CCD圖像傳感器降噪技術(shù)的研究

王雪梅*

（焦作市技師學院教務(wù)處，河南焦作，454150）

引言

目前，CCD器件由于其優(yōu)點為：它被認為是可見光成像領(lǐng)域最有前景的探測器，低噪聲輸出；大動態(tài)范圍；高量子效率；高電荷轉(zhuǎn)移效率；寬光譜響應(yīng)范圍；良好的幾何穩(wěn)定性。隨著CCD制造技術(shù)的不斷發(fā)展，CCD具有高分辨率和高工作頻率的特點，因此CCD得到了廣泛的應(yīng)用。

1 KTC噪聲研究

KTC噪聲的產(chǎn)生與CCD的輸出結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。一般來說，CCD的輸出結(jié)構(gòu)是一個選擇性電荷積分器。電路原理顯示在圖放大器的柵極節(jié)點上，并且每個信號被讀取為電荷。在讀取由每個信號負載產(chǎn)生的電壓變化之后，需要輸出 MOSFET的柵極節(jié)點被復位。當復位脈沖到達時，復位晶體管MOSSFET導通，導電通道電阻Ron通過電容器C產(chǎn)生熱噪聲。電容C是反向偏置二極管D結(jié)電容器和源跟蹤器的總和。在復位過程中，通過電阻RON將等效漏極電壓加到電容器C上，分析CCD視頻輸出信號。每個像素的輸出周期以復位脈沖（在T0和T1之間）開始，其中電荷從前一個像素去除，以滿足下一個像素的電荷。在這個階段，視頻信號被嵌入復位電平，并且重置脈沖串擾信號被疊加以產(chǎn)生復位噪聲。在T1到T2期間，復位電平由于復位MOSFET漏電流的影響而略微降低，這被稱為復位偏移電壓。在此期間的視頻輸出是復位電平、復位噪聲和復位偏置電壓疊加。在T2-T3期間，平移時鐘干擾應(yīng)該與水平測量過程中的壓力測量元件混合。周期的最后一部分（T3到T4）是重置噪聲、復位偏移電壓和有用視頻信號的疊加。利用電容器C噪聲電壓的緩慢波動，采用雙采樣法、雙積分法和相關(guān)指數(shù)法對開關(guān)進行濾波。A在輸出電荷包和輸出電荷包之前的相同像素周期之前和之后采樣兩次。由于ND，RoFoc的采樣間隔比時間常數(shù)小得多，所以第一KTC噪聲樣本和第二KTC噪聲樣本都非常小。如果預(yù)置兩個樣本，則輸出KTC噪聲。該信號被抑制，即兩個樣本之間的關(guān)系是視頻信號的真實分量。

2 噪聲抑制電路的三個原理

2.1 雙相關(guān)抽樣

C2電容保持KTC噪聲，復位干擾電壓，疊加復位電平電壓。第二個樣本在T3和T4之間。C3電容器維持的電壓是KTC噪聲的疊加、復位電壓的不平衡和有用的視頻信號。兩個樣本之間的采樣間隔是TG。通過減去兩個值得采樣的信號電平來獲得輸出信號。由于雙相關(guān)采樣電路是點采樣電路，不存在低通濾波器特性。因此，有必要在限制帶寬之前增加低通濾波器，以形成雙相關(guān)采樣系統(tǒng)。

2.2 雙斜積分法

在T1～T2期間，S2閉合，S1斷開。在堆焊層中發(fā)現(xiàn)KTC噪聲和復位損失。調(diào)整電壓復位電平的反向積分；在T2～T3期間，S2斷開。當T3和T4時間關(guān)閉時，S1，堆棧具有有用的積分和復位電壓的有用信號電平，積分結(jié)束。系統(tǒng)輸出一個有用的視頻信號電壓并在時間t4輸出。

2.3 開關(guān)索引濾波器

開關(guān)指數(shù)濾波器的示意圖的實施例可以包括在 S1和 S3之間通過 S2S4短連接在T0和T1電容器C1和C2之間切換。在T1到T2期間，S4被接通，S3斷開，C2在復位電平反向積分，疊加KTC噪聲，并且復位不平衡電壓。在T2T3期間斷開S3。通過將期望的信號電平添加到T3到T4中的KTC噪聲來對不平衡電壓進行積分和復位。

3 三線傳遞函數(shù)

雖然這三個系統(tǒng)以不同的方式工作，并且在不同的電路中實現(xiàn)，但它們不能單獨分析。事實上，它們基本上是一樣的。它們包括在像素周期之前和之后采樣兩次的 RC電路。系統(tǒng)的輸出是兩個樣本之間的差值以獲得視頻信號。這證明了它們的傳遞函數(shù)具有必然的聯(lián)系和相似的特征。然而，由于RC常數(shù)的不同，這三種系統(tǒng)都有各自的特點。當雙相關(guān)采樣的 RC值小時，可以快速提取信號電平，特別適用于高頻應(yīng)用。雙積分RC常數(shù)比雙采樣RC常數(shù)大得多。只要滿足動態(tài)范圍條件，就可以任意選擇T1和T2的時間積分時間。它包含低通濾波器特性，并且不需要附加的低通濾波器。對于 RC恒中心開關(guān)指數(shù)濾波器，它具有雙積分和雙采樣的特點，同時提供了靈活性,它允許兩個不同的截止頻率,系統(tǒng)的最小截止頻率應(yīng)大于信號輸出頻率。最后，脈沖響應(yīng)是傅立葉變換。準確地說，只要噪聲抑制特性單獨實現(xiàn)，每個方法都能得到滿意的結(jié)果。然而，CCD輸出信號處理電路的設(shè)計原理是大大提高輸出信噪比（SNR），并減少其他負面影響。因此，應(yīng)該考慮噪聲抑制、速度、系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜性和電路的靈活性。由于采樣電路能夠在短時間內(nèi)達到新的水平，因此不需要清除先前的像素，這是高速應(yīng)用的首選方法。此外，它可以通過改變兩個采樣時間之間的間隔來應(yīng)用于寬范圍的工作頻率，因此它具有很大的靈活性。從傳輸函數(shù)和頻譜曲線的角度來看，DS-I的性能優(yōu)于CDS系統(tǒng)，因此可以更好地抑制噪聲。GPSRTK，只有一個人攜帶儀器測量12秒的地貌細節(jié)，并同時編碼輸入的特征。所需的地形圖可以通過專業(yè)軟件界面輸出，因此只有一個名為RTK的操作員，節(jié)省了時間和精力，非常實用，大大提高了工作效率。

4 結(jié)束語

相關(guān)雙采樣方法在CCD應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用。許多公司專注于專門的集成芯片，如 XRDXRD460XRD9580KODAKKASP10KASP1205，具有 CDS功能和自動補償級別，自動增益/OD功能。這些特殊的集成芯片不僅使用方便，而且具有良好的性能指標。此外，隨著CCD的快速發(fā)展，在許多情況下，輸出電容小、靈敏度高的CCD不太嚴格。在只需要一個低通濾波器之后，OD直接連接到轉(zhuǎn)換電路，特別是在高速下。

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