1024×1024元帧转移纵向抗晕CCD图像传感器

帧转移电荷耦合器件(FTCCD)主要应用于可见光信号探测,其在强光应用场合容易出现光晕现象。针对该问题,研制了帧转移纵向抗晕CCD图像传感器,该器件阵列规模为1024×1024元,像素尺寸为12μm×12μm。为了实现纵向抗晕功能,采用了n型埋沟-鞍形p阱-n型衬底结构,纵向抗晕倍数为200倍,器件满阱电子数为大于等于200 ke^(-),读出噪声小于等于80 e^(-),动态范围大于等于2000∶1。

基于FPGA的面阵型CCD驱动电路设计

针对行间转移型面阵电耦合器件(CCD)ICX415AL,分析其驱动时序要求和工作原理,以现场可编程门阵列(FPGA)芯片EP4CE10F17C8为主控芯片,QuartusⅡ软件为开发平台,选择Verilog HDL语言设计各驱动时序信号。结合反相器和驱动芯片构建CCD外围驱动电路,利用Modelsim SE仿真软件进行联合仿真测试,得到了正确的时序波形输出,将FPGA产生的驱动时序信号接入CCD驱动电路,通过示波器观察CCD在不同条件下输出相对应的视频信号。实验结果表明,所设计的驱动电路运行稳定,满足ICX415AL各项驱动要求。

基于缺陷俘获理论的CCD转移模型及应用

空间天文探测常使用电荷耦合器件(CCD)作为主要探测器,但极端辐射环境会对CCD性能造成影响,进而影响数据获取。为了深入了解此机制对数据获取的影响,文章基于SRH(Schokley-Read-Hall)理论,分别讨论转移过程中缺陷对电荷捕获以及释放作用,并在CCD电极层面基础上建立转移模型,仿真不同情况下缺陷运行原理。使用此模型模拟仿真STP(Single Trap Pumping)时序,分别讨论实际使用过程中时序对数据获取的影响,以及从STP时序数据中提取相关参数的办法,并讨论各参数间的关系。该模型对于理解辐射缺陷对CCD数据转移的影响,仿真STP时序,以及在实际应用中利用STP时序获取CCD缺陷参数有辅助作用。

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。

基于行间转移CCD场输出模式下的成像系统设计

采用SONY行间转移型面阵CCDICX415AL作为传感器件,设计了一种新型的CCD成像系统。成像系统采用CCD信号专用芯片CXA1310AQ进行信号处理,使输出信号满足模拟信号PAL/CCIR标准,可以采用电视机或者配有视频卡的计算机作为显示终端。针对ICX415AL的结构和特点,设计了系统的时序电路和驱动电路。CCD工作模式为场输出模式,可以理解为垂直方向的Binning技术。采用相关双采样(CDS)技术滤除了视频信号中的相关噪声,提高了系统的信噪比。整个系统采用现场可编程门阵列作为核心器件,通过自上而下的模块设计完成了CCD驱动时序、数据采集时序控制和视频信号简单处理。

影响CCD调制传递函数因素研究

从理论上以光学系统的MTF的评价方法分析了不同条件下各种因素对CCD调制传递函数的影响 ,模拟结果显示了各种因素影响的不同程度 ;

全帧CCD相机时间延迟积分模式下的图像缺损

长焦距面阵CCD相机以TDI模式进行动态横向多幅扫描成像时,行转移频率高或者曝光时间长会使图像输出有明显缺损,从而影响图像的判读。为解决这一问题,分析了全帧CCD相机TDI模式的工作原理,分析认为快门曝光过程中CCD存在的无效TDI转移是导致输出图像出现缺损的主要原因。通过实验验证了分析结果,并提出保证CCD曝光过程中TDI转移与机械快门曝光精确同步的方法来消除无效TDI转移。据此设计了光电同步定位法进行曝光控制,并研制了相应的快门光电同步装置。成像实验结果显示,该方法可将图像缺陷区域控制在15列像元内,解决了面阵CCD在TDI模式下输出图像的缺损问题,提高了图像判读精度。

