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，根據項目所使用的TDI-CCD的使用要求，設計一種基于Altera公司的現場可編程門陣列(FPGA)EP3C-25Q240的TDI-CCD驅動時序電路，驅動時序使用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果表明，驅動時序滿足該款產品的要求。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據，以促進國產CCD的發展及應用。
關鍵詞：TDI-CCD；驅動時序；現場可編程門陣列

TDI-CCD(Time Delay and Integration)在最近幾年已經發展成為航天、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，由于它的積分級數是可以調節的，通過改變積分級數，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，在白天或者能見度較好的場合，對應的減少TDI的級數，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轉移到第四級，再加上第四級曝光物體的第一行產生的曝光電荷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轉移到第四級，再加上第四級曝光物體的第二行產生的曝光電荷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，物體繼續向前運動一行，這時物體的第四行處在TDI的第五級，產生曝光電荷Q4并且轉移上次的累積電荷Q3到TDI的第四級，第四級曝光物體第三行產生曝光電荷Q3，再加上從第五級轉移來的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移來的電荷總共產生累積電荷3Q2，第二級曝光物體第一行再加上從第三級轉移來的電荷總共產生累積電荷為4Q1；在第五次曝光時間t5時，物體繼續向前運動一行，這時物體的第五行處在TDI的第五級，產生曝光電荷Q5并且轉移上次的累積電荷Q4到TDI的第四級，第四級曝光物體第四行產生曝光電荷Q4，再加上從第五級轉移來的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移來的電荷2Q3總共產生累積電荷3Q3，第二級曝光物體第二行再加上從第三級轉移來的電荷為3Q2總共產生累積電荷為4Q2；第一級曝光物體第一行再加上從第二級轉移來的電荷4Q1總共產生累積電荷為5Q1。這是一款最大積分級數為五級的TDI，以此類推更多級數TDI的工作原理(見圖1)。