基于FPGA的TDI-CCD時序電路設計

摘要：介紹TDI-CCD的特點、工作原理，根據(jù)項目所使用的TDI-CCD的使用要求，設計一種基于Altera公司的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)EP3C-25Q240的TDI-CCD驅(qū)動時序電路，驅(qū)動時序使用VHDL語言編寫，在QuartusⅡ平臺上進行時序仿真，通過在硬件電路中的測試結(jié)果表明，驅(qū)動時序滿足該款產(chǎn)品的要求。該實驗的主要目的是驗證這款TDI-CCD的性能，為其應用和進一步的性能改善獲得必要的數(shù)據(jù)，以促進國產(chǎn)CCD的發(fā)展及應用。
關(guān)鍵詞：TDI-CCD；驅(qū)動時序；現(xiàn)場可編程門陣列

TDI-CCD(Time Delay and Integration)在最近幾年已經(jīng)發(fā)展成為航天、航空相機的理想圖像傳感器。主要應用在低照度條件下，對低照度目標有很高的靈敏度。它主要有以下特點：首先它采用了TDI工作模式，隨著TDI積分級數(shù)M的增加有用信號線性相加，而噪聲信號是非相干平方根增加，這樣TDI-CCD的信噪比(SNR)可以提高倍；其次，由于它的積分級數(shù)是可以調(diào)節(jié)的，通過改變積分級數(shù)，就可以改變可見光CCD的曝光時間。因此，TDI-CCD可以在不同的照度下在不改變幀頻的情況下正常工作，例如，在黎明、黃昏或夜間成像，要求曝光時間長，對應的增加TDI級數(shù)，在白天或者能見度較好的場合，對應的減少TDI的級數(shù)，能在分辨率不變的情況下提高可見光CCD的靈敏度和均勻性；再次是采用TDI-CCD作為焦平面探測器可以減少相機相對孔徑，從而減少系統(tǒng)重量和體積。

l TDI-CCD工作原理
在第一次曝光時間t1時，物體的第一行處在TDI的第五級，曝光電荷為Q1；在第二次曝光時間t2時，物體向前運動一行，這時物體的第二行處在TDI的第五級，曝光電荷為Q2，與此同時上次累積的電荷Q1轉(zhuǎn)移到第四級，再加上第四級曝光物體的第一行產(chǎn)生的曝光電荷Q1總共累積電荷2Q1；在第三次曝光時間t3時，物體繼續(xù)向前運動一行，這時物體的第三行處在TDI的第五級，曝光電荷為Q3與此同時上次累積的電荷Q2轉(zhuǎn)移到第四級，再加上第四級曝光物體的第二行產(chǎn)生的曝光電荷Q2總共累積電荷2Q2，TDI的第三級曝光物體的第一行再加上從第四級轉(zhuǎn)移過來的2Q1，第三級總共累積電荷3Q1；在第四次曝光時間t4時，物體繼續(xù)向前運動一行，這時物體的第四行處在TDI的第五級，產(chǎn)生曝光電荷Q4并且轉(zhuǎn)移上次的累積電荷Q3到TDI的第四級，第四級曝光物體第三行產(chǎn)生曝光電荷Q3，再加上從第五級轉(zhuǎn)移來的Q3，第四級累積電荷2Q3，第三級曝光物體第二行加上從第四級轉(zhuǎn)移來的電荷總共產(chǎn)生累積電荷3Q2，第二級曝光物體第一行再加上從第三級轉(zhuǎn)移來的電荷總共產(chǎn)生累積電荷為4Q1；在第五次曝光時間t5時，物體繼續(xù)向前運動一行，這時物體的第五行處在TDI的第五級，產(chǎn)生曝光電荷Q5并且轉(zhuǎn)移上次的累積電荷Q4到TDI的第四級，第四級曝光物體第四行產(chǎn)生曝光電荷Q4，再加上從第五級轉(zhuǎn)移來的Q4，第四級累積電荷2Q4，第三級曝光物體第三行加上從第四級轉(zhuǎn)移來的電荷2Q3總共產(chǎn)生累積電荷3Q3，第二級曝光物體第二行再加上從第三級轉(zhuǎn)移來的電荷為3Q2總共產(chǎn)生累積電荷為4Q2；第一級曝光物體第一行再加上從第二級轉(zhuǎn)移來的電荷4Q1總共產(chǎn)生累積電荷為5Q1。這是一款最大積分級數(shù)為五級的TDI，以此類推更多級數(shù)TDI的工作原理(見圖1)。