高信噪比星載CCD成像電路系統

鄭亮亮，金　光，曲宏松，吳　勇

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049)

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高信噪比星載CCD成像電路系統

鄭亮亮1,2,*，金光1，曲宏松1，吳勇1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049)

為獲得高信噪比的航天遙感圖像，針對CCD成像系統鏈路分析了影響圖像信噪比的主要因素。結合CCD成像系統的響應模型，明確了系統信噪比的表達式，并擺脫了具體CCD型號的束縛，提出了一種"總-分-總"的高信噪比成像電路系統通用設計方法。描述了系統從頂層總體設計、底層各電路模塊設計以及全系統聯試的完整研制方法。將該方法應用于吉林一號衛星高分辨率多光譜CCD成像電路系統的設計中，并對成像系統進行了輻射定標試驗，獲得了高信噪比的圖像數據。結果顯示：在灰度為80%飽和輸出時，獲得的全色圖像信噪比達到了53.9 dB，多光譜圖像的最高信噪比達到了56.3 dB，且圖像數據經融合后色彩真實、絢麗。本文的CCD成像電路系統設計方法能夠為其他航天遙感載荷的電路系統設計提供參考。

電荷耦合器件(CCD)；星載CCD相機；CCD成像電路；信噪比；吉林一號衛星

*Correspondingauthor,E-mail:adqe@163.com

1　引　言

電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是20世紀70年代初發展起來的一種光電成像器件，其能將光信號成比例地轉換為電信號，具有高靈敏度、大動態范圍和低噪聲等諸多優點，目前已被廣泛應用于空間遙感等領域。星載CCD相機在軌能夠獲得寬幅、高分辨率的對地觀測圖像數據，在國家安全防御、目標搜索與偵察、資源普查、突發事件監測等方面均有極大作用，而高信噪比的圖像數據一直是航天遙感相機所追求的目標，其包含更多的目標細節信息，有利于地面應用人員做出正確的判讀與識別，因此研制出高信噪比的星載CCD成像電路系統具有重要的應用價值。

目前國內外關于CCD成像電路系統設計的研究已有不少報道[1-7]，但均是針對某具體型號CCD傳感器而設計的成像系統，其中電路設計介紹較詳細的當屬文獻[4-5]。文獻[4]論述了針對1 024 pixel×1 024 pixel電子倍增(EM)CCD圖像傳感器(CCD201)的數字化相機設計方法，利用復雜可編程邏輯器件(CPLD)產生CCD邏輯時序及視頻同步處理控制時序，使用帶有相關雙采樣功能的16位模數轉換器對CCD視頻信號進行數字化，并介紹了時序控制、驅動電路和視頻處理電路等關鍵組成部分的技術實現方法。文獻[5]利用50M像元的全幀型CCD芯片KAF50100設計了超高分辨率CCD成像系統，CCD輸出的圖像信號在專用模擬前端芯片AD9845B中進行處理和模數(A/D)轉換，再由現場可編程門陣列(FPGA)緩存與排序，最后通過低壓差分信號(LVDS)接口輸出圖像數據。這些文獻均只是針對某具體型號CCD傳感器而開展的電路設計，缺乏通用性和靈活性，尚未有高信噪比CCD成像電路系統的通用設計方法。

不同于以往成像電路的設計，本文擺脫了具體CCD型號的束縛，通過分析成像鏈路對信噪比的影響，提出了高信噪比CCD成像電路的通用設計方法與流程，并將該方法應用于吉林一號衛星的高分辨率CCD成像系統中，獲得了高信噪比的圖像數據。

2　成像電路系統對信噪比的影響

星載CCD成像系統通常使用具有時間延遲積分功能的CCD傳感器，即TDI(Time Delay Integration)CCD，其通過對同一目標多次曝光，增大對目標光能量的收集。TDI CCD成像電路系統的組成通常如圖1所示，地物目標的光信號通過相機的光學系統入射到由TDI CCD傳感器組成的焦平面上，CCD傳感器對目標的光信號進行積分曝光，完成光電轉換，并輸出相應比例的模擬視頻信號。經過預放單元的阻抗匹配與信號放大后輸入到視頻處理電路。

