天问一号高分相机成像噪声分析与抑制

周鹏骥，王晓东，董吉洪，郝贤鹏，黄敬涛

天问一号高分相机成像噪声分析与抑制

周鹏骥1，2，王晓东1*，董吉洪1，郝贤鹏1，黄敬涛1

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2. 中国科学院大学，北京 100049）

在深空探测中，为了充分利用有限的空间和视场，提出了一台相机同时含有三片线阵TDI CCD思路。为了获得高分辨率、高信噪比的遥感图像数据，针对相机成像链路，分析了影响高分相机信噪比的关键因素，提出了成像系统的串扰模型，并针对各种影响要素提出了改进措施。首先，完全独立设计各个通道，减少通道间的电路耦合。其次，调整垂直转移驱动信号的时间常数，以减小TDI CCD芯片内部的串扰噪声。最后，通过三片探测器物理隔离，减小噪声的近场耦合。对天问一号高分相机进行辐射定标试验，试验结果表明：模拟火星轨道条件，在典型工况条件，太阳高角30度、地面反照率0.2时，TDI CCD全色谱段在积分级数为32级的情况下信噪比即可达到最高115.1倍，满足火星探测的指标要求。

TDICCD；串扰；信噪比；天问一号；辐射定标

1 引　言

深空探测指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测。执行深空探测的装置处在复杂多变的空间环境中，这在功能层面和技术层面都对执行深空探测的装置的各个组成部分提出了较高的要求［1-4］。

高分辨率数字遥感相机多采用时间延迟积分（TDI）电荷耦合器件（CCD）推扫成像模式，而在向大视场、宽覆盖的方向发展过程中，单片TDI CCD像元数已无法满足系统覆盖宽度的要求，需要对多片TDI CCD进行机械拼接组成焦面，使其总像元数满足系统要求［5］。目前，国内外关于多片拼接CCD成像电路设计的研究已有不少介绍，然而，有时根据成像要求，多片TDI CCD需要以不同行转移频率进行工作［6-9］，导致不同通道的CCD工作时会存在相互干扰现象，不同行频差会在图像上产生不同斜率、不同宽度的干扰斜条纹［10-12］。针对该问题，文献［10］采取优化关键信号布线方式、系统地和电源布置、去耦电容接地方式等多方面对电路系统进行了改进，优化多TDI CCD成像系统电路抗异速干扰设计。文献［11］详细分析了多CCD成像通道间相互串扰产生的原因，并建立了串扰的数学模型，在工程研制中，提出CCD通道之间的工作电源隔离以及共用统一的系统时钟等防止串扰发生的措施；但该措施仅考虑到了电路信号的耦合，并未考虑到高频信号的空间辐射方面的影响。文献［12］通过建立CCD成像电路串扰模型，提出了通过采用带状线绘制视频信号同时采用防护布线的方式对敏感信号进行隔离，该方式仅从PCB的信号完整性的角度采取措施。不同于前述方法，本文通过建立异速成像串扰噪声影响模型，提出了多CCD拼接异速下抑制串扰噪声的设计方法，并将该方法应用于天问一号环绕器高分辨率相机中，有效抑制串扰的影响，得到高信噪比图像。

2 成像电路设计

成像电路中的驱动电路对噪声最为敏感，较易产生串扰，其次是预放电路。除此以外，多片TDI CCD之间的近场空间辐射也易产生串扰噪声。为提高天问一号高分辨率相机成像信噪比，针对以上三个方面进行设计。

由于光学系统的指标要求，天问一号高分辨率相机成像电路中需包含3片TDI CCD，为最大限度降低通道之间的电路传导耦合，每片CCD均具有独立通道。

2.1　TDI CCD芯片介绍

天问一号高分辨率相机采用三片多谱段TDI CCD，每片探测器具有6 144个全色像元（像元大小为8.75 μm）以及3 072个彩色像元（像元大小为17.5 μm）。该TDI CCD含有5个谱段，分别为全色谱段（450～900 nm）、B1谱段（450～520 nm）、B2谱段（520～600 nm）、B3谱段（630～690 nm）和B4谱段（760～900 nm）。各个谱段均可设置不同的积分级数，该型TDI CCD的主要指标见表1。

