003年获哈尔滨工业大学电气工程及自动化专业学士学位，高级工程师。研究方向为视频电子学。E-mail：lqcast@sina.com。

（编辑：陈艳霞）

2015-11-30

国家重大科技专项工程