申才立 梁楠 李鑫 龔敬 韓志學(xué) 董龍

CCD連續(xù)轉(zhuǎn)移下圖像串?dāng)_問題的研究

申才立 梁楠 李鑫 龔敬 韓志學(xué) 董龍

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

為了提高遙感成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF），需要解決由于地面景物和CCD電荷移動不匹配帶來的像移問題。在工程應(yīng)用中，通常采用連續(xù)轉(zhuǎn)移模式的電子補(bǔ)償方法來解決這種問題。但是，當(dāng)CCD工作在連續(xù)轉(zhuǎn)移模式下時(shí)，會導(dǎo)致遙感圖像中出現(xiàn)暗（亮）線，而且這種暗（亮）線會隨著積分時(shí)間的變化而變化，在后期的圖像校正中無法消除。針對此圖像串?dāng)_問題，文章對串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理、串?dāng)_模式以及串?dāng)_因素的邊界條件進(jìn)行了分析。通過分析得出可通過調(diào)整時(shí)序驅(qū)動信號的上升/下降時(shí)間來降低圖像串?dāng)_。在此基礎(chǔ)上，文章提出了一種驅(qū)動濾波電路的硬件解決方案；然后，根據(jù)某工程應(yīng)用CCD，文章對此電路進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)；通過對多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，可知此驅(qū)動電路方案可根據(jù)需要調(diào)整上升/下降時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)降低圖像串?dāng)_的目的。對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，文章提出將上升時(shí)間設(shè)置為時(shí)序信號周期的1/10，可將圖像串?dāng)_降低到工程應(yīng)用可接受的程度。

電荷耦合器件 調(diào)制傳遞函數(shù) 突發(fā)轉(zhuǎn)移 連續(xù)轉(zhuǎn)移 圖像串?dāng)_航天遙感

0 引言

在高分辨率遙感系統(tǒng)成像中，為了提高圖像的分辨率和品質(zhì)，通常采用TDICCD或者面陣CCD工作在TDI模式下，這就要求CCD中電荷的轉(zhuǎn)移速度和成像物體的移動速度要求同步。但是在實(shí)際的工作電路中，CCD中的電荷在垂直轉(zhuǎn)移信號的驅(qū)動下，離散式地從一個像元轉(zhuǎn)移到另一個像元，而與其對應(yīng)的地面景物卻是連續(xù)地從上一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，這就造成了局部的不同步，會造成系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）下降，這種地面景物與CCD電荷的不匹配稱為像移[1-10]。

對于此類像移，目前采用的補(bǔ)償方法主要有：光學(xué)式補(bǔ)償、機(jī)械式補(bǔ)償和電子式補(bǔ)償。其中，光學(xué)式補(bǔ)償和機(jī)械式補(bǔ)償需要復(fù)雜、精密的光機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，對相機(jī)的體積質(zhì)量以及復(fù)雜度都有所增加，而且也降低了相機(jī)的可靠性，所以在實(shí)際工程中通常采用電子式補(bǔ)償方法[11-16]。傳統(tǒng)的電子像移補(bǔ)償方法是以電荷包為單位進(jìn)行轉(zhuǎn)移，具有較大的離散性。目前常用的是利用CCD自身多電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎㄟ^修改CCD的驅(qū)動時(shí)序，使電荷的移動離散性達(dá)到最小值，大大減小非同步帶來的影響，從而改善補(bǔ)償效果[17-20]。而在CCD的成像過程中，根據(jù)不同的工作方式，CCD的垂直驅(qū)動時(shí)序可以分為突發(fā)轉(zhuǎn)移模式和連續(xù)轉(zhuǎn)移模式。其中，突發(fā)轉(zhuǎn)移和連續(xù)轉(zhuǎn)移的驅(qū)動時(shí)序如圖1和圖2所示（本文以四相轉(zhuǎn)移為例）。其中，CI1~CI4為四相垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動時(shí)序信號。CR為CCD的水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動時(shí)序信號。