表1某型TDI CCD的主要技术指标

Tab.1　Main technical indicators of a TDI CCD

2.2　TDI CCD外围电路设计

TDI CCD外围电路包括驱动电路、预放电路和视频处理电路。其中驱动电路可提供CCD工作所需的所有时序信号，而预放电路可对CCD输出的模拟信号进行预处理，以满足后级视频处理器的输入要求，实现最大的动态范围。视频处理电路实现将CCD输出的模拟信号转变为数字信号以备FPGA进行数据整合处理。

221TDI CCD驱动电路设计

某型TDI CCD驱动电路将单一逻辑电平结合FPGA数字脉冲信号转换为CCD所需的各种驱动脉冲包括像元读出时钟、行转移时钟和输出复位时钟等，控制CCD的工作模式、积分时间和成像，对CCD的输出信号质量影响很大。FPGA根据接收的命令参数控制使能信号，控制驱动器开始或结束工作。CCD驱动电路原理框图如图1。

图1　CCD驱动电路原理框图

驱动电流与电压摆幅、容性负载、上升或下降时间的关系是：

其中：H和L分别为驱动信号的高、低电平，为驱动信号的上升或下降时间，为驱动信号管脚的等效电容。

根据某型TDI CCD工作时各驱动电平的等效负载电容和摆幅，以及对驱动信号上升或下降时间的要求，依据式（1）计算各驱动信号所需的驱动电流，驱动器设计选用Intersil公司的ISL7457驱动器，其单路输出最高可实现2 A的输出电流能力，完全能够满足各个驱动信号的要求。

222TDI CCD预放电路设计

CCD输出的信号最高频率为25 MHz，其直流偏置为12.5 V，该CCD的电荷转换因子CCE为11 μV/e，饱和信号电荷为110 ke，计算可得其理论输出最大交流幅值为1.21 V。

通过交流耦合的方式，将视频信号中的直流偏置隔离掉，利用运算放大器将CCD输出的信号调整至视频处理器的输入范围，使动态范围最大。

预放电路主要由一个运算放大器构造的同相放大器组成。采用NS公司的视频宽带运算放大器LMH6722。该器件3 dB带宽可达300 MHz，而CCD视频输出信号最高频率为16 MHz，满足系统的设计要求。

223TDI CCD视频处理电路设计

CCD视频信号处理器直接决定了CCD图像信号的性能。系统选用器件采用TI公司视频处理器LM98640，主要性能参数如下：

（a）采样保持（CTH），可编程增益放大（PGA），14-bit ADC；

（b）最高采样频率：40 MHz；

（c）PGA增益：3 dB～18 dB；

（d）3.3 V和1.8 V工作，2.5 V～5.25 V数字输出；

（e）TTL兼容输入，TTL和CMOS兼容输出。

该芯片集成的CTH模块具有相关双采样功能（Correlated Double Sample，CDS），其工作原理是：首先视频模拟信号通过隔直电容传输到LM98640输入端，由SHP时序实现对视频信号的控制，然后在采样时序SHP和SHD的边沿处完成CCD视频信号的采样，从而保证获得正确的模拟视频信号，由于两次采样信号是相关的，均含有复位等噪声，所以噪声得到了一定程度的抑制。

3 多TDI CCD串扰噪声分析与抑制

多TDI CCD成像系统中的串扰主要由电路传导方式和近场空间辐射方式两种途径产生耦合。

由于多TDI CCD拼接成像系统具有多通道处理电路，每条通道均包含有CCD时序驱动电路、视频信号预处理电路和模数转换电路等，是一个复杂的模数信号混合电路系统。CCD驱动信号以及数字信号均会对视频模拟信号产生干扰，特别地，当多TDI CCD成像系统中，各个CCD分别以不同的行频进行工作的时候，相应的成像通道对临近的成像通道会产生串扰。同时，由于相邻的TDI CCD分别以不同的行频进行工作，使得噪声通过空间辐射传播，耦合到被干扰通道，具体串扰示意图如图2所示。