視頻處理電路通常集成了相關雙采樣(Correlated Double Sample，CDS)、可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)和模數轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，因此該電路模塊的主要功能是完成CCD有效視頻信號的提取、放大與數字量化處理，是影響圖像信噪比的關鍵環節之一，量化后的圖像數據發送至數字處理電路進行緩存。

數字處理電路是成像電路系統的控制核心，其負責輸出滿足CCD工作需求的各路原始驅動信號，控制偏置電源的上、下電順序與視頻處理電路的工作時序，利用通信總線接收控制指令，返回遙測參數，并將圖像數據按照約定的圖像傳輸格式經由接口電路輸出到數傳系統。

驅動放大電路將原始的CCD驅動信號進行功率放大，輸出滿足CCD工作需求的各路驅動信號，偏置電源電路主要是提供CCD工作所需的各種穩定電源，這兩部分電路也是影響圖像信噪比的關鍵部分。

圖1　TDI CCD成像電路系統示意圖Fig.1　Sketch map of TDI CCD imaging circuit system

由圖1所示的成像電路系統，分析影響圖像信噪比的主要環節。由于CCD輸出信號為模擬信號，當模擬信號完成數字量化后，轉變為數字信號的處理流程，而數字信號的抗干擾能力較強，對圖像信噪比的影響基本可忽略，因此影響圖像信噪比的主要環節是模擬電路部分，主要包括：偏置電源電路、驅動放大電路、預放單元和視頻處理電路。

假設偏置電源和驅動放大電路對CCD傳感器輸出模擬視頻信號的噪聲影響分別為np和nd，則成像電路系統主要的工作噪聲電壓可表示為：

n=gad×(gop×(np+nd)+nop)+nad，

(1)

式中：nop和nad分別表示預放單元與視頻處理電路的工作噪聲，gad和gop分別表示視頻處理電路與預放單元的放大倍數。

式(1)只是單個像素的成像電路噪聲表達式，若針對一幅圖像陣列，則會有h×k個式(1)形式的表達式，成像電路系統的噪聲可利用RMS形式表示為：

(2)

除了成像電路的工作噪聲外，CCD傳感器自身還有散粒和暗電流等工作噪聲，因此成像系統的總噪聲為：

(3)

式中：ns表示散粒噪聲，其主要與入射光子數有關，nd表示暗電流噪聲，其主要與CCD傳感器的工作溫度有關。

CCD成像電路系統輸出的視頻電壓信號計算公式為[8]：

VS=gadgopE(λ)MTintR(λ),

(4)

式中：E(λ)為CCD成像系統焦平面處的輻射照度，單位為W/m2，M表示TDI CCD傳感器的積分級數，取值范圍由其自身結構決定，積分級數為M，即表示有M行像元對目標進行曝光累加，Tint表示TDI CCD工作時的積分時間，即表示每行像元對目標的曝光時間，R(λ)為CCD的光譜響應函數，其表征CCD傳感器的光電轉化能力，是傳感器的關鍵參數，單位為V/μJ/cm2。

因此CCD成像系統的信噪比計算公式可表示為：

(5)

由式(5)可知，在光照與CCD工作溫度確定的條件下，為使成像系統獲得高信噪比的圖像，應在保證系統輸出信號的同時，盡量降低成像電路系統的工作噪聲。即從抑制系統工作噪聲的角度考慮，進一步提高圖像的信噪比。

3　高信噪比成像電路系統的設計方法

分析公式(1)可知，驅動放大電路與偏置電源的噪聲對成像電路的影響最敏感，其次是預放模塊和視頻處理電路，因此為獲得高信噪比的圖像數據，CCD成像電路系統的設計應圍繞上述4個關鍵環節開展，本文提出了“總-分-總”的成像電路系統通用設計方法，即總體設計-分布設計-總體聯試。

3.1成像電路系統總體設計

根據總體任務要求進行成像電路系統頂層設計，規劃出系統的設計框架與組成，制定總體設計原則，即從設計源頭就要考慮成像系統的噪聲抑制，包括：CCD的片間串擾抑制、關鍵高速模擬信號與偏置電源的信號完整性等問題，同時需明確各電路模塊的設計需求。

