时间延迟积分CCD空间相机信噪比的影响因素

为了定量评估影响时间延迟积分(TDI)CCD空间相机信噪比的因素,研究了TDICCD空间相机成像机理和噪声来源,建立了相机的信噪比模型。分析了辐射亮度、积分级数、行频和系统增益(模拟增益)对信噪比的影响。搭建了实验室辐射定标系统,模拟了相机在轨工作时的辐射亮度条件。通过辐射定标对不同工作参数与相机信噪比的关系进行了验证。结果表明:对于TDICCD相机来说,光子散粒噪声、暗电流噪声和固定图形噪声在诸多噪声中起主导作用。相机的输出信号和信噪比均随着辐射亮度、积分级数和系统增益的增加而增大,随着行频的增加而减小。辐射亮度、积分级数、行频和系统增益对信噪比的影响量不同。具体来说,即当辐射亮度、积分级数和行频变化量分别为L倍、M倍、τ倍时,其导致的信噪比变化量略大于L1/2倍、M1/2倍、τ-1/2倍。系统增益只能在相对较小的范围内影响信噪比,且信噪比变化幅度随着增益的提高逐渐减小。

大视场时间延迟积分CCD遥感相机的精密定焦

介绍一种可以广泛应用的时间延迟积分(TDI)CCD拼接型焦面的精密定焦技术。首先,在恒温、隔振条件下将满足拼接精度要求的TDICCD焦面组件粗装至相机相应的设计位置;然后,通过数据采集与处理系统获得相机成像的调制传递函数(MTF),并通过调焦机构进行调焦,测得每片TDICCD所成像的MTF调焦量曲线,进而得到每片TDICCD的最佳像面位置;最后,根据8片TDICCD各自的最佳像面位置拟合出共同的相机最佳像面,并依此确定焦面组件外接口的修调量,完成相机焦面的精密定焦与装调。对定焦精度的分析表明,定焦误差为9.1μm,与焦深的相对误差为4.4%。最终的MTF测试实验表明,8片TDICCD的MTF值比较平均,符合相机光学镜头的MTF变化规律并且远远高于该相机全视场静态MTF≥0.2的技术指标要求。本文所介绍的大视场TDICCD遥感相机的精密定焦技术可以为同类遥感相机的研制提供借鉴。

600 mm长焦平面时间延迟积分CCD的交错拼接

为了满足空间宽幅相机大视场的需求,研究了对多片CCD器件进行拼接以获得超长焦平面组件的方法。使用长线阵时间延迟积分(TDI)CCD拼接仪,按照设计位置和精度要求把17片TDICCD器件拼接到焦平面板上,用销钉定位,获得了长为600mm、像元为69 000个的超长焦平面。然后,对完成拼接的焦平面组件进行了高低温循环试验、热真空试验和振动试验。实验结果表明,焦平面组件的结构设计和材料选取满足力学/热学要求。对完成拼接的600mm长焦平面组件进行了TDICCD拼接精度的检测,检测结果显示拼接误差小于3μm。将该超长焦平面组件用于遥感相机,通过成像实验获得了清晰的无缝宽幅图像。上述结果证明600mm长焦平面组件满足空间宽幅相机的应用需求。

遥感相机动态调制传递函数与时间延迟积分CCD行周期误差的关系

考虑推扫式遥感相机中的时间延迟积分(TDI)CCD行周期误差对成像动态调制传递函数(MTF)影响较大,且积分级数越高影响越大,本文分析并推导了存在行周期误差时TDICCD推扫成像的动态MTF数学模型并进行了仿真验证。首先,介绍了典型的TDICCD的电荷行转移时序,分析并推导了该时序下单级和多级积分级数时的采样窗口函数以及该时序下TDICCD的行周期误差率与动态MTF之间的精确函数关系,并指出本文推导的精确函数比传统函数多一个非线性参量。然后,进行了仿真实验。结果表明:行周期误差率ΔT/T=0时,该时序下的TDICCD在Nyquist频率下的动态MTF为静态MTF的0.632 5倍(TDICCD相数b=4),显示得到的动态MTF与行周期误差率关系曲线较传统方法得到的曲线有明显差异且动态MTF值要高于后者。最后,给出了在不同积分级数下、5%动态MTF下降率指标要求时的行周期误差率最大容许值。

