基于FPGA的TDI-CCD時(shí)序電路設計

摘要：介紹TDI-CCD的特點(diǎn)、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A(yíng)ltera公司的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)EP3C-25Q240的TDI-CCD驅動(dòng)時(shí)序電路，驅動(dòng)時(shí)序使用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，在QuartusⅡ平臺上進(jìn)行時(shí)序仿真，通過(guò)在硬件電路中的測試結果表明，驅動(dòng)時(shí)序滿(mǎn)足該款產(chǎn)品的要求。該實(shí)驗的主要目的是驗證這款TDI-CCD的性能，為其應用和進(jìn)一步的性能改善獲得必要的數據，以促進(jìn)國產(chǎn)CCD的發(fā)展及應用。
關(guān)鍵詞：TDI-CCD；驅動(dòng)時(shí)序；現場(chǎng)可編程門(mén)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(diǎn)：首先它采用了TDI工作模式，隨著(zhù)TDI積分級數M的增加有用信號線(xiàn)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(guò)改變積分級數，就可以改變可見(jiàn)光CCD的曝光時(shí)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(shí)間長(cháng)，對應的增加TDI級數，在白天或者能見(jiàn)度較好的場(chǎng)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(jiàn)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(shí)間t1時(shí)，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(shí)間t2時(shí)，物體向前運動(dòng)一行，這時(shí)物體的第二行處在TDI的第五級，曝光電荷為Q2，與此同時(shí)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(chǎn)生的曝光電荷Q1總共累積電荷2Q1；在第三次曝光時(shí)間t3時(shí)，物體繼續向前運動(dòng)一行，這時(shí)物體的第三行處在TDI的第五級，曝光電荷為Q3與此同時(shí)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(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移過(guò)來(lái)的2Q1，第三級總共累積電荷3Q1；在第四次曝光時(shí)間t4時(shí)，物體繼續向前運動(dòng)一行，這時(shí)物體的第四行處在TDI的第五級，產(chǎn)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(chǎn)生曝光電荷Q3，再加上從第五級轉移來(lái)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(lái)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移來(lái)的電荷總共產(chǎn)生累積電荷為4Q1；在第五次曝光時(shí)間t5時(shí)，物體繼續向前運動(dòng)一行，這時(shí)物體的第五行處在TDI的第五級，產(chǎn)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(chǎn)生曝光電荷Q4，再加上從第五級轉移來(lái)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(lái)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移來(lái)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移來(lái)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為五級的TDI，以此類(lèi)推更多級數TDI的工作原理(見(jiàn)圖1)。