图2　成像系统串扰示意

3.1　串扰噪声分析

311电路传导耦合

电路传导耦合是指CCD成像电路中，由于PCB走线并非理想的导线，会存在电容和电感寄生现象，因此在信号变化区域，线路之间会通过互容和互感方式进行干扰，产生的串扰噪声耦合到相邻的线路。同时，CCD的内部构造原因，使CCD内各个转移驱动电极之间的间隔很小，当CCD的垂直转移驱动信号和水平转移驱动信号同时存在时，垂直转移驱动信号就会对水平转移驱动信号产生干扰，从而造成光生电荷在水平转移时叠加干扰噪声，最终导致图像信噪比降低。电路串扰的电路模型如图3所示。

图3　电路串扰模型

电路串扰模型中，通过互容产生的干扰电流为：

其中：m表示干扰信号上升沿在PCB走线中延伸长度对应的总电容，表示干扰信号电压，Δ表示干扰信号上升沿在PCB走线中延伸长度，r表示干扰信号上升沿时间，表示干扰信号在PCB走线中的传播速度，mL表示单位长度互容。

电路串扰模型中，通过互感产生的干扰电压为：

其中：m表示干扰信号上升沿在PCB走线中延伸长度对应的总电感，表示干扰信号电流，mL表示单位长度互感。

由信号完整性理论可知，近端串扰系数为：

其中：表示近端串扰系数。

远端串扰系数为：

其中：表示远端串扰系数，表示两条线之间耦合区域的长度。

当两条传输线靠近时，互容和互感将增加。从而，根据模型得到的串扰系数可知，其和均将增加。此外，减小耦合长度，同样可以减小。

312近场空间辐射

近场空间辐射是指电磁噪声的能量，以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合到被干扰电路。

由于TDI CCD的驱动信号电压摆幅大、压摆率高、容性负载大等特点，在驱动信号的上升时间或下降时间内的瞬态驱动电流大。

高频信号线、CCD集成电路引脚都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他通道，互为干扰源，通过空间把其信号耦合（干扰）到另一TDI CCD的电网络中。

3.2　串扰噪声抑制

现有的对多通道TDI CCD串扰噪声抑制方法的分析主要是基于电路传导耦合所引起的串扰噪声，其抑制方法如参考文献［10-12］采用电源隔离、统一工作时钟、优化PCB电路走线等方式，均是从硬件电路的设计上进行分析和优化。

本文在此基础上，首先对多通道异速成像TDI CCD的驱动方式进行分析，考虑了多片探测器异速工作时在近场空间会形成辐射干扰，探测器之间互为干扰源，并针对这两个方面进行了串扰抑制设计。

321电路传导耦合噪声抑制

由前述可知，电路传导耦合多是由于干扰线和被干扰线距离近、并且有一定的耦合长度，导致串扰系数增加。因此，在电路板设计的时候采用避免高频信号距离过近，并对敏感信号进行防护布线等串扰抑制措施。

然而，TDI CCD在成像过程中，按照不同的工作方式，其驱动时序可分为突发转移模式和连续转移模式。突发转移模式和连续转移模式驱动时序分别如图4和图5所示，图中的CIx为电荷转移过程中的垂直转移信号，全色为CIxP，彩色为CIxB，统一用CIx来表示该类信号；图中的CR为电荷转移过程中的水平转移信号，全色为CRxP，彩色为CRxB，统一用CR来表示该类信号。驱动时序中的tran是转移时间，表示像元从一个像元转移到下一个像元的时间；T是行周期时间。

图4　突发转移模式下的驱动时序

图5　连续转移模式下的驱动时序

在突发转移模式下，trans时间短、占整个行周期比例很小，这种模式的优点是垂直转移信号（CIx）和水平转移信号（CR）分时工作，因此信号的串扰小、噪声低，但在工程应用中MTF会降低。

在连续转移模式下，trans基本与行周期相等，各个CIx平均分配在整个行周期内，这种模式的优点是可以在一定程度上提高MTF，但是由于CIx与CR同时存在，CIx的上升沿/下降沿的突变会使CR上叠加串扰噪声，因此CIx为噪声源，需要对它进行分析。