多通道时间延迟积分CCD辐射标定和像元实时处理

剖析了时间延迟积分CCD(TDICCD)像元校正对信噪比和调制传递函数测试的影响,设计了基于辐射标定和地面控制的多通道TDICCD像元响应非均匀性实时处理方法以提高星上实时图像的像元响应非均匀性。该方法基于辐射标定去除图像的固定图形噪声,并校正图像奇异点;通过分析星上实时传输图像,处理奇异点像元的图像问题,实现地面控制像元响应非均匀性的实时调整。提出的系统实时处理方式可以不改变硬件结构即有效改善图像的视觉效果,对于坏像元、像元性能降低、像元污染等特定情况有很强的纠错能力。实际成像试验的对比表明,该方法对信噪比、调制传递函数有很好的修正作用,其精确调整能力分别达到0.1db及0.01;在50%饱和值下测试的图像非均匀性指标达到1.25%。该方法结构简单,在工程实践中有很好的应用前景。

星上时间延迟积分CCD拼接相机图像的实时处理

提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的时间延迟积分(TDI)CCD图像实时处理方法以提高拼接成像系统输出图像的质量和视觉效果。首先,对TDICCD成像系统进行像元级非均匀性校正,去除像元响应差异、固定图形噪声和暗电流噪声;对图像进行了基于行极值的自适应中值滤波,去除了图像中的随机噪声和脉冲噪声。然后,对噪声处理后的图像进行图像增强,通过提取图像的低频和高频成分,实现图像细节信息的调整和对比度增强。最后,采用基于行的分段线性拉伸方式,提高图像的动态范围。设计了基于FPGA的TDICCD成像系统的图像实时校正处理结构,分析了算法占用的资源、算法计算误差和可靠性等指标。实验结果表明,提出的图像实时处理结构将图像输出信噪比均值由48db提高到52db,图像非均匀性由3.41%降低到1.73%,图像的对比度显著增强,其动态范围提高了6%.

机械拼接时间延迟积分CCD空间相机的振动参数检测

为了获取空间相机在轨摄像期间的振动幅频特性,提出了一种基于TDICCD拼接技术的空间相机振动参数检测方法。根据TDICCD拼接原理,利用拼接结构中的重叠成像区域在不同时刻对同一景象成像,通过灰度投影算法对所成图像进行比对求取相对偏移量,拟合偏移量数据,进而根据拟合结果计算出空间相机振动参数。实验结果表明:对于一维单一频率的振动,频率相对误差小于0.5%,振幅绝对误差小于1个像元;对于一维混合频率的振动,频率相对误差小于3%,振幅绝对误差小于2个像元;对于沿推扫方向和垂直推扫方向均为单频振动的二维振动,频率相对误差小于1%,振幅绝对误差小于2个像元。实验结果验证了检测方法的正确性,达到了不增加额外设施,仅利用相机自身结构就能精确测量相机振动参数的目的,并为后续图像复原提供了数据基础。

离轴三反时间延迟积分CCD相机内方位元素和畸变的标定

由于测绘相机的关键几何参数内方位元素和畸变的标定精度决定相机的立体测绘精度,本文提出了一种离轴三反时间延迟积分(TDI)CCD相机内方位元素和畸变的标定方法。介绍了离轴三反TDICCD相机的光学系统和像面拼接方法,明确了该相机内方位元素和畸变的含义。建立了标定系统及相应的数学模型,应用最小二乘回归法求得了内方位元素和畸变的表达式。利用提出的方法标定了相机的内方位元素和畸变,并对标定误差进行了分析。结果表明:该方法对主点的标定精度可达1.0μm(1σ),对主距的标定精度可达2.0μm(1σ),对畸变的标定精度为2.3μm(1σ)。结果显示提出的标定方法快捷且有效。

外同步式时间延迟积分CCD传感器模拟装置

由于时间延迟积分(TDI)CCD传感器在调试阶段易损坏,本文提出了一种基于外同步信号驱动原理的TDI CCD传感器模拟装置。该模拟装置实际尺寸可以达到长100mm,宽45mm,与实际TDI CCD传感器的物理尺寸相当,可根据实际光照度大小精确地模拟TDI CCD传感器像元感光程度。该装置可以模拟TDI CCD传感器输入引脚的阻容特性并能合成完整的TDI CCD视频输出信号,实现TDI CCD传感器的16、32、48或64级积分级数控制的功能。该装置还可以模拟CCD驱动信号和输出视频信号的温度延时特性,延时时间在0.5～12.5ns间可调,从而方便了信号采样电路对采样时刻的调试。