行间转移大面阵CCD相机的Smear噪声实时去除

针对面阵CCD成像过程中产生的Smear特有噪声,以行间转移面阵CCD为例,提出了利用行间转移面阵CCD暗像元区域提取Smear的方法。介绍了行间转移面阵CCD的工作原理以及Smear产生机理,分析了Smear噪声的组成,利用相关双采样,哑像元校正等方法消除了Smear中的KTC噪声及暗电流噪声。提出了基于中值的快速均值滤波方法,消除了光粒子散粒噪声。最后,利用差分方法将滤波后的Smear从原始图像数据中减除,并采用双三次插值对消除Smear后的图像区域进行补偿。设计了以现场可编程门阵列+数字信号处理器(FPGA+DSP)为核心处理器件的硬件实时处理系统,当相机工作在最高速工况3 frame/s时,系统可在1.265 ms内完成Smear提取及滤波,消除Smear后的图像区域灰度方差减小了95.34%。经过成像实验验证,该系统集成度高,满足实时需要,彻底消除了Smear噪声。

行间转移型面阵CCD成像系统设计

采用行间转移型面阵CCD KAI-1020作为图像传感器,以现场可编程门阵列(FPGA)为核心控制器,设计并实现了一个完整的成像系统。FPGA产生驱动时序、控制CCD上电顺序、调节曝光时间,并实现数据缓存。CCD模拟视频信号经过预处理,通过同轴电缆传输到CCD专用视频处理器进行相关双采样和模数转换,以10位像素深度输出到FPGA,数字视频信号经过差分芯片驱动以低压差分信号(LVDS)格式输出到数据采集卡。集成化视频处理电路提高了系统的信噪比,改善了成像质量。实验表明,CCD成像系统工作稳定可靠,像素读出时钟为10MHz时,帧频为10帧/s。设计的CCD成像系统性能好、可靠性高、实现周期短,具有很强的可扩展性。

TDI CCD电荷转移对遥感相机成像质量的影响

由于多相位TDI CCD行间电荷转移引起的像移无法通过光、机、电等方法消除,本文研究了电荷转移对遥感相机成像质量的影响。首先,介绍了推扫式遥感相机的工作原理与前向像移补偿方法。接着根据TDI CCD行间电荷的转移方式,利用脉冲传递函数建立了电荷转移速度模型,并对TDI CCD电荷转移速度与景物像点移动速度进行了比较分析,揭示了TDI CCD电荷转移像移产生的原因。然后,建立了多相位TDI CCD电荷转移像移的调制传递函数,定量给出了二、三、四相位TDI CCD电荷转移像移引起的空间频率对比度损失。最后,搭建测试平台,采用胶片式遥感相机获取了奈奎斯特频率处的靶标图像,其分辨率为60lp/mm,并比较了三、四相位TDI CCD电荷转移像移对靶标分辨率的影响。实验结果表明,提出的电荷转移像移模型与图像实验仿真结果相吻合。

行间转移型CCD相机的Smear现象研究

行间转移型面阵CCD相机因其诸多优点而得到了广泛的使用,但它们生成的图像通常都会存在smear现象。分析了smear现象形成的机理,并提出了两种解决smear现象的方法,通过试验验证了该方法的有效性。

基于辐射传输模型的TDI CCD遥感相机信噪比分析

信噪比是定量评价遥感相机成像质量和辐射性能的一项关键指标,信噪比的估算和测试对于遥感相机的研制至关重要。针对TDICCD相机从辐射传输和能量转换的角度推导了信噪比计算公式,基于大气辐射传输模型MODTRAN 4.0从理论上估算了某遥感相机在各种观测条件下的信噪比,结果表明:在典型观测条件下相机的信噪比不低于20dB。作为试验验证,利用积分球光源对相机进行了各种照明条件下的信噪比测试,测试结果证实了理论模型的正确性。

CCD强光串扰效应的串扰线缺口现象及其机制

在激光辐照行间转移CCD相机的实验中发现了关于CCD串扰效应的一个新现象,即在串扰线上出现缺口,该缺口紧邻主光斑上侧且随光强增大而减小。基于行间转移面阵CCD的构造和工作过程,利用CCD串扰效应的一种新机制对现象作出了合理的解释。串扰线的形成依赖于在垂直转移动作过程中CCD信号积分势阱中的载流子向垂直转移CCD寄存器中的溢出。串扰线上缺口的出现则是由于CCD的信号积分势阱被读出转移动作清空后再次填满需要经过一定时间,该时间内无信号电荷溢出至转移沟道;读出转移清空存储势阱的时刻是构成主光斑的主体信号电荷按正常时序进入垂直转移CCD寄存器的时刻,故缺口紧邻主光斑的上侧;光强越大,光电子再次填满存储势阱乃至溢出形成串扰线所需要的时间越短,则缺口越小。