为了便于分析，将垂直转移信号看作是周期性时域函数，并作适当平移，如图6所示。将其轴定于其高低电平的中间，即零时刻为高低电平的中间值位置，从零时刻到高电平时间为上升时间的一半即/2。这样做的好处是在展开为傅里叶级数时，由于函数在整个周期内的积分为0，因此傅里叶级数的常数项为0，便于进行函数的分析。

图6　垂直转移信号波形图

图6中，A为垂直转移信号幅值，为上升/下降时间。则其模型在区间［0，T/2］的数学表达式为：

对该时域周期函数进行傅里叶级数展开得到：

从上式可以看出在不改变幅值的情况下，上升时间与垂直转移信号高频分量强度成反比。当上升/下降沿越陡峭，即减小时，信号的高频分量强度越强；而当上升/下降沿越缓慢，即增加时，信号的高频分量强度越弱。根据信号完整性理论可知，高频分量决定了串扰噪声的大小，因此，适当增加可减小串扰噪声。由于TDI CCD工艺影响，若过长，会导致转移效率的下降。

针对上述分析，调整垂直转移驱动信号上升/下降沿的时间常数。其调整电路如图7所示。图中，RS为调节电阻，C0为CCD驱动引脚等效电容，TDI CCD芯片给定了C0，全色谱段的垂直转移信号等效电容为4 nF，彩色谱段的垂直转移信号等效电容为16 nF。

图7　驱动信号时间常数调整电路

时间常数调整公式为：

其中：H为信号高电平电压值，VL为信号低电平电压值，tr为上升时间tr时刻负载电压，其中上升时间取0.9倍峰峰值所对应的时刻，故

因此，只需调节S大小即可调整上升/下降时间常数。根据该型TDI CCD数据手册提供的数据，通过电路仿真和实际调试，全色谱段的调节电阻s设置为4 Ω，得到其垂直转移信号上升/下降时间为74 ns；彩色谱段的调节电阻设置为10 Ω，得到其垂直转移信号上升/下降时间为92 ns。三路TDI CCD的垂直转移信号上升/下降时间相同。

322近场空间辐射抑制

TDI CCD为了更灵活的进行成像，拼接而成的三片TDI CCD可分别设置为不同的行转移频率（实验中分别设置为1 kHz、0.999 6 kHz和0.999 3 kHz），此时的成像称为异速成像。由于行转移频率较高，且幅值较大，因此要求信号的上升沿时间非常短，信号的高频分量能量很强。这就导致相邻两片CCD在进行异速成像时，高频影响下噪声会近场耦合到相邻的探测器上，最终噪声反应在拍摄的图像上，严重影响信噪比。如图8所示（图像为黑白条低8位图像），左侧为同速时图像，右侧为异速时图像，图像存在横条纹噪声。

图8　同速和异速情况时的全色图像

为解决上述问题，抑制近场空间辐射，提高异速成像信噪比，在三片TDI CCD拼接完成后，用铜片将三片探测器进行物理空间隔离，减小噪声的近场耦合。将三个CCD器件用铜片相互隔离开，如图9所示。

图9　隔离铜片安装图

4 试验结果

4.1　异速成像测试

为了较为准确的对比，屏蔽后的实验条件与屏蔽前的基本保持一致，并分别设置各CCD的行转移频率，得到的图像如图10（b）所示，与屏蔽前的图10（a）相比，图像清晰没有横条纹噪声。

图10　实施屏蔽前后的异速图像

在常温下对屏蔽前后的图像进行测试，在图像半饱和条件下，计算其均方根误差（RMS），测试结果如表2所示。

表2噪声抑制前后图像半饱和条件下的RMS测试结果

Tab.2　RMS results of the image in half-saturation before and after noise restraining

