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。

空间相机离轴角引起的积分时间误差分析

光学遥感卫星中空间相机常用的离轴三反光学系统,离轴三反系统能扩大光学系统视场、提高系统调制传递函数(MTF),但是离轴角会带来积分时间不同步的问题,文章对离轴角引起的积分时间不同步而产生的成像品质影响进行了分析。首先对离轴三反光学系统的离轴角建立数学模型后,应用STK软件仿真空间TDICCD相机在不同级数下离轴角带来的摄影点积分时间和星下点积分时间的差异,然后用Matlab编写程序处理得到的不同积分时间的采样点得出结论,离轴角越大,光学系统的传递函数越小,光学相机成像品质越差。在工程应用中,对一个确定离轴角的离轴三反光学系统,通过仿真,对积分时间调整给出了相应设计建议。

大视场时间延迟积分电荷耦合器件相机静态传递函数自动测试系统

为了解决大视场时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)相机静态传递函数(TF)测试过程中视场覆盖率不高、测试精度和效率较低等问题,设计了一种全视场静态TF自动测试系统。首先,将整个相机视场以TDI CCD为单元进行划分,移动转台调整TDI CCD对应视场与平行光管的位置关系,计算机接收相机采集的靶标图像,分析靶标图像特征并绘制TF变化曲线,根据TF变化曲线确定每片TDI CCD对应视场的最佳TF测试点,建立位置信息库。然后,计算机根据位置信息自动控制转台,分别移动到每片TDI CCD对应视场的最佳TF测试点,从每片TDI CCD第一个像元开始,以固定步长逐渐向最后一个像元移动,一边移动一边测试TF。最后,绘制大视场TDI CCD相机整个视场的静态TF曲线。实验结果表明:静态TF测试系统覆盖了相机整个视场,测试的静态TF平均值为0.2965,和以前测试方法比较,整个视场的静态TF平均值提高了0.02,同时提高了静态TF测试的精度和效率。

多谱段时间延迟积分电荷耦合器件高速成像系统设计

针对多谱段时间延迟积分电荷耦合器件（TDI—CCD）输出通道多的结构特点和工作频率高的应用要求，提出了一种多谱段TDI—CCD高速成像系统。采用单片可编程逻辑器件作为成像系统的控制核心，实现了视频处理器组的配置与控制以及12路数字视频信号的整合；采用高速集成视频处理器完成模拟输入电荷耦合器件（CCD）信号的视频处理和需精细调整相位的视频处理相关控制信号及水平转移信号的产生；采用高速集成驱动器实现高速低占空比信号的驱动。实验结果表明该系统满足设计要求，在像素时钟为20MHz时工作稳定正常，信噪比大于45dB，动态范围不低于58dB，可同时高速获取分辨率较高的全色图像和光谱信息丰富的多光谱图像。

像移对星载TDICCD相机成像品质的影响分析

像移是影响星载时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)相机成像品质的重要因素。为研究像移对TDICCD像质的影响,首先分析了像移引起图像模糊和几何变形的机理,研究了像移降质的辐射和几何方面评价参量。依据TDICCD工作原理,建立了像移影响下TDICCD相机空变降质模型,并以此为基础,计算并分析了不同形式、不同方向上的像移影响下的像质下降情况。分析结果表明,不同方向、不同形式的像移引起的成像品质下降是不同的。文章中提出的空变降质模型可以为后续的仿真及像移降质图像的恢复等提供参考。

TDICCD光子响应非均匀性噪音分析与测量(英文)

探测器光子响应非均匀性噪音会降低低照度情况下遥感成像系统的成像质量.针对这一现象,本文首先结合探测器的物理性质,对各种噪音源进行了研究;建立了TDI CCD不同级数下的光子响应非均匀性噪音模型,随着曝光量的增加,光子响应非均匀性噪音也线性增加.其次根据曝光级数越多TDI CCD对非均匀性噪音的平滑效应越明显这一现象,提出一种光子响应非均匀性系数与曝光级数之间的关系式,并给出了利用TDI CCD输出图像提取光子响应非均匀性噪音的方法.最后建立了试验系统,通过试验对测试获得的光子响应非均匀性噪音与理论分析计算得出的结果进行了分析.

