天問一號高分相機成像噪聲分析與抑制

周鵬驥，王曉東，董吉洪，郝賢鵬，黃敬濤

天問一號高分相機成像噪聲分析與抑制

周鵬驥1，2，王曉東1*，董吉洪1，郝賢鵬1，黃敬濤1

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

在深空探測中，為了充分利用有限的空間和視場，提出了一臺相機同時含有三片線陣TDI CCD思路。為了獲得高分辨率、高信噪比的遙感圖像數(shù)據(jù)，針對相機成像鏈路，分析了影響高分相機信噪比的關(guān)鍵因素，提出了成像系統(tǒng)的串擾模型，并針對各種影響要素提出了改進措施。首先，完全獨立設(shè)計各個通道，減少通道間的電路耦合。其次，調(diào)整垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號的時間常數(shù)，以減小TDI CCD芯片內(nèi)部的串擾噪聲。最后，通過三片探測器物理隔離，減小噪聲的近場耦合。對天問一號高分相機進行輻射定標試驗，試驗結(jié)果表明：模擬火星軌道條件，在典型工況條件，太陽高角30度、地面反照率0.2時，TDI CCD全色譜段在積分級數(shù)為32級的情況下信噪比即可達到最高115.1倍，滿足火星探測的指標要求。

TDICCD；串擾；信噪比；天問一號；輻射定標

1 引　言

深空探測指脫離地球引力場，進入太陽系空間和宇宙空間的探測。執(zhí)行深空探測的裝置處在復(fù)雜多變的空間環(huán)境中，這在功能層面和技術(shù)層面都對執(zhí)行深空探測的裝置的各個組成部分提出了較高的要求［1-4］。

高分辨率數(shù)字遙感相機多采用時間延遲積分（TDI）電荷耦合器件（CCD）推掃成像模式，而在向大視場、寬覆蓋的方向發(fā)展過程中，單片TDI CCD像元數(shù)已無法滿足系統(tǒng)覆蓋寬度的要求，需要對多片TDI CCD進行機械拼接組成焦面，使其總像元數(shù)滿足系統(tǒng)要求［5］。目前，國內(nèi)外關(guān)于多片拼接CCD成像電路設(shè)計的研究已有不少介紹，然而，有時根據(jù)成像要求，多片TDI CCD需要以不同行轉(zhuǎn)移頻率進行工作［6-9］，導(dǎo)致不同通道的CCD工作時會存在相互干擾現(xiàn)象，不同行頻差會在圖像上產(chǎn)生不同斜率、不同寬度的干擾斜條紋［10-12］。針對該問題，文獻［10］采取優(yōu)化關(guān)鍵信號布線方式、系統(tǒng)地和電源布置、去耦電容接地方式等多方面對電路系統(tǒng)進行了改進，優(yōu)化多TDI CCD成像系統(tǒng)電路抗異速干擾設(shè)計。文獻［11］詳細分析了多CCD成像通道間相互串擾產(chǎn)生的原因，并建立了串擾的數(shù)學(xué)模型，在工程研制中，提出CCD通道之間的工作電源隔離以及共用統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘等防止串擾發(fā)生的措施；但該措施僅考慮到了電路信號的耦合，并未考慮到高頻信號的空間輻射方面的影響。文獻［12］通過建立CCD成像電路串擾模型，提出了通過采用帶狀線繪制視頻信號同時采用防護布線的方式對敏感信號進行隔離，該方式僅從PCB的信號完整性的角度采取措施。不同于前述方法，本文通過建立異速成像串擾噪聲影響模型，提出了多CCD拼接異速下抑制串擾噪聲的設(shè)計方法，并將該方法應(yīng)用于天問一號環(huán)繞器高分辨率相機中，有效抑制串擾的影響，得到高信噪比圖像。

2 成像電路設(shè)計

成像電路中的驅(qū)動電路對噪聲最為敏感，較易產(chǎn)生串擾，其次是預(yù)放電路。除此以外，多片TDI CCD之間的近場空間輻射也易產(chǎn)生串擾噪聲。為提高天問一號高分辨率相機成像信噪比，針對以上三個方面進行設(shè)計。

由于光學(xué)系統(tǒng)的指標要求，天問一號高分辨率相機成像電路中需包含3片TDI CCD，為最大限度降低通道之間的電路傳導(dǎo)耦合，每片CCD均具有獨立通道。