為抑制CCD的片間串擾噪聲，需要設計系統電源與地平面的拓撲結構，將每片CCD的供電電源及相應地平面進行隔離處理。若成像系統的焦平面由m片CCD傳感器拼接組成，CCD成像電路系統的電源與地平面的拓撲結構設計如圖2所示。

(a)二次電源及地平面統一(a)Unity of secondary power source and ground plane

(b)二次電源及地平面隔離(b)Separation of secondary power source and ground plane圖2　多片CCD成像系統電源與地平面拓撲設計Fig.2　Topology structure of power and ground plane for multi-CCD imaging system

每片CCD傳感器均有其獨立的偏置電源電路，為相應的CCD、驅動電路、預放電路與視頻處理電路供電，從而實現CCD片間成像電路系統的相互隔離，進一步抑制串擾噪聲。圖2(a)中，所有CCD成像電路使用統一的二次電源和地平面，而2(b)中，成像電路使用了各自獨立的二次電源與地平面，其CCD片間的隔離效果更好，串擾噪聲也最小，但對于星上資源的要求也更高，需要更多的連線，二次電源模塊數量成倍增多，系統的體積和重量將進一步加大。因此，在進行成像電路系統總體設計時，需要根據不同系統的具體要求確定設計方案。

3.2分布設計

在完成系統的總體設計后，即可依照總體設計原則，對系統的各電路模塊逐一進行詳細設計。成像電路系統的組成框圖如圖1所示，具體包括：偏置電源、驅動放大電路、預放單元、視頻處理電路和數字處理電路等。

a)偏置電源

偏置電源是將星上所提供的二次電源轉換為CCD傳感器及驅動放大電路工作所需的各種三次電源，為獲得多種低噪聲、高穩定的偏置電源，而且各種電源的加斷電順序還有要求，因此采用使用控制端的線性穩壓模塊進行設計，其具有噪聲低、電源抑制比高和靜態功耗低等優點。

CCD參考手冊明確了偏置電源的種類并計算各電源模塊的功耗，在滿足航天設備一級降額要求下，確定偏置電源的拓撲結構與具體的設計方案，再開展原理圖及PCB的具體設計與實現。

偏置電源在PCB布線設計時應采用大面積鋪銅方式，優化電源完整性，抑制地彈等噪聲。

b) 驅動放大電路

CCD傳感器的驅動信號具有大容性負載、寬電壓擺幅等特點，某些驅動信號還有特殊的負電位要求，為獲得滿足驅動要求的各路時序信號，可采用驅動芯片與分立元件電路相結合的設計方法。

根據CCD參考手冊，明確驅動信號的具體需求，包括：驅動信號的總數量、工作頻率、高低電位要求及容性負載大小等。結合上述具體需求選擇適合的集成驅動芯片，設計實現功率驅動信號的拓撲網絡，同時計算每片驅動芯片的功耗，在滿足航天設備一級降額要求的條件下，優化驅動信號的拓撲網絡，再開展原理圖及PCB的具體設計。

為獲得高信號完整性的驅動信號，采用串聯源端接電阻的方法，減少信號反射，抑制信號的過沖現象[9]。在PCB設計時要保證驅動信號的阻抗連續，并且信號的回流路徑要盡量短。

c)預放單元

由于CCD視頻信號輸出端的阻抗通常較大，一般在百歐姆量級，因此為便于后續電路的處理，利用預放單元對CCD輸出的模擬視頻信號進行射隨與阻抗匹配。可以采用高壓擺率、低失調電壓的運算放大器進行設計與實現。

CCD模擬視頻信號的幅值通常較小，易受干擾，為保證模擬視頻信號的信號完整性，應控制該信號的走線長度，并要阻抗匹配，同時用地線將其與其他信號隔離開，以降低模擬視頻信號的串擾噪聲。

d)視頻處理電路

視頻處理電路的主要功能包括：相關雙采樣、增益與偏置控制和模數轉換，可采用集上述功能于一體的專用芯片進行設計實現，目前有很多芯片可供選擇。

根據成像系統的工作頻率，選擇具有適合帶寬的視頻處理器，由于CCD輸出通道可能較多，為此要選擇低功耗的器件，并且為抑制信號間的串擾，應對多通道視頻處理電路進行隔離處理，每個處理芯片使用獨立的供電模塊，減少芯片間的相互耦合。