航天TDICCD相机图像空间移变振动降质的复原

文章建立了一种航天时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)相机图像空间移变振动降质的退化模型,提出了一种新的空间移变降质图像复原算法。仿真实验结果表明该退化模型和图像复原算法能有效处理航天TDICCD相机图像的空间移变振动降质,具有很好的应用前景。

四谱段TDICCD图像传感器的设计与制作

设计并研制了一种四谱段时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)图像传感器,器件将四个TDICCD集成在同一芯片上,通过在光窗对应位置上镀不同的窄带滤光膜实现多谱段分光。该TDICCD图像传感器的像元尺寸为28μm×28μm,水平寄存器的有效像元数为3072元,行频为10 kHz,电荷转移效率高达0.99999,饱和输出电压为2650 mV,抗弥散能力大于等于100倍,动态范围为7143∶1。

TDICCD相机的实验与研究

目前，ＣＣＤ已被广泛地应用于各个领域。这里，我们介绍一种特殊的线阵ＣＣＤ相机，它应用时间延迟积分（ＴＤＩ）技术，可在低光照情况下，获得高灵敏度、高输出速率、高空间分辨率和大的动态范围。为了应用ＴＤＩ方式及验证它的效果，我们使用加拿大ＤＡＬＳＡ公司生产的ＣＴ－Ｅ１２０４８×９６ＴＤＩ线阵ＣＣＤ相机，设计制作了一套完整的系统，并做了捕获运动图像的实验。该系统包括：相机、相机控制器、图像捕获器、微机和转台。实验结果表明：当ＣＣＤ相机的行转移速率和物体的运动速率不同步时，不能够获得清晰的图像。而当我们使用相移补偿技术，使两个速率相匹配后，得到了非常清晰的图像。

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。

基于Camera Link协议的CCD图像采集系统

为满足航天相机系统快速、高质量的成像要求,设计了一种基于Camera Link协议的高速CCD(ChargeCoupled Device)图像采集系统。该系统采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)、专用视频处理芯片TDA8783、乒乓结构的存储器进行设计,并使用时间延迟积分(TDI:Time Delay Integral)的工作方式,通过设置单级积分时间长度和积分级数改变总积分时间长度。实验结果表明,该系统能同时输出两路CCD电压信号,最高数据输出速率达15帧/s,信噪比大于50dB,两通道的不均匀性小于2%,满足航天相机系统的高速、高分辨率设计要求。

高密度模块化TDI CCD成像系统设计

为提升遥感相机的高密度组装技术,采用厚膜集成电路技术设计了高集成度的TDI CCD成像系统,并对该成像系统中的具体设计做了详述。首先TDI CCD焦平面通过机械拼接方式拼凑成可复制的单元。然后,通过三极管射极跟随器增强CCD输出图像信号强度传送给模拟前端芯片LM98640中转换成14 bit的数字信号,再传给现场可编程门阵列芯片XC5VLX50T-1FFG1136C缓存和整合处理。最终,通过TLK2711高速LVDS输出芯片传输给数据采集卡并在计算机上成像。该成像系统中所有的驱动信号和处理时序都是通过现场可编程门阵列产生的,计算机可以通过RS422通信总线对成像系统进行控制和部分参数修改。该系统中的驱动电路和CCD二次电源电路采用厚膜集成电路技术设计,提高了系统的集成度。实验结果表明:整个系统基于厚膜技术,驱动电路PCB电路板减少了2/3的面积,同时采用了机电热一体化的设计,实现了相机的高密度组装。该系统总数据输出速度达到3.6 Gbps,饱和输出图像信噪比52.6 d B。

“高分五号”卫星多谱段集成TDI线列红外探测器

多谱段集成TDI线列红外探测器组件是"高分五号"卫星全谱段光谱成像仪的核心器件。为满足航天型号应用要求,华北光电技术研究所项目团队立足已有技术基础,创新性地开发了具有自主知识产权的"多谱段集成TDI线列红外探测器组件技术",引领了中国多谱段集成红外探测器技术的发展,谱段集成数量达到4个,分别实现了短中波4个谱段和长波4个谱段的集成,谱段从短波1.55μm覆盖至长波12.5μm,并根据探测组件在轨工作剖面,开展了地面8年寿命的试验考核。测试和试验结果表明:多谱段集成TDI线列红外探测器组件产品的性能、环境适应性和可靠性满足要求。