2.1　TDI CCD芯片介紹

天問一號高分辨率相機采用三片多譜段TDI CCD，每片探測器具有6 144個全色像元（像元大小為8.75 μm）以及3 072個彩色像元（像元大小為17.5 μm）。該TDI CCD含有5個譜段，分別為全色譜段（450～900 nm）、B1譜段（450～520 nm）、B2譜段（520～600 nm）、B3譜段（630～690 nm）和B4譜段（760～900 nm）。各個譜段均可設(shè)置不同的積分級數(shù)，該型TDI CCD的主要指標見表1。

表1某型TDI CCD的主要技術(shù)指標

Tab.1　Main technical indicators of a TDI CCD

2.2　TDI CCD外圍電路設(shè)計

TDI CCD外圍電路包括驅(qū)動電路、預(yù)放電路和視頻處理電路。其中驅(qū)動電路可提供CCD工作所需的所有時序信號，而預(yù)放電路可對CCD輸出的模擬信號進行預(yù)處理，以滿足后級視頻處理器的輸入要求，實現(xiàn)最大的動態(tài)范圍。視頻處理電路實現(xiàn)將CCD輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號以備FPGA進行數(shù)據(jù)整合處理。

221TDI CCD驅(qū)動電路設(shè)計

某型TDI CCD驅(qū)動電路將單一邏輯電平結(jié)合FPGA數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為CCD所需的各種驅(qū)動脈沖包括像元讀出時鐘、行轉(zhuǎn)移時鐘和輸出復(fù)位時鐘等，控制CCD的工作模式、積分時間和成像，對CCD的輸出信號質(zhì)量影響很大。FPGA根據(jù)接收的命令參數(shù)控制使能信號，控制驅(qū)動器開始或結(jié)束工作。CCD驅(qū)動電路原理框圖如圖1。

圖1　CCD驅(qū)動電路原理框圖

驅(qū)動電流與電壓擺幅、容性負載、上升或下降時間的關(guān)系是：

其中：H和L分別為驅(qū)動信號的高、低電平，為驅(qū)動信號的上升或下降時間，為驅(qū)動信號管腳的等效電容。

根據(jù)某型TDI CCD工作時各驅(qū)動電平的等效負載電容和擺幅，以及對驅(qū)動信號上升或下降時間的要求，依據(jù)式（1）計算各驅(qū)動信號所需的驅(qū)動電流，驅(qū)動器設(shè)計選用Intersil公司的ISL7457驅(qū)動器，其單路輸出最高可實現(xiàn)2 A的輸出電流能力，完全能夠滿足各個驅(qū)動信號的要求。

222TDI CCD預(yù)放電路設(shè)計

CCD輸出的信號最高頻率為25 MHz，其直流偏置為12.5 V，該CCD的電荷轉(zhuǎn)換因子CCE為11 μV/e，飽和信號電荷為110 ke，計算可得其理論輸出最大交流幅值為1.21 V。

通過交流耦合的方式，將視頻信號中的直流偏置隔離掉，利用運算放大器將CCD輸出的信號調(diào)整至視頻處理器的輸入范圍，使動態(tài)范圍最大。

預(yù)放電路主要由一個運算放大器構(gòu)造的同相放大器組成。采用NS公司的視頻寬帶運算放大器LMH6722。該器件3 dB帶寬可達300 MHz，而CCD視頻輸出信號最高頻率為16 MHz，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

223TDI CCD視頻處理電路設(shè)計

CCD視頻信號處理器直接決定了CCD圖像信號的性能。系統(tǒng)選用器件采用TI公司視頻處理器LM98640，主要性能參數(shù)如下：

（a）采樣保持（CTH），可編程增益放大（PGA），14-bit ADC；

（b）最高采樣頻率：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數(shù)字輸出；

（e）TTL兼容輸入，TTL和CMOS兼容輸出。

該芯片集成的CTH模塊具有相關(guān)雙采樣功能（Correlated Double Sample，CDS），其工作原理是：首先視頻模擬信號通過隔直電容傳輸?shù)絃M98640輸入端，由SHP時序?qū)崿F(xiàn)對視頻信號的控制，然后在采樣時序SHP和SHD的邊沿處完成CCD視頻信號的采樣，從而保證獲得正確的模擬視頻信號，由于兩次采樣信號是相關(guān)的，均含有復(fù)位等噪聲，所以噪聲得到了一定程度的抑制。