由于視頻處理芯片集成了數字電路和模擬電路，為抑制片內兩種電路間的干擾，將其供電電源與地平面分別隔離開來，數字地和模擬地使用磁珠或0歐姆電阻進行連接。[10]

數字處理電路要輸出滿足CCD工作要求的各路驅動信號，控制偏置電源電路的上下電順序與視頻處理電路的工作時序，并對圖像數據進行整合與編排。可采用FPGA或CPLD等器件進行設計與實現。結合CCD傳感器的驅動信號、視頻處理電路的時序信號以及系統的工作頻率等要求，估算所需的資源情況，選擇適合的邏輯器件。同時考慮到空間環境可能影響成像電路系統的工作性能，因此對于CCD、FPGA等重要關注件需要選擇高等級器件，并采取高可靠的設計措施，從而保證成像系統在壽命末期仍可高效能工作。

3.3總體聯試

在完成上述設計步驟以后，經PCB生產與電裝，即進入了各電路模塊的調試階段，根據各模塊的具體功能要求進行詳細的測試與試驗。對于驅動放大電路，此時要結合實際驅動波形，選擇合適的串行端接電阻，從而保證關鍵驅動信號的傳輸質量。當各電路模塊功能均測試正常后，可進行系統聯試，測試接口的匹配性，優化程序設計，實現系統的功能要求。

4　高信噪比成像電路系統設計方法的應用

將高信噪比成像電路系統設計方法應用于吉林一號衛星的高分辨率CCD成像系統的具體設計中。驗證該方法的實用性與靈活性。

該相機系統使用了4片集成全色及3個多光譜譜段的TDI CCD傳感器，在656 km軌道高度上可以獲得的全色分辨率優于0.72 m，多光譜分辨率優于2.88 m的高分辨率圖像數據。

4.1吉林一號成像電路系統總體設計

根據任務要求成像電路系統要實現對四片TDI CCD進行驅動與信號處理，每片CCD成像電路的設計框架與組成如圖1所示，結合相機系統的軌道高度、分辨率及光學系統參數，可確定成像系統在軌工作的默認參數：積分時間為0.1 ms，像素讀出時鐘為7.5 MHz。由于CCD傳感器集成了全色和3個多光譜譜段，因此在電路設計時不僅要注意多片CCD的片間串擾，還要注意片內多譜段同時工作時相互間的串擾。

結合成像系統在體積和重量方面的設計要求，同時為獲得高信噪比圖像，進一步抑制CCD的片間串擾噪聲，吉林一號CCD成像電路系統的電源與地平面的拓撲結構設計如圖3所示。

圖3　吉林一號CCD成像電路系統電源與地平面拓撲Fig.3　Topology structure of power and ground plane for Jilin-1 multi-CCD imaging system

4.2吉林一號成像電路系統分布設計

可用于空間環境的某型號多光譜TDI CCD傳感器由一個全色感光區和紅、綠、藍(R、G、B)三個多光譜感光區組成，其中全色感光區每行4 096 pixel，每個多光譜感光區每行1 024 pixel，因此其具備輸出全色圖像和彩色圖像的功能，其組成如圖4所示。全色感光區有8個圖像輸出端口，多光譜感光區每個譜段對應1個輸出端口。[11]

圖4　某型號多光譜TDI CCD傳感器組成框圖Fig.4　Block diagram of a multispectral TDI CCD sensor

由于每個譜段都需要相應的偏置電源與驅動時序信號，所以該傳感器工作要求的電源與驅動時序信號的種類較多，相互的時序關系也較復雜，其各譜段要求的驅動時序關系如圖5所示，各驅動信號的具體壓擺要求與容性負載如表1所示。該器件共需46路驅動信號和6種偏置電源，電源的具體要求如表2所示。