空间遥感相机TDI CCD积分级数和增益的优化设置

为了提高空间TDI CCD遥感相机的成像质量,研究了相机TDI CCD积分级数和增益的优化设置方法。分别讨论了信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)与积分级数的关系,指出增加积分级数能解决光能量不足问题并有效提高SNR,但同时会引起系统MTF下降;增加增益也可解决光能量不足问题,但不能改变系统的SNR和MTF,因此优化积分级数和增益可改善图像质量。采用SNR×MTF作为图像质量评价指标,对积分级数和增益设置进行了优化。数值计算结果表明:在给定的相机参数下,当卫星俯仰角速度为0.005(°)/s,曝光量为饱和值的1/66时,积分级数选为44级,增益设置为1.5可获得较好的图像质量。

CCD芯片热电制冷的非稳态传热研究

针对散热受限热电制冷系统中温度非稳态变化过程,建立了一个简单的分析模型,基于该模型对CCD芯片热电制冷进行了仿真分析和实验研究。仿真和实验结果均表明:在散热受限条件下,热电制冷系统的热传过程长时间处于非稳态;存在一个最优制冷电流Imax,当Ic<Imax时,增大Ic可以提高制冷效果;反之,则不然。电流越大,芯片温度非稳态变化就越快。当制冷量小于热负载,芯片从被制冷转为被加热。热沉散热能力越强,制冷效果越好。

CCD图像传感器发展与应用

主要介绍了线阵CCD、面阵CCD、帧转移CCD、ITO-CCD和电子倍增CCD等图像传感器的发展现状。以CMOS器件作为比较,探讨和研究CCD图像传感器的应用领域以及未来发展趋势。

大视场TDI CCD相机静态传递函数实时检测与记录系统

为了解决大视场TDI CCD相机静态传递函数(下面简称传函)检测过程中传函图像受环境影响较大、检测准确度不高等问题,设计了一种静态传函实时检测与记录系统。首先,根据大视场TDICCD相机静态传函图像特征,建立一个实时检测与记录的硬件和软件平台,实时接收相机输出的图像数据。其次,分析清晰靶标图像和模糊靶标图像的特征,设置区分两者的静态传函阈值,从实时接收的靶标图像中选取清晰靶标图像作为检测样本。然后,对靶标图像样本中的所有TDI CCD像元处的静态传函进行计算并做均值处理,将靶标图像样本的图像数据和静态传函值进行记录以便于后期分析处理。最后,对大视场TDI CCD相机5个通道进行静态传函的实时检测,记录20帧靶标图像样本的平均静态传函值,分析每个通道静态传函的标准偏差。实验结果表明:系统在选取0.01作为静态传函阈值的情况下,大视场TDI CCD相机每个通道静态传函值的标准偏差均小于1%,有效去除了模糊靶标图像引起的检测误差,提高了静态传函检测的精度和效率。

振动对航空CCD相机成像质量影响分析

振动是影响航空CCD相机成像质量的关键因素。采用调制传递函数(MTF)评价振动对像质影响,应用简谐振动为激励,详细推导了航空振动引起角位移和线位移对成像系统的影响,建立了角位移和线位移与像移大小的一般关系式,并结合工程实际进行了量化分析。指出角位移是影响成像质量的主要因素,提出了进行减震设计的基本思路,提高成像质量。

TDI-CCD总剂量辐射效应及测试

为评估空间辐射效应对应用于某空间相机的TDI-CCD的成像性能的影响,从器件的电路结构入手,分析了总剂量辐射效应对器件主要性能指标的影响。针对此器件的总剂量辐照测试方法研制了测试装置。用60Co对器件进行了γ射线总剂量辐照实验,定量测试了受辐照前后器件的光电响应性能及对比度传递函数的变化情况。实验结果表明,总辐照剂量达到20krad(Si)时,定制TDI-CCD的相对响应度、暗电流、动态范围、最大信噪比相对于该器件没受辐照的初始值变化量均小于5%,对比度传递函数(CTF)没有明显变化,说明定制TDI-CCD器件能够满足某空间相机的使用要求。

CCD辐射损伤效应及加固技术研究进展

综述了电荷耦合器件(CCD)在空间环境和核辐射领域中的辐射效应研究进展;阐述了不同粒子辐照CCD的损伤效应机理及暗电流、平带电压和电荷转移效率等敏感参数的退化机制;从制造工艺、器件结构、工作模式等方面介绍了CCD抗辐射加固技术;分析了CCD辐射效应研究的发展趋势。