3 多TDI CCD串擾噪聲分析與抑制

多TDI CCD成像系統(tǒng)中的串擾主要由電路傳導(dǎo)方式和近場空間輻射方式兩種途徑產(chǎn)生耦合。

由于多TDI CCD拼接成像系統(tǒng)具有多通道處理電路，每條通道均包含有CCD時序驅(qū)動電路、視頻信號預(yù)處理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等，是一個復(fù)雜的模數(shù)信號混合電路系統(tǒng)。CCD驅(qū)動信號以及數(shù)字信號均會對視頻模擬信號產(chǎn)生干擾，特別地，當多TDI CCD成像系統(tǒng)中，各個CCD分別以不同的行頻進行工作的時候，相應(yīng)的成像通道對臨近的成像通道會產(chǎn)生串擾。同時，由于相鄰的TDI CCD分別以不同的行頻進行工作，使得噪聲通過空間輻射傳播，耦合到被干擾通道，具體串擾示意圖如圖2所示。

圖2　成像系統(tǒng)串擾示意

3.1　串擾噪聲分析

311電路傳導(dǎo)耦合

電路傳導(dǎo)耦合是指CCD成像電路中，由于PCB走線并非理想的導(dǎo)線，會存在電容和電感寄生現(xiàn)象，因此在信號變化區(qū)域，線路之間會通過互容和互感方式進行干擾，產(chǎn)生的串擾噪聲耦合到相鄰的線路。同時，CCD的內(nèi)部構(gòu)造原因，使CCD內(nèi)各個轉(zhuǎn)移驅(qū)動電極之間的間隔很小，當CCD的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號和水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號同時存在時，垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號就會對水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號產(chǎn)生干擾，從而造成光生電荷在水平轉(zhuǎn)移時疊加干擾噪聲，最終導(dǎo)致圖像信噪比降低。電路串擾的電路模型如圖3所示。

圖3　電路串擾模型

電路串擾模型中，通過互容產(chǎn)生的干擾電流為：

其中：m表示干擾信號上升沿在PCB走線中延伸長度對應(yīng)的總電容，表示干擾信號電壓，Δ表示干擾信號上升沿在PCB走線中延伸長度，r表示干擾信號上升沿時間，表示干擾信號在PCB走線中的傳播速度，mL表示單位長度互容。

電路串擾模型中，通過互感產(chǎn)生的干擾電壓為：

其中：m表示干擾信號上升沿在PCB走線中延伸長度對應(yīng)的總電感，表示干擾信號電流，mL表示單位長度互感。

由信號完整性理論可知，近端串擾系數(shù)為：

其中：表示近端串擾系數(shù)。

遠端串擾系數(shù)為：

其中：表示遠端串擾系數(shù)，表示兩條線之間耦合區(qū)域的長度。

當兩條傳輸線靠近時，互容和互感將增加。從而，根據(jù)模型得到的串擾系數(shù)可知，其和均將增加。此外，減小耦合長度，同樣可以減小。

312近場空間輻射

近場空間輻射是指電磁噪聲的能量，以電磁場能量的形式，通過空間輻射傳播，耦合到被干擾電路。

由于TDI CCD的驅(qū)動信號電壓擺幅大、壓擺率高、容性負載大等特點，在驅(qū)動信號的上升時間或下降時間內(nèi)的瞬態(tài)驅(qū)動電流大。

高頻信號線、CCD集成電路引腳都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他通道，互為干擾源，通過空間把其信號耦合（干擾）到另一TDI CCD的電網(wǎng)絡(luò)中。

3.2　串擾噪聲抑制

現(xiàn)有的對多通道TDI CCD串擾噪聲抑制方法的分析主要是基于電路傳導(dǎo)耦合所引起的串擾噪聲，其抑制方法如參考文獻［10-12］采用電源隔離、統(tǒng)一工作時鐘、優(yōu)化PCB電路走線等方式，均是從硬件電路的設(shè)計上進行分析和優(yōu)化。

本文在此基礎(chǔ)上，首先對多通道異速成像TDI CCD的驅(qū)動方式進行分析，考慮了多片探測器異速工作時在近場空間會形成輻射干擾，探測器之間互為干擾源，并針對這兩個方面進行了串擾抑制設(shè)計。

321電路傳導(dǎo)耦合噪聲抑制

由前述可知，電路傳導(dǎo)耦合多是由于干擾線和被干擾線距離近、并且有一定的耦合長度，導(dǎo)致串擾系數(shù)增加。因此，在電路板設(shè)計的時候采用避免高頻信號距離過近，并對敏感信號進行防護布線等串擾抑制措施。