通过结构设计采用低成本、便捷的方式进行隔离，串扰抑制效果明显。

4.2　信噪比测试

根据系统指标要求，在太阳高角30°、地面反照率0.2的典型照明情况下，相机系统信噪比应不低于100倍。在辐射定标中通过积分球定标光源模拟这种照明条件下对应的相机入瞳处辐亮度对相机进行信噪比测试，各工况下各光谱通道相机入瞳辐亮度估算如表3所示。动态范围调整的手段主要靠改变相机的积分级数和增益来实现。

表3各光谱通道相机入瞳辐亮度估算

Tab.3　Radiance estimation of camera entrance pupil for each spectral channel

根据表3给出的输入辐亮度进行测试，在该亮度下采集各谱段图像500行进行统计，测试条件为模拟265 km火星轨道高度，积分时间为124.11 μs，得到对应的CCD全色和B1～B4各谱段在不同积分级数和成像模式下的信噪比，实际测试中采用的信噪比单位为“倍数”，见表4。测试中为保证各谱段信噪比SNR可达到100（倍）调节积分级数。

表4TDI CCD信噪比测试结果

Tab.4　Test result of SNR of TDI CCD

5 外景成像试验

室温条件下，利用单轴转台对3.5 km外的目标（长春中国南方航空公司以及中邑大厦）进行推扫拍摄，得到的图像清晰度高，层次明显，图11为全色谱段拍摄效果图片。

图12为彩色谱段拍摄图像经多光谱图像数据融合后所形成的图像，色彩真实、绚丽，达到了预期的设计目的。

图11　TDI CCD外景推扫成像试验图像

图12　RGB拼接融合效果图

6 结　论

在天问一号高分相机的成像系统设计中，结合成像需求，在器件选型、电路研制、噪声抑制等环节展开细致的研究。针对多个线阵TDI CCD探测器拼接后异速成像时带来的问题，提出改进措施并验证，利用积分球等辐射试验设备测试验证TDI CCD的成像性能，三片TDI CCD的信噪比满足任务要求，从而验证了设计的实用性、灵活性和有效性。针对TDI CCD探测器的成像电路系统设计方法对其他相机电路系统设计具有借鉴意义。

［1］ 邱家稳，王强，马继楠. 深空探测技术（特约）［J］. 红外与激光工程， 2020， 49（5）： 3788/IRLA20201001.

QIU J W， WANG Q， MA J N. Deep space exploration technology（Invited）［J］.， 2020， 49（5）： 3788/IRLA20201001.（in Chinese）

［2］ 王赤，张贤国，徐欣锋，等. 中国月球及深空空间环境探测［J］. 深空探测学报， 2019， 6（2）： 105-118.

WANG C， ZHANG X G， XU X F，. The lunar and deep space environment exploration in China［J］.， 2019， 6（2）： 105-118.（in Chinese）

［3］ 孙雪晨，吕恒毅，薛旭成，等. 高分辨力遥感相机CCD采样位置自适应补偿技术［J］. 光学精密工程， 2020， 28（4）： 973-978.

SUN X C， LÜ H Y， XUE X C，. Adaptive compensation technique for CCD signal sampling positions in high-resolution remote sensing cameras［J］.， 2020， 28（4）： 973-978.（in Chinese）

［4］ 孙武，韩诚山，晋学飞，等. 推扫式遥感相机超满阱大动态范围成像［J］. 光学精密工程， 2018， 26（4）： 944-950.

SUN W， HAN C S， JIN X F，. HDR imaging method of overcoming full well limitation for push-broom remote sensing cameras［J］.， 2018， 26（4）： 944-950.（in Chinese）

［5］ 于向阳. 双视场多通道成像仪的光机结构［J］. 光学精密工程， 2015， 23（10）： 2870-2876.

YU X Y. Opto-mechanical structure of imager with two field of views and multiple channels［J］.， 2015， 23（10）： 2870-2876.（in Chinese）

［6］ 李进，金龙旭，韩双丽，等. 大视场遥感相机的时间延迟积分电荷耦合器件测试系统［J］. 红外与激光工程， 2012， 41（9）： 2415-2423.

LI J， JIN L X， HAN S L，. Test system for time-delayed integration charge coupled device of remote camera with wide field of view［J］.， 2012， 41（9）： 2415-2423.（in Chinese）

［7］ 李伟雄，徐抒岩，闫得杰. 影响空间相机偏流角估值误差的参数［J］. 红外与激光工程， 2011， 40（8）： 1530-1536.