横向抗弥散多光谱TDI CCD图像传感器

时间延迟积分电荷耦合器件(TDI CCD)主要应用于弱光信号探测,其在强光应用场合容易出现弥散现象。针对该问题,研制了横向抗弥散多光谱TDI CCD图像传感器。该器件包含四个多光谱段(B1～B4区),有效像元数为3 072元,像元尺寸为28μm×28μm。大像元可以在弱光环境下提供良好的光谱区分能力,通过滤光片可获得蓝光、绿光、红光和近红外波段的图像。为了减小抗弥散对器件满阱电子数的不利影响,采用了紧凑的抗弥散结构,仅占像元面积的7.1%。器件满阱电子数为500ke-,抗弥散能力为100倍,读出噪声小于等于70e-,动态范围大于等于7143∶1。

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。

采用FPGA的高速CCD相机的时钟发生器

采用IL E2TDICCD做为传感器 ,与计算机构成了成像系统 ,并在计算机CRT上显示出图像。主要介绍高速CCD相机的工作时钟产生电路的设计 ,采用大规模集成电路FPGA实现了该工作时钟驱动电路 ,采用AHDL语言对工作时钟驱动电路进行了硬件描述 ,并利用MaxPlus2软件对所设计的工作时钟驱动电路进行了仿真 ,最后对FPGA器件进行了编程和硬件电路调试 ,进而实现了整个CCD相机的控制。

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高、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。首先,增加TDI CCD视频信号的增益可调范围和视频AD的量化位数,尽可能高地提取出TDI CCD的噪声;其次,改变TDI CCD接收的辐照度,制定TDI CCD各项视频响应性能的检测方法;最后,提出TDI CCD各项视频响应的准确计算方法,确定测量不确定度。实验结果表明:和以前测量方法相比,暗电流信号和CCD噪声的测量不确定度减小了10倍,其他视频响应性能的不确定度也减小了5倍多,因此,现有测量方法提高了TDI CCD视频响应的检测精度和准确性。

TDI CCD相机大姿态角推扫成像行频精确匹配

针对大视场TDI CCD相机大姿态角推扫成像过程中像面上像点像速差异较大,行频匹配精度不高引起的相机传函下降等问题,提出一种可支持粗调和精调的高精度行频匹配方法。首先,阐述了大视场遥感相机像速场的主要特点及像速匹配的关键问题;其次,深入分析了大视场TDI CCD相机大角度侧摆和前后摆推扫成像的像速场特性;然后,根据像速场特性制定同速匹配模式和异速匹配模式,分析传函特性,确定各自模式的使用条件;最后,提出了一种可支持粗调和精调的高精度行频匹配方法,并分析已实现行频匹配方法的精度,最终满足给定行频匹配精度要求。实验结果表明:在积分级数为96级,粗调方法使行频精度达到0.999 425,精调方法使行频精度达到0.999 928,2种方法均能使相机传函MTF优于0.998,从而实现大视场TDI CCD相机在各种大姿态角推扫成像条件下高质量成像。

TDI CCD宽波段光谱响应度的高精度检测

为了解决TDI CCD光谱响应度检测精度较低、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光谱响应度检测方法。首先,改进了TDI CCD视频信号处理方法;其次,选用不同窄带波长的LED阵列作为光源,建立一种方便而准确的宽波段光谱响应度检测系统;然后,改变TDI CCD接收的辐射照度并检测TDI CCD输出信号,提出一种高精度TDI CCD光谱响应度检测方法;最后,计算所有窄带波长的LED对应的TDI CCD光谱响应度,绘制TDI CCD在400～900nm波长范围内的光谱响应度曲线。实验结果表明:此方法覆盖了400～900nm的宽波长范围,检测方便准确,同时,光谱响应度检测误差达0.025。

推扫式线阵TDI CCD扫描调制传递函数分析

根据线阵TDI CCD离散采样的特点,以采样间距内成像调制度均值为基础,构建了推扫成像模式下线阵TDI CCD扫描方向的调制传递函数。该调制传递函数的数值分析表明:对于像元为10μm的线阵TDI CCD,行转移驱动时钟相数为4,3或2时,Nyquist频率处调制传递函数值分别为0.363,0.333或0.255;行频误差为1%及3%时,不同积分级数下调制传递函数变化曲线表明,增大行频误差及增加积分级数将使调制传递函数值减小,图像分辨率降低。成像实验结果符合所构建调制传递函数的定量分析结论。