TDI CCD遥感相机电荷转移运动建模与真相位像移补偿研究

The TDI CCD charge transfer model and the corresponding motion compensation technique play a key role during the research process for the remote sensing camera. However, the existing models are inconsistent with each other, and the real imaging experimental results do not accord well with the theoretical analysis. Therefore, it leads to the ambiguous understanding on the charge transfer regularity and the corresponding motion compensation methods. Combining the TDI CCD imaging techniques both in the macro and micro fields, a mathematical formulation describing the TDI CCD charge transfer, which conforms to reality, will be proposed according to any phase timing. In addition, a new TDI CCD charge transfer structure will be developed considering the phase timing limitations, such that the motion compensation scheme could be implemented in the sensor itself. Moreover, the true phase motion compensation method will be presented in the sub-pixel level. We hope that the research will make a fundamental contribution for the high resolution TDI CCD remote sensing camera by providing the technical supports.

TDI CCD电荷转移运动模型与像移补偿方法是高性能遥感相机研究中的核心内容，对提高我国遥感成像系统的建模精度与成像分辨率具有重要意义。现有的TDI CCD电荷转移运动模型不统一，且均与遥感相机实际成像结果存在一定的差异，这阻碍了对电荷转移运动规律深层次的认识与高精度像移补偿方法的研究。通过融合TDI CCD遥感相机宏观级与探测器芯片微观级成像技术，本项目旨在寻找一种能够全面、真实反映任意相位TDI CCD电荷转移运动规律的数学模型，在此基础上突破现有TDI CCD电荷转移时序约束，建立适合于电荷转移像移片上解决方案的时序驱动架构，在亚像元层面上研究以"真相位"技术为核心的电荷转移像移补偿方法，为进一步提高我国TDI CCD遥感相机性能提供坚实的理论基础与技术保障。

CCD（Charge Coupled Device）以其低噪声、大动态范围、高量子效率、宽光谱响应以及高几何稳定性等优点，广泛应用于空间遥感、天文观测、微光夜视等科学研究领域。CCD的时间延迟积分（Time Delay Integration, TDI）工作模式在不牺牲空间分辨率的情况下，显著提高了探测器的响应度，在航空遥感领域是解决相机轻量化的主要途径。在航空遥感应用种，由于飞机的前向飞行以及姿态变换，景物像电与光敏介质之间存在相对运动，即像移。像移的存在严重影响航空遥感相机分辨率。当前CCD电荷转移运动模型未真实表征电荷运动规律，据此构建的像移补偿方法精度停滞在像素级，我国发展新一代高分辨率航测相机遇到了极大瓶颈。本项目针对TDI CCD行间电荷的转移方式，利用脉冲传递函数建立了电荷转移的速度模型，并对TDI CCD电荷转移速度与景物像点移动速度进行了比较分析，揭示了TDI CCD电荷转移像移产生的原因，然后以推扫型、摆扫型航空遥感相机位为研究对象，对行间电荷转移补偿误差进行了深入的数值分析，最终建立了多相位TDI CCD电荷转移像移的调制传递函数，定量给出了二、三、四相位TDI CCD电荷转移像移引起的空间频率对比度损失，同时项目提出了一种新的TDI CCD电荷方式，使TDI CCD电荷转移像移减为1/2φ像素，其中φ为TDI CCD的电荷转移相位数。最后通过实验室验证获得了61毫米/对线奈奎斯特频率处的靶标图案，并利用现有的TDI CCD航空相机进行了飞行试验，获得了良好的飞行图片。