圖1 突發(fā)轉(zhuǎn)移模式下的驅(qū)動時(shí)序圖

圖2 連續(xù)轉(zhuǎn)移模式下的驅(qū)動時(shí)序圖

在突發(fā)轉(zhuǎn)移模式下，CCD在1到2的時(shí)間內(nèi)，迅速將像元中的電荷轉(zhuǎn)移到下一個像元。而此轉(zhuǎn)移時(shí)間′占整個行周期的比例非常小。在連續(xù)轉(zhuǎn)移模式下，電荷沿運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)移具有一定的連續(xù)性，它的幾個時(shí)序驅(qū)動時(shí)序信號均勻地分布于一個行周期內(nèi)。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，當(dāng)采用突發(fā)轉(zhuǎn)移的時(shí)候，CCD圖像在運(yùn)動方向上的MTF會降低，所以在工程應(yīng)用中，通常是采用連續(xù)轉(zhuǎn)移的方式。但在采用連續(xù)轉(zhuǎn)移模式時(shí)，從圖2中的驅(qū)動信號時(shí)序關(guān)系可以看出，CCD的垂直轉(zhuǎn)移工作時(shí)序與水平轉(zhuǎn)移工作時(shí)序就會有重疊，即垂直轉(zhuǎn)移的上升/下降沿就會落在CCD的水平轉(zhuǎn)移時(shí)序內(nèi)。這種垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號的上升/下降沿突變，對于正常的水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號會產(chǎn)生串?dāng)_。在信號波形上的現(xiàn)象就是水平轉(zhuǎn)移信號上有毛刺，從而導(dǎo)致圖像上出現(xiàn)暗（亮）線。而且這種暗（亮）線會隨著CCD的積分時(shí)間變化而變化的，在后期圖像處理中無法進(jìn)行消除[21-25]。

本文針對CCD工作在連續(xù)轉(zhuǎn)移模式下的這種圖像串?dāng)_問題，提出了一種硬件電路的方法進(jìn)行消除，并針對此方法進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 連續(xù)轉(zhuǎn)移圖像串?dāng)_

為了提高CCD成像的MTF，需要使CCD工作在連續(xù)轉(zhuǎn)移的模式下，同時(shí)要消除連續(xù)轉(zhuǎn)移帶來的圖像串?dāng)_。

1）串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理。由于CCD內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)的原因，CCD內(nèi)各個轉(zhuǎn)移驅(qū)動電極之間的間隔很小。根據(jù)電磁干擾的相關(guān)理論，當(dāng)CCD的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號和水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號同時(shí)存在時(shí)，即CCD工作在連續(xù)轉(zhuǎn)移的模式下，兩者的信號頻率不同，那么垂直轉(zhuǎn)移信號就會對水平轉(zhuǎn)移信號產(chǎn)生干擾，從而造成光生電荷在水平轉(zhuǎn)移時(shí)受到影響，反應(yīng)在圖像上，就是圖像的暗（亮）線。

2）串?dāng)_模式分析。把垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號看成是噪聲源，而水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號作為敏感端。一般情況解決串?dāng)_問題，需要從以下三個方面進(jìn)行分析：降低噪聲源的噪聲、對敏感端進(jìn)行屏蔽以及對串?dāng)_路徑進(jìn)行優(yōu)化隔離。由于CCD內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)等原因，后兩種方法在實(shí)際工程中很難應(yīng)用，因此要采取降低噪聲源噪聲的方法。另外，根據(jù)試驗(yàn)測試，這些串?dāng)_的位置與垂直轉(zhuǎn)移信號的上升/下降沿位置完全相關(guān)，而與電路及光強(qiáng)的變化等無關(guān)。所以，減小圖像的串?dāng)_就需要設(shè)計(jì)合適的垂直轉(zhuǎn)移信號上升/下降時(shí)間，使其對水平轉(zhuǎn)移時(shí)序的影響盡可能的小。

3）串?dāng)_因素邊界條件分析。為設(shè)計(jì)合適的垂直轉(zhuǎn)移信號上升/下降時(shí)間，需要對其邊界條件進(jìn)行分析，下面分別從四個方面進(jìn)行分析：

首先，從信號完整性的角度分析。實(shí)際信號都可以看成是由不同頻率的正弦信號疊加而成。當(dāng)疊加的正弦信號頻率越高時(shí)，實(shí)際信號就表現(xiàn)為上升/下降時(shí)間更短。由相關(guān)理論可知，更高頻率的信號更容易對其周圍信號造成干擾，即信號的上升/下降時(shí)間越短，其作為噪聲源對周圍的干擾越大。所以從這個角度進(jìn)行分析時(shí)，就要求垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號的的上升/下降時(shí)間不能太短。

