基于FPGA的TDI-CCD时序电路设计

摘要：介绍TDI-CCD的特点、工作原理，根据项目所使用的TDI-CCD的使用要求，设计一种基于Altera公司的现场可编程门阵列(FPGA)EP3C-25Q240的TDI-CCD驱动时序电路，驱动时序使用VHDL语言编写，在QuartusⅡ平台上进行时序仿真，通过在硬件电路中的测试结果表明，驱动时序满足该款产品的要求。该实验的主要目的是验证这款TDI-CCD的性能，为其应用和进一步的性能改善获得必要的数据，以促进国产CCD的发展及应用。
关键词：TDI-CCD；驱动时序；现场可编程门阵列

TDI-CCD(Time Delay and Integration)在最近几年已经发展成为航天、航空相机的理想图像传感器。主要应用在低照度条件下，对低照度目标有很高的灵敏度。它主要有以下特点：首先它采用了TDI工作模式，随着TDI积分级数M的增加有用信号线性相加，而噪声信号是非相干平方根增加，这样TDI-CCD的信噪比(SNR)可以提高倍；其次，由于它的积分级数是可以调节的，通过改变积分级数，就可以改变可见光CCD的曝光时间。因此，TDI-CCD可以在不同的照度下在不改变帧频的情况下正常工作，例如，在黎明、黄昏或夜间成像，要求曝光时间长，对应的增加TDI级数，在白天或者能见度较好的场合，对应的减少TDI的级数，能在分辨率不变的情况下提高可见光CCD的灵敏度和均匀性；再次是采用TDI-CCD作为焦平面探测器可以减少相机相对孔径，从而减少系统重量和体积。

l TDI-CCD工作原理
在第一次曝光时间t1时，物体的第一行处在TDI的第五级，曝光电荷为Q1；在第二次曝光时间t2时，物体向前运动一行，这时物体的第二行处在TDI的第五级，曝光电荷为Q2，与此同时上次累积的电荷Q1转移到第四级，再加上第四级曝光物体的第一行产生的曝光电荷Q1总共累积电荷2Q1；在第三次曝光时间t3时，物体继续向前运动一行，这时物体的第三行处在TDI的第五级，曝光电荷为Q3与此同时上次累积的电荷Q2转移到第四级，再加上第四级曝光物体的第二行产生的曝光电荷Q2总共累积电荷2Q2，TDI的第三级曝光物体的第一行再加上从第四级转移过来的2Q1，第三级总共累积电荷3Q1；在第四次曝光时间t4时，物体继续向前运动一行，这时物体的第四行处在TDI的第五级，产生曝光电荷Q4并且转移上次的累积电荷Q3到TDI的第四级，第四级曝光物体第三行产生曝光电荷Q3，再加上从第五级转移来的Q3，第四级累积电荷2Q3，第三级曝光物体第二行加上从第四级转移来的电荷总共产生累积电荷3Q2，第二级曝光物体第一行再加上从第三级转移来的电荷总共产生累积电荷为4Q1；在第五次曝光时间t5时，物体继续向前运动一行，这时物体的第五行处在TDI的第五级，产生曝光电荷Q5并且转移上次的累积电荷Q4到TDI的第四级，第四级曝光物体第四行产生曝光电荷Q4，再加上从第五级转移来的Q4，第四级累积电荷2Q4，第三级曝光物体第三行加上从第四级转移来的电荷2Q3总共产生累积电荷3Q3，第二级曝光物体第二行再加上从第三级转移来的电荷为3Q2总共产生累积电荷为4Q2；第一级曝光物体第一行再加上从第二级转移来的电荷4Q1总共产生累积电荷为5Q1。这是一款最大积分级数为五级的TDI，以此类推更多级数TDI的工作原理(见图1)。