1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
调制传递函数（MTF）是遥感相机的重要评价指标，但是目前对于数字域 TDI CMOS 相机动态MTF特性研究十分有限，为了深入研究其像质下降机理，结合数字域TDI CMOS成像原理，建立了像元、电子快门、曝光时间、振动引起的数字域TDI成像MTF下降数学模型。结合推导模型开展了预估分析和实验验证。结果表明：传感器的有效像元区域分布会影响图像MTF，且开口率越小影响越大；CMOS传感器的卷帘快门会导致数字域TDI成像MTF下降，卷帘速度越慢影响越严重，其中卷帘速度从6 μs变为10 μs时，对应的图像MTF从0.191下降为0.177；曝光时间越短则MTF越高，尤其当存在低频像移失配时更为明显，曝光时间从180 μs减小为100 μs时，图像MTF从0.126提高为0.155，但同时也会影响图像信噪比，因此在实际应用中应合理选择曝光时间。
时间延迟积分 图像传感器 卷帘快门 调制传递函数 像移 TDI image sensor rolling shutter MTF image motion
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10kHz，电荷转移效率高达0.99999，饱和输出电压为2650mV，抗弥散能力大于等于100倍，动态范围为7143∶1。
时间延迟积分 四谱段 电荷耦合器件 图像传感器 time delay integration four spectral CCD image sensor
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
采用离轴三反射结构的大视场空间相机存在较大的光学畸变，导致引入时间延迟积分(Time Delay Integration, TDI)技术的面阵探测器在推扫成像时产生像移模糊。根据畸变引起的TDI成像退化原理，将畸变像移模糊转化为非均匀运动模糊，通过求解像移路径计算初始模糊核，将其作为先验信息，建立半盲复原模型进一步细化模糊核。利用初始模糊核复原的粗略图像边缘指导模糊核的细化，提出一种多方向权重异性的全变差模型提取图像结构信息。为了增强先验信息对模糊核细化的约束，构建了含有初始模糊核的正则项，使模糊核的估计不过度依赖于图像内容，采用多尺度迭代方法求解。最后用正则化约束的非盲反卷积方法去除图像模糊。实验结果表明：与现有的几种去模糊算法相比，所提方法的去模糊效果不仅清晰自然且对不同样本图像的模糊核估计更稳定。
光学畸变 时间延迟积分 模糊核估计 图像去模糊 optical distortion time delay integration blur kernel estimation image deblurring 红外与激光工程
2022, 51(4): 20210392
随着航天遥感领域超高分辨率成像电子学中行频的不断提升，一个积分时间内光生电荷数量逐渐减少，弱光成像能力有所下降，电子学中需要采用增大时间延迟积分级数的方法弥补能量的不足。传统数字域累加探测器有着引入过多噪声与帧频受限的多项弊端，而电荷域探测器的超大级数累加会带来电荷转移效率的下降和图像的混叠。基于此，文章在采用低功耗、高集成度TDICMOS基础上，提出了一种基于电荷域和数字域混合的新型累加方式，并对影响弱光成像像质水平的主要指标进行分析。随后针对混合域累加方式下多感光单元间的像质退化，提出一种基于图像配准的成像时刻校准方法，通过多片感光单元间隔测量和成像时刻时序微调有效改善了大积分级数电荷运动与景物运动的失配程度。最后通过滚筒测试验证了成像时刻校准方法的有效性，通过性能测试验证了混合域成像在弱光照下探测能力的提升。结果表明，文中所提方法有效地解决了TDI型探测器的主要瓶颈，为超高分辨率遥感相机提供了有效的解决方案。
行频 时间延迟积分级数 电荷转移效率 成像时刻 line frequency TDI stage charge transfer efficiency imaging time 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200308
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为解决现有电子式像移补偿在扫描方向上补偿范围有限的问题,提出一种适用于沿扫描方向广域像移大小变化的数字时间延迟积分(TDI)方法。首先基于像移计算结果判断像移大小是否在电子行频可补偿的范围内,当在不可补偿范围时,基于利用图像插值和配准像素对位累加来调整像移失配量的思想,构建任意像移大小的数字TDI算法模型,并对所提算法进行实验验证。实验结果表明:当96级积分的总像移量远小于像元尺寸时,所提算法与逐行累加的传统TDI方法成像结果相当;当96级积分的总像移量大于像元尺寸时,总像移量超出电子式像移可补偿范围,传统TDI方法扫描图像发生严重混叠,成像质量急剧下降,而所提算法获取图像的像移传递函数和互相关性测度均提高0.11,可有效保持成像质量。
成像系统 时间延迟积分 数字域 像移 图像插值 遥感
1 重庆光电技术研究所, 重庆 400060
2 海装广州局, 广州 510000
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3072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。
时间延迟积分 电荷耦合器件 多光谱 横向抗弥散 图像传感器 time delay integration CCD multispectral lateral anti-blooming imaging sensor
1 上海海事大学 信息工程学院,上海 201306
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术实验室,上海 200083
基于时间延迟积分的红外点目标探测系统在推扫成像过程中会受到速度失配的影响导致点目标的探测性能降低.基于调制传递函数的传统频域建模分析方法由于缺少相位传递函数的介入, 无法对目标探测性能的影响进行有效分析.为了解决该问题, 采用成像系统的点扩散函数以及线扩展函数建立了成像系统的速度失配模型, 并对速度失配对目标检测系统的影响进行了研究.模型理论计算以及实际成像实验结果表明, 当时间延迟积分级数为8级, 速度失配量ΔV/V=25%时, 点目标能量响应均值下降50％, 当速度失配达到ΔV/V=12.5%时, 点目标能量响应均值下降30％.研究结果可为后续红外时间延迟积分成像系统的设计提供参考.
红外成像系统 点目标探测 时间延迟积分 速度失配 Infrared imaging system Point target detection Time delay intergration Velocity mismatch
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
提出了一种16级片上模拟累加电路结构以实现时间延迟积分(TDI)功能, 累加单元以电荷放大器为基础.为了获得更好的噪声性能, 对电路结构的模拟信号链路进行了噪声分析, 给出了适用于TDI累加的热噪声模型.分析表明, 主要随机热噪声根据累加电路工作的状态不同可以分成电荷传输噪声和直接采样噪声两部分.给出每部分噪声与电路增益大小的关系和相应的抑制方法.采用0.5 μm标准CMOS工艺实现了16×256级CMOS-TDI探测器芯片, 流片的测试结果表明16级TDI可以获得11.22 dB的SNR提升.
CMOS图像传感器 时间延迟积分 信噪比 片上模拟域 噪声模型 CIS TDI SNR on-chip analog domain noise model
张元涛 1,2,3,*柴孟阳 1,2孙德新 1,2,3,4刘银年 1,2,3,4,*
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心, 江苏 启东 226200
为实现高分辨率大动态范围的空间微光(LLL)成像,提出基于全局快门科学级互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器的数字域时间延迟积分(TDI)微光成像方法。通过推导数字域TDI成像数据处理方法,建立了系统信噪比(SNR)模型,提出了数字域TDI大动态范围成像方法,并分析了速度失配导致的调制传递函数(MTF)退化现象。实验结果表明,该方法能够明显提高微光成像质量,当数字域TDI积分级数为30时,系统SNR由未积分的5.04 dB提高到19.78 dB,动态范围比传统数字域TDI方法提升了29.54 dB,为实现高分辨率大动态范围空间微光成像提供了保障。
成像系统 微光成像 微光成像仪 数字域时间延迟积分 科学级互补金属氧化物半导体探测器 动态范围