其次，根據(jù)CCD的工作原理，在CCD垂直轉(zhuǎn)移信號變化過程中，光生信號電荷會隨之移動。以圖2為例，在CI2的上升時(shí)間內(nèi)，即圖中的1時(shí)間內(nèi)，CI1所對應(yīng)CCD電極勢阱內(nèi)的電荷會逐漸轉(zhuǎn)移到到CI2對應(yīng)的電極勢阱內(nèi)。而在這種電荷轉(zhuǎn)移的末期主要是靠電子熱能的熱擴(kuò)散和相鄰電勢差產(chǎn)生的邊緣場漂移來驅(qū)動。這種轉(zhuǎn)移需要一定的時(shí)間，若驅(qū)動信號的上升時(shí)間過短，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)移效率下降。而且，在實(shí)際制造的CCD中，因結(jié)晶缺陷等問題產(chǎn)生的抑制電子的阱能級，或者因?yàn)闃?gòu)造不均勻?qū)е碌碾妱萜畹榷紩?dǎo)致轉(zhuǎn)移時(shí)間變長。從這方面分析可知，CCD的驅(qū)動信號上升/下降時(shí)間不能太短。

再次，根據(jù)CCD轉(zhuǎn)移劣化機(jī)制可知，在同樣的CCD制造工藝等情況下，當(dāng)信號電荷量增多時(shí)，就可以提高電荷的轉(zhuǎn)移效率。所以為了保證盡可能多的信號電荷，滿足一定的電荷轉(zhuǎn)移效率，CCD通常會限制轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號的高（低）電平時(shí)間。而這樣要求垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號的上升/下降時(shí)間在周期中的占比不能太長，即上升/下降時(shí)間不能太長。

另外，在目前的工程應(yīng)用中，為了滿足圖像高分辨率指標(biāo)的要求，CCD的積分時(shí)間要求更短。這也導(dǎo)致CCD的垂直驅(qū)動信號頻率越大，從而使垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號的上升/下降時(shí)間更短。所以，這就限制了在實(shí)際工程應(yīng)用中垂直轉(zhuǎn)移信號的上升/下降時(shí)間不會太長。

綜合以上分析，在工程應(yīng)用中，要設(shè)計(jì)合適的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號波形來實(shí)現(xiàn)減小圖像串?dāng)_的問題。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種垂直轉(zhuǎn)移時(shí)序驅(qū)動濾波電路，結(jié)合某工程應(yīng)用CCD進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)

（1）驅(qū)動濾波電路設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)分析可以知道，要想解決CCD圖像串?dāng)_問題，此垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動電路應(yīng)具有一定的濾波功能，即能夠調(diào)整驅(qū)動信號波形的上升/下降時(shí)間。其電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 CCD時(shí)序驅(qū)動濾波電路圖

圖3中，0為驅(qū)動器的內(nèi)阻；R為驅(qū)動器輸出端串聯(lián)的電阻；C為驅(qū)動器輸出端串聯(lián)的隔直電容；0為CCD管腳的等效容性負(fù)載；C為CCD輸入端并聯(lián)的濾波電容。根據(jù)電容充放電原理可知，工程應(yīng)用中，此驅(qū)動信號的上升/下降沿時(shí)間近似為

根據(jù)電容充電時(shí)間公式，電容充電電壓與時(shí)間有一定的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)電容充電達(dá)到90%時(shí)（通常信號上升時(shí)間選取90%處），在工程應(yīng)用其時(shí)間系數(shù)可以取近似值2.3。

（2）仿真與試驗(yàn)

對此CCD的圖像進(jìn)行測量、分析，結(jié)果如圖4所示（CCD像元分為16段分別輸出）。從圖4中可以看出，在每段中都出現(xiàn)一些明顯的毛刺。根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證，毛刺的位置與垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號有關(guān)。圖5為圖像的灰度（DN）圖，可以明顯看到圖像中的條紋。

圖4 處理前CCD圖像灰度（DN）值

圖5 處理前CCD圖像灰度

根據(jù)前面的分析，針對此種情況，對驅(qū)動濾波電路進(jìn)行調(diào)整，使上升/下降時(shí)間變長。繼續(xù)測試幾組值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)上升時(shí)間為8.4μs左右時(shí)，圖像的串?dāng)_現(xiàn)象基本消失。繼續(xù)增大上升時(shí)間，效果不明顯。

實(shí)測上升時(shí)間為8.401μs時(shí)，再次對CCD的圖像進(jìn)行測量、分析，圖像中的毛刺明顯消除，灰度圖中的條紋也沒有了。其圖像DN值如圖6所示。

