CCD圖像傳感器降噪技術的研究

王雪梅*

（焦作市技師學院教務處，河南焦作，454150）

引言

目前，CCD器件由于其優點為：它被認為是可見光成像領域最有前景的探測器，低噪聲輸出；大動態范圍；高量子效率；高電荷轉移效率；寬光譜響應范圍；良好的幾何穩定性。隨著CCD制造技術的不斷發展，CCD具有高分辨率和高工作頻率的特點，因此CCD得到了廣泛的應用。

1 KTC噪聲研究

KTC噪聲的產生與CCD的輸出結構密切相關。一般來說，CCD的輸出結構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生的電壓變化之后，需要輸出 MOSFET的柵極節點被復位。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產生熱噪聲。電容C是反向偏置二極管D結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、雙積分法和相關指數法對開關進行濾波。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，以形成雙相關采樣系統。

2.2 雙斜積分法

在T1～T2期間，S2閉合，S1斷開。在堆焊層中發現KTC噪聲和復位損失。調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，積分結束。系統輸出一個有用的視頻信號電壓并在時間t4輸出。

2.3 開關索引濾波器

開關指數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

雖然這三個系統以不同的方式工作，并且在不同的電路中實現，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具有必然的聯系和相似的特征。然而，由于RC常數的不同，這三種系統都有各自的特點。當雙相關采樣的 RC值小時，可以快速提取信號電平，特別適用于高頻應用。雙積分RC常數比雙采樣RC常數大得多。只要滿足動態范圍條件，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恒中心開關指數濾波器，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,系統的最小截止頻率應大于信號輸出頻率。最后，脈沖響應是傅立葉變換。準確地說，只要噪聲抑制特性單獨實現，每個方法都能得到滿意的結果。然而，CCD輸出信號處理電路的設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，應該考慮噪聲抑制、速度、系統實現的復雜性和電路的靈活性。由于采樣電路能夠在短時間內達到新的水平，因此不需要清除先前的像素，這是高速應用的首選方法。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。從傳輸函數和頻譜曲線的角度來看，DS-I的性能優于CDS系統，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，并同時編碼輸入的特征。所需的地形圖可以通過專業軟件界面輸出，因此只有一個名為RTK的操作員，節省了時間和精力，非常實用，大大提高了工作效率。

4 結束語

相關雙采樣方法在CCD應用中有著廣泛的應用。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直接連接到轉換電路，特別是在高速下。

[1] 單金玲,張伯珩,邊川平,等.串口通訊在CCD相機系統中的應用[J].微計算機信息,2007,23(17):77-78.

[2] 鄒義平.CMOS圖像傳感器的圖像降噪技術的研究[D].北京郵電大學,2009.

[3] 徐茜,苗麗峰,王躍明,etal.In-depthAnalysisofTDI-CCDImageSenor[J].紅外技術,2008.

[4] 任航,張濤.科學級 CCD 相機的降噪技術研究[J].微計算機信息,2009(4):129-131.

[5] 佟首峰,阮錦,郝志航.CCD 圖像傳感器降噪技術的研究[J].光學精密工程,2000,8(2):140-145.