然而，TDI CCD在成像過程中，按照不同的工作方式，其驅(qū)動時序可分為突發(fā)轉(zhuǎn)移模式和連續(xù)轉(zhuǎn)移模式。突發(fā)轉(zhuǎn)移模式和連續(xù)轉(zhuǎn)移模式驅(qū)動時序分別如圖4和圖5所示，圖中的CIx為電荷轉(zhuǎn)移過程中的垂直轉(zhuǎn)移信號，全色為CIxP，彩色為CIxB，統(tǒng)一用CIx來表示該類信號；圖中的CR為電荷轉(zhuǎn)移過程中的水平轉(zhuǎn)移信號，全色為CRxP，彩色為CRxB，統(tǒng)一用CR來表示該類信號。驅(qū)動時序中的tran是轉(zhuǎn)移時間，表示像元從一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元的時間；T是行周期時間。

圖4　突發(fā)轉(zhuǎn)移模式下的驅(qū)動時序

圖5　連續(xù)轉(zhuǎn)移模式下的驅(qū)動時序

在突發(fā)轉(zhuǎn)移模式下，trans時間短、占整個行周期比例很小，這種模式的優(yōu)點是垂直轉(zhuǎn)移信號（CIx）和水平轉(zhuǎn)移信號（CR）分時工作，因此信號的串擾小、噪聲低，但在工程應(yīng)用中MTF會降低。

在連續(xù)轉(zhuǎn)移模式下，trans基本與行周期相等，各個CIx平均分配在整個行周期內(nèi)，這種模式的優(yōu)點是可以在一定程度上提高MTF，但是由于CIx與CR同時存在，CIx的上升沿/下降沿的突變會使CR上疊加串擾噪聲，因此CIx為噪聲源，需要對它進行分析。

為了便于分析，將垂直轉(zhuǎn)移信號看作是周期性時域函數(shù)，并作適當平移，如圖6所示。將其軸定于其高低電平的中間，即零時刻為高低電平的中間值位置，從零時刻到高電平時間為上升時間的一半即/2。這樣做的好處是在展開為傅里葉級數(shù)時，由于函數(shù)在整個周期內(nèi)的積分為0，因此傅里葉級數(shù)的常數(shù)項為0，便于進行函數(shù)的分析。

圖6　垂直轉(zhuǎn)移信號波形圖

圖6中，A為垂直轉(zhuǎn)移信號幅值，為上升/下降時間。則其模型在區(qū)間［0，T/2］的數(shù)學(xué)表達式為：

對該時域周期函數(shù)進行傅里葉級數(shù)展開得到：

從上式可以看出在不改變幅值的情況下，上升時間與垂直轉(zhuǎn)移信號高頻分量強度成反比。當上升/下降沿越陡峭，即減小時，信號的高頻分量強度越強；而當上升/下降沿越緩慢，即增加時，信號的高頻分量強度越弱。根據(jù)信號完整性理論可知，高頻分量決定了串擾噪聲的大小，因此，適當增加可減小串擾噪聲。由于TDI CCD工藝影響，若過長，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)移效率的下降。

針對上述分析，調(diào)整垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號上升/下降沿的時間常數(shù)。其調(diào)整電路如圖7所示。圖中，RS為調(diào)節(jié)電阻，C0為CCD驅(qū)動引腳等效電容，TDI CCD芯片給定了C0，全色譜段的垂直轉(zhuǎn)移信號等效電容為4 nF，彩色譜段的垂直轉(zhuǎn)移信號等效電容為16 nF。

圖7　驅(qū)動信號時間常數(shù)調(diào)整電路

時間常數(shù)調(diào)整公式為：

其中：H為信號高電平電壓值，VL為信號低電平電壓值，tr為上升時間tr時刻負載電壓，其中上升時間取0.9倍峰峰值所對應(yīng)的時刻，故

因此，只需調(diào)節(jié)S大小即可調(diào)整上升/下降時間常數(shù)。根據(jù)該型TDI CCD數(shù)據(jù)手冊提供的數(shù)據(jù)，通過電路仿真和實際調(diào)試，全色譜段的調(diào)節(jié)電阻s設(shè)置為4 Ω，得到其垂直轉(zhuǎn)移信號上升/下降時間為74 ns；彩色譜段的調(diào)節(jié)電阻設(shè)置為10 Ω，得到其垂直轉(zhuǎn)移信號上升/下降時間為92 ns。三路TDI CCD的垂直轉(zhuǎn)移信號上升/下降時間相同。

322近場空間輻射抑制

TDI CCD為了更靈活的進行成像，拼接而成的三片TDI CCD可分別設(shè)置為不同的行轉(zhuǎn)移頻率（實驗中分別設(shè)置為1 kHz、0.999 6 kHz和0.999 3 kHz），此時的成像稱為異速成像。由于行轉(zhuǎn)移頻率較高，且幅值較大，因此要求信號的上升沿時間非常短，信號的高頻分量能量很強。這就導(dǎo)致相鄰兩片CCD在進行異速成像時，高頻影響下噪聲會近場耦合到相鄰的探測器上，最終噪聲反應(yīng)在拍攝的圖像上，嚴重影響信噪比。如圖8所示（圖像為黑白條低8位圖像），左側(cè)為同速時圖像，右側(cè)為異速時圖像，圖像存在橫條紋噪聲。