圖5　某型號TDI CCD傳感器工作時序圖Fig.5　Timing sequence of a TDI CCD sensor

表1　某型號TDI CCD驅動信號電壓要求

表2　某型號TDI CCD傳感器偏置電源要求

a)偏置電源

星載相機的電源系統已為CCD成像系統提供了5種二次電源，具體包括：+18 V，±15 V和±5 V，因此只需利用線性穩壓模塊將輸入的二次電源變換為滿足成像電路工作要求的各種正、負三次電源即可。

選擇具有低壓差特性的線性穩壓模塊LM2941與LM2991進行設計，前者最高輸入電壓為26 V，用于產生各種正偏置電壓，后者最低輸入電壓為-26 V，用于產生各種負偏置電壓。兩種電源芯片需要簡單的阻容網絡即可輸出滿足要求的各種偏置電源。LM2941的電路設計如圖6所示。

圖6　LM2941典型電路設計Fig.6　Typical circuit design of LM2941

通過調整圖6中電阻R2的阻值以產生不同的正偏置電源，R2選取的具體計算公式如下：

(6)

式中，R1=1 kΩ，VREF=1.275 V，VO表示期望的輸出電壓，單位為V。

負電源模塊LM2991的電路設計與圖6類似，此處不再贅述。

b)驅動放大電路

針對所選擇的CCD傳感器，共需要46路驅動時序信號，其中有23路7.5 MHz的高頻信號，其余為10 kHz的低頻信號，各路信號的電壓要求及容性負載如表1所示，因此選擇集成度高、輸出電壓范圍大、驅動能力強的通用驅動器EL7457作為本系統的功率驅動器，其單片集成了4路驅動電路，2A的峰值驅動能力，最高的工作頻率達到了40 MHz，其典型的電路設計如圖7所示。

圖7　EL7457驅動器典型電路設計Fig.7　Typical circuit design of EL7457 driver

EL7457能夠對驅動輸出端進行使能控制，VS+與VS-引腳分別為器件的正、負供電端，VH和VL引腳分別為輸出信號的正、負電壓，4個電源引腳均利用4.7 μF和0.1 μF組合電容進行濾波。根據每路驅動信號的容性負載、壓擺與工作頻率，可計算出每片驅動器的具體功耗，公式如下：

(7)

式中：CLi為每路驅動信號所帶負載，單位為F，VH為驅動信號的高電壓，VL為驅動信號的低電壓，單位為V，f為驅動信號的工作頻率，單位為Hz。

驅動時序的拓撲網絡在滿足CCD工作要求的同時，每片驅動器的功耗也要滿足相應的降額要求。同時在每路驅動信號的輸出端處串聯端接電阻，以吸收信號的反射等噪聲，獲得高信號完整性的功率驅動信號。

c)預放單元

利用集成運算放大器實現對11路模擬視頻信號的射隨與阻抗匹配，選擇高集成度、高壓擺率的LMH6722運算放大器進行預放單元的設計，其單片集成了4路運放電路，壓擺率達到了1 800 V/μs，失調電壓僅為0.2 mV，每路輸出端的阻抗為0.06 Ω，其應用電路如圖8所示。

圖8　LMH6722運放應用電路設計Fig.8　Application circuit design of LMH6722 operational amplifier

采用正負雙電源的供電方式，并用組合電容進行濾波，以獲得高穩定、低噪聲的供電電源，輸出信號和輸入信號的比例由電阻R1、R2的比值來決定，電阻R3用于匹配輸出模擬視頻信號的阻抗。

d) 視頻處理電路

為實現對3路多光譜和8路全色模擬視頻信號的采樣、放大與量化處理，選擇了一款具有12位量化精度的視頻處理器TDA9965，其集成了可調整帶寬的采樣保持電路，最高采樣率達40 MHz，可編程增益放大0～36 dB，并具有靜默低功耗模式，可通過三線串口靈活設置芯片的工作參數。