由前面的分析可知，為滿足實(shí)際應(yīng)用的需要等，需設(shè)計(jì)合適的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動上升時(shí)間。對幾次試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，其圖像串?dāng)_量（DN值）與上升時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。其中圖像的量化位數(shù)為12bit。

圖6 處理后CCD圖像灰度（DN）值

圖7 圖像串?dāng)_量與上升時(shí)間的關(guān)系

從圖7中可以看出，當(dāng)上升時(shí)間大于8.4μs時(shí)，繼續(xù)增大上升時(shí)間，對消除圖像串?dāng)_的作用有限。而且根據(jù)上面分析，為滿足高分辨率圖像的要求，以及保證驅(qū)動信號的高（低）電平在信號周期中的占比，通常不會使用過大的上升時(shí)間波形。

在具體應(yīng)用時(shí)，參考此應(yīng)用中CCD垂直驅(qū)動信號的周期時(shí)間為84μs，建議選取上升時(shí)間為周期的1/10左右，此時(shí)既能消除圖像串?dāng)_，又能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要?？筛鶕?jù)式（1）調(diào)整電路中電阻電容參數(shù)來實(shí)現(xiàn)[上升時(shí)間/信號周期≈1/10]，從而達(dá)到降低圖像串?dāng)_噪聲的目的。

3 結(jié)束語

本文對CCD工作在連續(xù)轉(zhuǎn)移模式下的圖像串?dāng)_問題進(jìn)行了分析，提出了一種驅(qū)動濾波電路的硬件解決方案。從本文中的圖像串?dāng)_降噪試驗(yàn)可以看出，通過調(diào)整上升時(shí)間，圖像的串?dāng)_量從初始的DN值110降低到3，串?dāng)_可以降到工程應(yīng)用可接受的程度。通過對比分析，本文給出了工程應(yīng)用上該驅(qū)動電路調(diào)整參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，即把上升時(shí)間調(diào)整為時(shí)序信號周期的1/10，這樣就能達(dá)到滿足工程需要的圖像串?dāng)_量級。當(dāng)然，在工程實(shí)踐中，也有文章提出可采用軟件來調(diào)整驅(qū)動信號波形或后期特定圖像處理的方案來解決該圖像串?dāng)_問題。針對具體應(yīng)用可以采用多種方案相結(jié)合，從而達(dá)到理想的降低串?dāng)_目的，這個可以作為以后的研究方向。

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Research on Image Crosstalk in CCD Sequential Transfer Mode

SHEN Caili LIANG Nan LI Xin GONG Jing HAN Zhixue DONG Long

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

In order to improve the MTF of remote sensing imaging system, it’s necessary to solve the image shift problem caused by the mismatch between ground scene and CCD charge movement. In engineering applications, the electronic compensation method in continuous transfer mode is usually adopted to solve this problem. However, when the CCD works in the continuous transfer mode, it will lead to dark (or bright) lines in remote sensing images, which will change with the integration time variation, and cannot be eliminated in the later image correction. Aiming at image crosstalk problem, the mechanism mode and boundary conditions are analyzed. Through analysis, it is concluded that image crosstalk can be reduced by adjusting the rising/falling time of timing driving signals. On this basis, a hardware solution of driving filter circuit is proposed. Then, for a CCD in engineering application, the circuit is simulated and tested. Through the comparison of multiple experimental data, it can be seen that the driving circuit scheme can adjust the rising/falling time accordingly, thus reducing image crosstalk. After analyzing the image data, the paper proposes to set 1/10 of the time series signal period as the rising time, which can reduce the image crosstalk to an acceptable level in engineering application.

charge coupled device; modulation transfer function; abrupt transfer; sequential transfer; image crosstalk; space remote sensing

TP212

A

1009-8518(2019)05-0050-08

申才立, 梁楠, 李鑫, 等. CCD連續(xù)轉(zhuǎn)移下圖像串?dāng)_問題的研究[J]. 航天返回與遙感, 2019, 40(5): 50-57.

SHEN Caili, LIANG Nan, LI Xin, et al. Research on Image Crosstalk in CCD Sequential Transfer Mode[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2019, 40(5): 50-57. [DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2019.05.005]

申才立，男，1988年出生，2015年獲得中國空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)楹教爝b感電子技術(shù)。E-mail：357370654@qq.com。

2019-04-19

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃地球觀測與導(dǎo)航重點(diǎn)專項(xiàng)（2016YFB0500802)

（編輯：王麗霞）