LI W X， XU S Y， YAN D J. Influencing parameters of estimate errors of space camera's drift angle［J］.， 2011， 40（8）： 1530-1536.（in Chinese）

［8］ 常振，王煜，司福祺，等. CCD数字像元的合并方法及其应用［J］. 光学精密工程， 2017， 25（8）： 2204-2211.

CHANG Z， WANG Y， SI F Q，. Digital binning method for CCD pixels and its applications［J］.， 2017， 25（8）： 2204-2211.（in Chinese）

［9］ 马天波，郭永飞，李云飞. 科学级TDICCD相机的行频精度［J］. 光学精密工程， 2010， 18（9）： 2028-2035.

MA T B， GUO Y F， LI Y F. Precision of row frequency of scientific grade TDICCD camera［J］.， 2010， 18（9）： 2028-2035.（in Chinese）

［10］ 曲洪丰，王晓东，徐抒岩，等. 多TDI CCD拼接遥感相机异速成像抗干扰设计［J］. 红外与激光工程， 2013， 42（4）： 1026-1032.

QU H F， WANG X D， XU S Y，. Anti-jamming design for multi-velocity imaging mode of multiple TDI CCDs mosaic remote camera［J］.， 2013， 42（4）： 1026-1032.（in Chinese）

［11］ 张贵祥，郑亮亮，贺小军，等. 多TDICCD拼接遥感相机成像串扰分析与抑制［J］. 光学学报， 2014， 34（7）： 0711003.

ZHANG G X， ZHENG L L， HE X J，. Imaging crosstalk analyzing and suppressing for multi-TDICCD mosaic remote sensing camera［J］.， 2014， 34（7）： 0711003.（in Chinese）

［12］ 薛旭成，李洪法，郭永飞. 高速CCD成像电路抗串扰技术［J］. 中国光学， 2011， 4（6）： 611-616.

XUE X C， LI H F， GUO Y F. Anti-crosstalk techniques for high-speed CCD imaging circuit［J］.， 2011， 4（6）： 611-616.（in Chinese）

Imaging noise analyzing and suppressing for Tianwen-1 high-resolution camera

ZHOU Pengji1，2，WANG Xiaodong1*，DONG Jihong1，HAO Xianpeng1，HUANG Jingtao1

（1，，，130033，；2，100049，），：

In order to fully utilize the limited space and field of view in deep space exploration， a camera with three linear TDI CCD detectors is proposed. To acquire remote sensing images with high SNR and high-resolution， according to the chain of the imaging system， methods for analyzing the key factors that affect the SNR of high-resolution cameras as well as improvement measures are put forward. First， each channel is designed independently to reduce circuit coupling between channels. Then， the time-constant of the vertical transfer frequency is adjusted to reduce the crosstalk of the inner TDI CCD. Finally， the three detectors are physically isolated to reduce the near field coupling noise. The results of the radiation calibration experiment with the high-resolution camera in Tianwen-1 indicate that by simulating the orbital conditions of Mars， the SNR of the panchromatic spectrum is 115.1 when the integral number is 32， as the elevation angle of the sun is 30° and the surface albedo is 0.2. The results show that the design satisfies the criteria for Mars exploration.

TDI CCD； crosstalk； SNR； Tianwen-1； radiation calibration

TN253；TP212

A

10.37188/OPE.20223002.0217

周鹏骥（1985），男，黑龙江伊春人，博士研究生，助理研究员，2013年于电子科技大学获得硕士学位，主要从事空间遥感成像技术方面的研究。E-mail：zpj1029@163.com

王晓东（1970），男，吉林白山人，研究员，博士生导师，2003年于中国科学院研究生院获得博士学位，主要从事空间光学遥感仪器成像技术与信息处理方面的研究。Email：wangxd@ciomp.ac.cn

1004-924X（2022）02-0217-10

2021-08-18；

2021-10-11.

北京市科技计划课题资助项目（No.Z191100004319001）