該處理器輸出端的均方根量化噪聲為0.85DN(Digital Number)，因此其動態范圍達到了73.66 dB。由于視頻處理電路是成像系統的模數轉換中心，為獲得高信噪比的圖像數據，每個視頻處理器的模擬電源使用獨立的供電模塊，數字信號利用數字地進行屏蔽，其走線不應穿越模擬布線區域，數字地與模擬地利用磁珠在芯片附近就近連接。

同時為實現CCD各抽頭的增益設置，解決抽頭間可能出現的響應不一致等問題，每個視頻處理器使用各自的通信端口與數據總線。

11路視頻處理器輸出的量化數字信號共有132路，均輸入至數字處理電路，另外，數字處理電路還負責輸出CCD的原始驅動信號與視頻處理器的時序控制信號，因此大約需要350個IO引腳。綜上，數字處理電路選擇Xilinx公司VIRTEX2系列的FPGA，具體型號為XC2V3000-728，其只需要1.5 V和3.3 V兩種供電電源，并具有最大420 MHz的工作頻率，516個用戶IO引腳，12路DCM及1 728 kbits的塊RAM，以及非常豐富的寄存器資源，完全可以滿足整個系統控制與數據緩存的需求。

如圖1所示，FPGA在接收到多路圖像數據后，需要按照約定的圖像傳輸格式對數據進行整合。利用FPGA內部的雙端口RAM建立兩個大小為190 kbits的圖像數據緩沖區，采用乒乓操作，將每個像素量化后的圖像數據存入一個緩沖區中，再從另一個緩沖區中讀取圖像數據并組幀輸出，下一行數據有效時，切換兩個緩沖區的讀寫操作，從而實現連續高速的圖像數據緩存與發送。

4.3吉林一號成像電路系統總體聯試

在總體聯試階段，主要對各電路模塊進行測試與聯試，使各模塊間接口匹配，從而使整個成像系統能夠正常工作。

對于驅動放大電路，需要根據實測的驅動波形，調整串行端接電阻，針對低頻行轉移CI信號，由于其容性負載較大，端接電阻為5.1 Ω，其余多數驅動信號的端接電阻在10～22 Ω之間，從而保證信號的完整性。

當各電路模塊功能均正常后，即可進行系統聯試，本系統利用特性阻抗為50 Ω的同軸電纜傳輸從預放單元至視頻處理電路的模擬視頻信號，該線纜的長度應盡量短。調試并優化FPGA程序，實現整個系統良好運轉，即完成了成像電路系統的研制工作。

5　試驗測試數據

為測試吉林一號衛星CCD成像電路系統的信噪比，在試驗室針對該系統進行了輻射定標試驗，如圖9所示。采用積分球作為光源，其輸出的光線能夠均勻照射到系統焦平面的CCD上，然后利用圖像采集系統接收并顯示所拍攝的圖像數據，電源系統為成像電路系統提供各種二次電源，通信控制系統負責成像電路系統參數的設置與CCD的上、下電控制。

圖9　吉林一號成像電路系統輻射定標試驗示意圖Fig.9　Sketch map of radiometric calibration of Jilin-1 imaging circuit system

成像系統以在軌默認參數拍照，改變均勻光在焦面處的輻射照度，分別采集全色及3個多光譜譜段在20%、50%與80%飽和輸出時的圖像數據，如圖10所示。

(a)全色圖像(a)Panchromatic image

(b)藍色譜段圖像(b)Blue spectral image

(c) 綠色譜段圖像(c) Green spectral image

(d)紅色譜段圖像(d) Red spectral image圖10　吉林一號成像電路系統輻射定標圖像Fig.10　Images of radiometric calibration of Jilin-1 imaging circuit system

利用局部標準差法[12]分析上述所采集圖像的信噪比，將圖像分割成多個具有一定大小的均勻區域，分別計算各區域內的局部標準差，作為局部噪聲大小，并選擇眾數最多區間的局部標準差作為整個圖像的平均噪聲值。具體計算公式如下:

(8)

式中：pi是圖像子塊中第i個像素的灰度值，m是圖像子塊中所有像素的總數。

各譜段不同灰度圖像的信噪比如表3所示。隨著圖像灰度值的增加，信噪比也隨之增大，這主要因為有效視頻信號的增大幅度要大于此時噪聲的增大幅度。3個多光譜譜段的圖像信噪比基本一致，并比全色譜段高約2 dB，主要是由于相對于全色譜段，多光譜譜段輸出的抽頭數少，驅動頻率低，所以圖像的噪聲就略低，因此多光譜圖像的信噪比略高。