多光谱TDICCD航天相机快视一体化地面检测系统设计与实现

针对多光谱时间延迟积分电荷耦合器件(Time Delay Integration Charge Coupled Devices,TDICCD)航天相机的产品研发,提出快视一体化地面检测系统的设计方案,并依托项目实现该设计方案。设计包括主机系统搭建、CXP(CoaXPress)高带宽数传采集卡、测控采集卡、图采测控上位机、光电参数测试、非均匀性校正以及刷新芯片重注等实现。采用一体化设计,所有软硬件全部集成于地检主机系统,方便携带和使用。采用模块化设计方法,使用通用的主机接口,实现多种采集卡在不同主机系统之间交叉使用;使用通用的数据传输接口、RS-422传输接口,使得采集卡不仅适用于本相机的接口协议,也能在修改现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)代码后适用于其他相机。经验证,该地面检测系统能有效完成多光谱TDICCD航天相机的功能测试、光电参数性能测试的要求,为项目顺利进行提供有力保障。

一种高速八抽头并入串出CCD时间延迟积分器

本文描述了在红外串联扫描热象系统中应用的时间延迟积分器(TDI)的基本工作原理。提出了一种新的高速CCD时间延迟积分器(CCD-TDI)的结构,描述了它的某些设计考虑,并跟传统的梯形廷迟线结构进行了比较。分析了电荷转移损失率对这种TDI传递函数的影响。采用简单的表面沟二层多晶硅CCD工艺,这种高速CCD-TDI的最高工作频率可达8MHz。在5MHz时钟频率下,3dB带宽大于1MHz,在8MHz时钟频率下,3dB带宽大于2.2MHz。最大峰-峰输入幅度大于4V,最大输出幅度可达3V。理论计算的信噪比(或动态范围)最大可达80dB。器件工作时只需一个+20V和+5V的直流电源和两个脉冲,操作和调试非常简单。本电路(DL36型)一九八八年十二月通过部级鉴定。

应用双排TDI CCD提高空间推扫遥感相机动态范围

考虑空间相机观测场景的动态范围很大,本文提出了采用双排时间延迟积分(TDI)CCD来提高相机动态范围的方案。对两排TDI CCD分别设置不同的积分级数。得到的积分级数高的CCD图像虽然可能存在饱和区域,但暗区域极易分辨;积分级数低的CCD图像虽然不利于暗区域的分辨,但可以较好地观测亮区域的层次。最后,根据积分级数的差别对两排CCD的图像数据进行合成来获得大动态范围图像。结果显示,该方案有效地提高了相机的动态范围,当积分级数分别设置为8和48时,动态范围可以提高15.56dB。

TDI行积分时间跳变对视差的影响及纠正方法

TDI-CCD相机是当今高分辨卫星系统的主要成像载荷。由于TDI的特殊成像机理,为了确保图像清晰,需要在轨实时调整每一行积分时间。这里以天绘一号多片交错式TDI-CCD高分辨相机为研究对象,推导了行积分时间跳变与相邻CCD重叠区同名点视差变化的关系,表明由于行时跳变造成的同名点错位最大可达6像素。针对存在行时跳变的卫星影像,可以在沿轨方向以行时均衡为标准进行一维重采样,实验表明该方法可以较好地消除行时跳变造成的视差错位,从而为高精度的影像拼接创造条件。

TDICCD在航天遥感器中的应用

文中介绍TDICCD的优点,重点阐述TDICCD在航天遥感器应用需要考虑的主要技术问题及国外发展概况。

TDICCD 在实时对地观测卫星上的应用

ＴＤＩＣＣＤ在实时对地观测卫星上的应用黄巧林李本亮（北京空间机电研究所１０００７６）主要介绍了时间延迟积分ＴＤＩ（ＴｉｍｅＤｅｌａｙＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）器件在实时观测相机上的应用。作者从ＴＤＩＣＣＤ相机设计出发，列举了一个例子，论述了如何计算ＴＤ...

