大面陣幀轉(zhuǎn)移CCD smear現(xiàn)象研究

楊小虎

摘要：Smear現(xiàn)象作為幀轉(zhuǎn)移型電荷耦合器件（CCD）的固有缺陷，在CCD的應(yīng)用上起到了一定的阻礙作用。通過(guò)對(duì)幀轉(zhuǎn)移型CCD成像過(guò)程的詳細(xì)分析，了解了smear現(xiàn)象產(chǎn)生的原理及影響，從而提出一種減小甚至消除這種smear現(xiàn)象的方法，即下傳虛擬參考行法。利用該方法對(duì)一臺(tái)成像光譜儀輸出信號(hào)進(jìn)行校正，很好地實(shí)現(xiàn)了smear現(xiàn)象影響的消除，從而證明該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：Smear現(xiàn)象；幀轉(zhuǎn)移；電荷耦合器件；虛擬參考行

中圖分類號(hào)：TH391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）33-8057-02

Abstract： Smear as an inherent defect of frame transfer Charge Coupled Device， has impeded CCDs application. Based on a specific analysis of the procedure of CCD imaging， the principle and effect of smear has been understood， from which a method named download virtual reference line has been proposed to decrease or even erase smear. The output signal of an imaging spectrometer has been corrected using this method， which reached a high quality by removing the effect caused by smear， and proved the method to be available.

Key words： Smear； frame transfer； CCD； virtual reference line

1 概述

電荷耦合器件（CCD）自上世紀(jì)70年代被發(fā)明以來(lái)，已逐步在成像和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在天基遙感領(lǐng)域，CCD的出現(xiàn)解決了以往膠片存儲(chǔ)的容量限制及數(shù)據(jù)回收等問(wèn)題，但也存在一些不能忽視的缺點(diǎn)，如smear現(xiàn)象。Smear現(xiàn)象作為行間轉(zhuǎn)移CCD、幀轉(zhuǎn)移CCD以及去掉機(jī)械快門后的全幀轉(zhuǎn)移CCD的固有現(xiàn)象，是在CCD電荷轉(zhuǎn)移期間形成的。在遙感探測(cè)領(lǐng)域，Smear現(xiàn)象不僅影響圖像的視覺(jué)效果，而且能直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)探測(cè)出現(xiàn)偏差，因而必須減小或消除其影響[1-5]。

本文通過(guò)對(duì)大面陣幀轉(zhuǎn)移CCD smear現(xiàn)象的研究，提出了一種減小smear現(xiàn)象影響的方法，并用實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。

2 幀轉(zhuǎn)移CCD smear現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

如圖1所示，假設(shè)成像區(qū)中間A區(qū)有恒定光照，由于CCD在成像區(qū)到存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行電荷快速轉(zhuǎn)移過(guò)程中需要一定時(shí)間，此時(shí)成像區(qū)上部A1區(qū)會(huì)繼續(xù)曝光，其曝光量Q1為電荷由成像區(qū)快速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)時(shí)間內(nèi)對(duì)恒定光照的積分，當(dāng)電荷快速轉(zhuǎn)移完畢，此時(shí)在存儲(chǔ)區(qū)可以看到A1區(qū)出現(xiàn)拖影即smear現(xiàn)象；電荷完全轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)后，在時(shí)鐘脈沖的控制下，開(kāi)始一行行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器進(jìn)而讀出，此時(shí)，成像區(qū)也會(huì)跟著時(shí)鐘頻率一行行轉(zhuǎn)移電荷，因而，當(dāng)存儲(chǔ)區(qū)中間A區(qū)轉(zhuǎn)移到下部A2區(qū)時(shí)，成像區(qū)下部A2區(qū)由中間A區(qū)轉(zhuǎn)移而來(lái)時(shí)接受了恒定光照曝光，從而產(chǎn)生光電荷，其曝光量Q2為水平移位寄存器讀出時(shí)間內(nèi)對(duì)恒定光照的積分；當(dāng)一幀圖像恰好完全從水平移位寄存器讀出時(shí)，存儲(chǔ)區(qū)也恰好轉(zhuǎn)移完一幀成像區(qū)圖像，此時(shí)存儲(chǔ)區(qū)上部A1區(qū)、中間A區(qū)、下部A2區(qū)都經(jīng)歷過(guò)成像區(qū)中間A區(qū)恒定光照的曝光，并產(chǎn)生相同的曝光量Q2；為了盡量消除電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中的殘留電荷，CCD通常會(huì)在幀與幀之間進(jìn)行多次清道，當(dāng)最后一次清道完成時(shí)，成像區(qū)下部A2區(qū)事實(shí)上在由中間A區(qū)轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了曝光，且其曝光量為Q2，此時(shí)再重復(fù)前面的電荷生成、電荷轉(zhuǎn)移及電荷讀出整個(gè)過(guò)程；因而在連續(xù)采集多幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)，幀轉(zhuǎn)移CCD會(huì)在成像面光照區(qū)上下都產(chǎn)生smear現(xiàn)象，且由其機(jī)理可知Q1=Q2，即上下smear大小完全相同。