表3　吉林一號成像電路系統信噪比數據

由表3可知，圖像灰度在80%飽和輸出時，全色圖像的信噪比可達53.9 dB，多光譜圖像中信噪比最高可達56.3 dB。因此，該成像電路系統設計方法對CCD的片間串擾、片內串擾及相關干擾噪聲進行了有效抑制，獲得了高信噪比的圖像數據。

圖11為吉林一號衛星在軌運行時拍攝的一幅經多光譜數據融合的高分辨圖像，其色彩真實、絢麗，實現了預期的設計目標。

圖11　吉林一號衛星在軌拍攝圖像Fig.11　Image of Jilin-1 satellite acquired in orbit

6　結　論

為獲得高信噪比的航天遙感圖像，本文根據CCD成像系統鏈路分析了影響圖像信噪比的主要因素，結合CCD成像系統的響應模型，明確了系統信噪比的表達式，并擺脫了具體CCD型號的束縛，提出了一種“總-分-總”的高信噪比成像電路系統的通用設計方法，詳細描述了系統從總體設計、底層各電路模塊設計再到全系統聯試的完整研制方法，并將其應用于吉林一號衛星高分辨率CCD相機的成像系統中，詳細描述了利用該方法設計的具體實施方案，并對成像系統進行了輻射定標試驗，獲得了高信噪比的圖像數據，在灰度為80%飽和輸出時，全色圖像信噪比達到了53.9 dB，多光譜圖像中最高信噪比達到了56.3 dB，從而驗證了該方法的實用性、靈活性與有效性。

吉林一號衛星的高分辨率相機載荷在軌獲得了高質量的圖像數據，經多光譜數據融合后的圖像色彩真實、絢麗，達到了預期的設計目標。該設計方法同時可以為其他航天遙感載荷的電路設計提供有力參考，也對其他類型載荷的研制有借鑒意義。

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鄭亮亮(1982-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，副研究員，2007年于南京航空航天大學獲得碩士學位，主要從事光學遙感器成像技術方面的研究。E-mail: adqe@163.com

導師簡介:

金光(1958-)，男，吉林長春人，研究員，博士生導師，1982年于長春光學精密機械學院獲得學士學位，1991年、2001年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所分別獲得碩士、博士學位，主要從事星載光學儀器、小衛星總體技術方面的研究工作。E-mail: jing@ciomp.ac.cn

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Space-borne CCD imaging circuit system with high signal-to-noise ratio

ZHENG Liang-liang1,2,*, JIN Guang1, QU Hong-song1, WU Yong1

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

To capture the space-borne remote sensing image with a high Signal-to-noise Ratio(SNR), this paper analyses the main factors effect on the SNR of images according to the chain of the CCD imaging system. The expression of SNR in the system was indicated in terms of the response model of CCD imaging system. By avoiding the independency of specific CCD model, a design method of “overall-division-overall” was proposed to implement the CCD imaging circuit with higher SNRs. A completion development method including a top-level design, a module-level design and a total-system test was described. The method was applied in design of the high-resolution CCD imaging circuit system of the Jilin-1 satellite. The radiation calibration experiments for the imaging system was performed and the idea image dada with higher SNRs were obtained. The experimental results indicate that the SNR of panchromatic image is 53.9 dB and that of multispectral image is 56.3 dB when their gray outputs are in the saturation of 80% . Moreover, the fused image shows a real color and magnificent. The proposed method provides

for design of other space-borne CCD imaging circuit systems in remote sensing fields.

Changed Coupled Device( CCD), space-borne CCD camera; CCD imaging circuit; signal-to-noise ratio; Jilin-1 satellite

2016-03-07；

2016-05-10.

國家863高技術研究發展計劃資助項目(No.2012AA121502)

1004-924X(2016)08-2027-10

TN386.5

A

10.3788/OPE.20162408.2027