TDICCD相机动态成像技术

文中首先介绍了时间延迟积分TDI(Time Delay Integration)器件在实时观测相机上的应用。然后,作者从TDICCD相机设计出发,在实验室加工了两套TDICCD相机动态成像装置,动态成像质量达到了满意的结果。

行间转移面阵CCD的TDI工作方式研究

具有微透镜的行间转移面阵CCD在空间辐照环境下,微透镜材料容易模糊,导致不能正常成像;而如果不使用微透镜,则会由于行间转移CCD的填充因子和量子效率低,曝光量不足,影响图像质量和信噪比,亦不能满足使用要求。本文提出采用时间延迟积分(TDI)工作方式来解决这一问题。使用现场可编程逻辑器件(FPGA),在实现行间转移面阵CCD KAI0340-S正常工作的基础上,根据TDI CCD的工作原理,实现了CCD KAI0340-S的TDI工作方式。同时,采用RS485总线,实现了计算机和FPGA之间的通信和数据交换,完成了面阵CCD TDI积分级数、行TDI积分时间、以及集成视频信号处理器增益和偏置参数的任意设置。实验结果表明,在没有微透镜下正常成像时,图像质量很差,其信噪比仅为22.13 dB(TDI级数为1);通过设置合适的TDI积分级数后,图像质量有很大的提高,信噪比超过33.62 dB(TDI级数为4)。行间转移面阵CCD的TDI工作方式,可以改善和提高在空间辐照环境下没有微透镜时的图像质量,解决了借助微透镜可提高其量子效率,但微透镜在空间辐照环境下时间较长又容易模糊的矛盾。

椭圆轨道TDI CCD相机像移匹配计算与成像验证

针对椭圆轨道卫星地心距和前进速度时刻变化对航天时间延迟积分（TDI） CCD相机成像的影响,提出了一种矢量映射分析方法来计算椭圆轨道时变的像移速度矢量.通过建立不同的坐标系,将椭圆轨道卫星在轨运行速度和地物随地球自转的线速度映射至TDI CCD相机像面坐标系.以某临界回归椭圆轨道为例,计算了影响航天TDI CCD相机成像的像移速度矢量和数据读出频率.最后,利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机对提出的像移速度矢量映射分析方法进行了实验验证.结果表明：临界回归椭圆轨道一个周期内,参数按照等比缩放原则配置时,对应的偏流角、像移速度矢量和靶标移动速度分别为-3.76～3.22（°）、0.1673～0.72 mm/s和19.12～ 82.24 pixel/s,获取的图像能够满足1～2 peixl的目标分辨率.实验结果说明,用提出的方法计算像移速度矢量结果准确,可为椭圆轨道航天TDI CCD相机成像匹配提供可靠依据.

航天时间延迟积分CCD相机振动模糊图像的恢复

提出了一种对航天时间延时积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)相机振动移变降质图像进行恢复的方法。首先介绍了TDI-CCD的工作原理及其对振动的敏感性,建立了TDI-CCD振动降质的点扩散函数(PSF)模型,指出振动对TDI-CCD相机的降质过程是空间移变的;然后提出了基于快速CCD的振动检测方法,在振动检测技术中,利用了一种改进的灰度投影算法计算振动参量;最后提出对降质图像进行逐行恢复的方法,并对模糊图像进行了恢复。分别对匀速直线运动和正弦振动进行了实验。用峰值信噪比(PSNR)作为评价标准,对恢复图像进行了评价。结果表明,匀速直线运动模糊图像的PSNR为33.98dB,恢复后其PSNR为41.14dB;正弦振动模糊图像的PSNR为39.68dB,恢复后其PSNR为45.12dB。

TDI CCD视频响应性能的高精度检测

TDI CCD主要应用于空间遥感和科学实验中。为了解决TDI CCD性能检测过程中精度不够、检测方法不够准确等问题,提出了一套更为科学而准确的高精度TDI CCD性能检测方法。实验结果表明,暗电流信号和CCD噪声的测量不确定度是以往测量方法的1/10,其他视频响应性能的不确定度也仅为以往测量方法的1/5。该测量方法提高了TDI CCD视频响应的检测精度和准确性。