幀轉(zhuǎn)移CCD smear現(xiàn)象產(chǎn)生的過(guò)程中，CCD時(shí)鐘控制成像區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)以及水平移位寄存器不斷地轉(zhuǎn)移，整個(gè)過(guò)程猶如在一條無(wú)限長(zhǎng)的紙帶上，出沙機(jī)以恒定頻率向下出沙，而紙帶則交替性地以快、慢兩種速度往同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，兩種速度下均保持一定時(shí)間，這樣，無(wú)論在紙帶中間的那個(gè)位置，都有或多或少的沙子存在；紙帶慢速度時(shí)留下的沙子多，而紙帶快速度時(shí)留下的沙子少，但不是沒(méi)有。這也就解釋了CCD多幀采集時(shí)smear現(xiàn)象上下都存在的原因，而清道則是紙帶多次快速度的運(yùn)動(dòng)，即使速度很快，時(shí)間很長(zhǎng)，在這一段紙帶上依然會(huì)留下沙子的痕跡，不可能完全沒(méi)有。

3 Smear影響消除

由前述可知，smear現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于電荷在轉(zhuǎn)移讀出過(guò)程中成像區(qū)始終還在曝光。由于smear現(xiàn)象對(duì)CCD成像區(qū)整個(gè)電荷轉(zhuǎn)移方向的所有像素的影響均相同，因而考慮在CCD讀完一幀數(shù)據(jù)的前提下，繼續(xù)輸出若干行信號(hào)，由于前述一幀數(shù)據(jù)即為成像區(qū)的大小，后續(xù)輸出的若干行信號(hào)實(shí)際上在成像區(qū)積分曝光時(shí)是完全不存在的，只有在電荷轉(zhuǎn)移讀出過(guò)程中，這若干行信號(hào)才依次經(jīng)過(guò)成像區(qū)曝光，而該曝光時(shí)間即是電荷轉(zhuǎn)移讀出的時(shí)間，正好是smear現(xiàn)象的產(chǎn)生時(shí)間，因而其曝光量可以反應(yīng)smear現(xiàn)象

的大小。將前述一幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)減去這若干行信號(hào)的平均值即可減小甚至消除smear帶來(lái)的影響，該若干行可稱為虛擬參考行。

4 smear消除試驗(yàn)

試驗(yàn)中對(duì)一臺(tái)成像光譜儀CCD進(jìn)行smear現(xiàn)象后續(xù)處理，成像光譜儀光譜范圍300nm-1000nm，CCD即為上述e2v公司生產(chǎn)的47-20系列幀轉(zhuǎn)移型CCD，為了查看smear現(xiàn)象的大小，外加一片360nm±10nm處帶通濾光片。圖3左為積分時(shí)間80ms下正常采集的CCD輸出信號(hào)，由圖可見(jiàn)，在成像光譜儀光譜維被濾光片截止的光譜范圍，依然有高于兩邊暗信號(hào)二十多灰度值的信號(hào)，且整個(gè)被截波段信號(hào)比較均勻。利用前述方法，下傳CCD虛擬參考行3行并取平均，并給出消除該smear影響后的真實(shí)圖像如圖3右，可見(jiàn)，消除smear后被截波段與暗信號(hào)在同一水平，從而證明該信號(hào)確為360nm±10nm波段產(chǎn)生的smear影響。

5 總結(jié)

Smear現(xiàn)象作為沒(méi)有機(jī)械快門裝置CCD的固有缺陷，尤其在微弱信號(hào)探測(cè)的情況下，很大程度上影響了CCD的應(yīng)用。但隨著對(duì)CCD工作過(guò)程及smear產(chǎn)生機(jī)理的分析及驗(yàn)證，越來(lái)越多的方法可以減小甚至消除其影響，該文提出的下傳虛擬參考行測(cè)量smear大小的方法簡(jiǎn)單可行，效果顯著，可推廣到其他CCD后續(xù)數(shù)據(jù)處理中。

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