圖8　同速和異速情況時的全色圖像

為解決上述問題，抑制近場空間輻射，提高異速成像信噪比，在三片TDI CCD拼接完成后，用銅片將三片探測器進行物理空間隔離，減小噪聲的近場耦合。將三個CCD器件用銅片相互隔離開，如圖9所示。

圖9　隔離銅片安裝圖

4 試驗結(jié)果

4.1　異速成像測試

為了較為準確的對比，屏蔽后的實驗條件與屏蔽前的基本保持一致，并分別設(shè)置各CCD的行轉(zhuǎn)移頻率，得到的圖像如圖10（b）所示，與屏蔽前的圖10（a）相比，圖像清晰沒有橫條紋噪聲。

圖10　實施屏蔽前后的異速圖像

在常溫下對屏蔽前后的圖像進行測試，在圖像半飽和條件下，計算其均方根誤差（RMS），測試結(jié)果如表2所示。

表2噪聲抑制前后圖像半飽和條件下的RMS測試結(jié)果

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

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計采用低成本、便捷的方式進行隔離，串擾抑制效果明顯。

4.2　信噪比測試

根據(jù)系統(tǒng)指標要求，在太陽高角30°、地面反照率0.2的典型照明情況下，相機系統(tǒng)信噪比應(yīng)不低于100倍。在輻射定標中通過積分球定標光源模擬這種照明條件下對應(yīng)的相機入瞳處輻亮度對相機進行信噪比測試，各工況下各光譜通道相機入瞳輻亮度估算如表3所示。動態(tài)范圍調(diào)整的手段主要靠改變相機的積分級數(shù)和增益來實現(xiàn)。

表3各光譜通道相機入瞳輻亮度估算

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

根據(jù)表3給出的輸入輻亮度進行測試，在該亮度下采集各譜段圖像500行進行統(tǒng)計，測試條件為模擬265 km火星軌道高度，積分時間為124.11 μs，得到對應(yīng)的CCD全色和B1～B4各譜段在不同積分級數(shù)和成像模式下的信噪比，實際測試中采用的信噪比單位為“倍數(shù)”，見表4。測試中為保證各譜段信噪比SNR可達到100（倍）調(diào)節(jié)積分級數(shù)。

表4TDI CCD信噪比測試結(jié)果

Tab.4　Test result of SNR of TDI CCD

5 外景成像試驗

室溫條件下，利用單軸轉(zhuǎn)臺對3.5 km外的目標（長春中國南方航空公司以及中邑大廈）進行推掃拍攝，得到的圖像清晰度高，層次明顯，圖11為全色譜段拍攝效果圖片。

圖12為彩色譜段拍攝圖像經(jīng)多光譜圖像數(shù)據(jù)融合后所形成的圖像，色彩真實、絢麗，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。

圖11　TDI CCD外景推掃成像試驗圖像

圖12　RGB拼接融合效果圖

6 結(jié)　論

在天問一號高分相機的成像系統(tǒng)設(shè)計中，結(jié)合成像需求，在器件選型、電路研制、噪聲抑制等環(huán)節(jié)展開細致的研究。針對多個線陣TDI CCD探測器拼接后異速成像時帶來的問題，提出改進措施并驗證，利用積分球等輻射試驗設(shè)備測試驗證TDI CCD的成像性能，三片TDI CCD的信噪比滿足任務(wù)要求，從而驗證了設(shè)計的實用性、靈活性和有效性。針對TDI CCD探測器的成像電路系統(tǒng)設(shè)計方法對其他相機電路系統(tǒng)設(shè)計具有借鑒意義。

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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

周鵬驥（1985），男，黑龍江伊春人，博士研究生，助理研究員，2013年于電子科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事空間遙感成像技術(shù)方面的研究。E-mail：zpj1029@163.com

王曉東（1970），男，吉林白山人，研究員，博士生導(dǎo)師，2003年于中國科學(xué)院研究生院獲得博士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感儀器成像技術(shù)與信息處理方面的研究。Email：wangxd@ciomp.ac.cn

1004-924X（2022）02-0217-10

2021-08-18；

2021-10-11.

北京市科技計劃課題資助項目（No.Z191100004319001）