谢宝蓉，冯书谊，方彩婷，张 宁
（上海电子技术研究所，上海 201109）
摘要：为提高红外遥感系统的探测灵敏度，以320×256 CMOS红外图像传感器为图像采集芯片，创新地设计了基于数字TDI技术的图像采集、传输和显示系统。从理论上详细地分析了数字TDI 技术对于系统信噪比的影响，并给出了基于FPGA的数字TDI的逻辑设计实现。实验结果表明，基于数字TDI技术的图像系统取得了优良的信噪比特性和很好的图像质量。 关键词：数字TDI；红外成像系统；CMOS传感器；信噪比
中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2013)04-0207-04 Infrared Imaging System Design Based on Digital TDI Technology
XIE Bao-rong，FENG Shu-yi，FANG Cai-ting，ZHANG Nin
(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China)
Abstract：To improve the sensitivity of the infrared remote sensing system, an innovative design about acquisition, transmission and display imaging system is described based on 320×256 CMOS infrared sensor as imaging acquisition chip. This paper presents a detailed analysis about the influence of the digital TDI to system SNR and a logical design of digital TDI implemented based on FPGA. The experiment result demonstrates the imaging system grounded on digital TDI technology achieves an excellent SNR characteristic and a good image quality.
Key words：digital TDI，infrared imaging system，CMOS sensor，SNR
0引言
红外遥感成像技术作为当今迅速发展的高新技术之一，越来越广泛地应用于气候预测、自然灾害检测、地球环境检测、导航、农业、天文学等领域。无论是在民用领域还是天文学研究，研究高灵敏度的红外探测成像技术都有着积极的意义[1]。时间延迟积分技术（TDI）是一种有效拓展传感器积分时间从而提高探测系统灵敏度的方法，而常规的红外TDI焦平面器件本身的电荷容量较小，背景辐射较大，容易形成饱和，因而积分时间很短，所以相对于红外遥感推扫成像时较长的驻留时间来说，也不能实现长时间的积分，从而系统的灵敏度难以满足要求。因此，若要利用相对较长的驻留时间，实现高灵敏度的红外遥感成像，需要研究和电荷容量较小的红外焦平面器件相适应的工作模式来实现积分时间的拓展。
因此，本文创新性地提出了一种利用面阵传感器实现数字TDI功能从而提高红外探测系统灵敏度的方法，并建立了一套成像系统进行验证。 1数字TDI技术
1.1概述
传统的TDI功能是电荷在传感器内部进行累加的过程，通常采取CCD模拟电路实现，因此称之为模拟TDI技术。如图1所示，模拟TDI传感器进行时间延迟积分时，串行扫过同一景物形成的电荷是在传感器内部进行累加，然后经由读出电路读出后，在后端信息处理电路中进行差分放大和数字量化。
而对于数字TDI系统，如图2所示，传感器输出的信号先进行数字化，光电电荷不是以电荷形式
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的直接相加，而是经过差分放大、数字量化后变为电压后以数字化的形式进行累加。
图1 模拟TDI工作原理
Fig.1 Analog TDI working principle
图2 数字TDI工作原理
Fig.2 Digital TDI working principle
模拟TDI和数字TDI都是通过多个串扫过同一
景物的像元进行积分或累加的工作方式提高系统灵
敏度，但模拟TDI技术实现的传感器内部电荷的累
加，数字TDI实现的是电压量化后的累加，这是两
者根本的不同。通过上述分析可知，数字TDI技术
华夏心理网由于电压累加是在传感器外部进行，而不是在传感
器内部进行电荷累加，因此相对于模拟TDI技术来
说，受限于红外焦平面电荷容量小的影响较小，可
以根据需要调整像元的累加次数，这相对于模拟
TDI技术提高了应用的灵活性。
1.2 数字TDI技术对系统信噪比的影响分析
粘液腺癌
感器内部噪声、信息获取电路噪声。其中背景光子
噪声和信息获取电路噪声统称为传感器外部噪声。
噪声大多是随机变量随时间变化的过程，瞬时值不
能确定，不能用解析函数描述，只能用概率和统计
的方法进行描述，如方差、均方根、噪声谱密度等。
假设背景光子噪声、传感器内部噪声、信息获取电
路的噪声是相互独立的随机过程，都具有不相关
性，那么总的均方噪声为各个噪声源的均方噪声之母系氏族
和[2-3]。
对于数字TDI系统，假设背景光子噪声为
N ph_d，每一级TDI像元引入的传感器内部噪声为
N dec_d，信息获取电路噪声为N prc_d，在实现数字TDI
功能时，背景光子噪声、传感器内部噪声和信息获
取电路噪声分别进行M次的累加。
那么M阶数字TDI系统噪声电压值为：妈妈的奖励
total_d
N= (1)
M阶数字TDI系统信噪比为：
M_d
SNR=(2)
式中：
0_d
S为各像元电压和的平均值。
1_d
S
SNR=(3)
由上述各式得出，在M阶的数字TDI系统中，
系统的信噪比与M1/2成正比。通过前述数字TDI系
统与模拟TDI系统的工作原理可知，数字TDI系统
相对于传统的模拟TDI技术引入了M次的信息获取
电路噪声即电路中的放大电路噪声和A/D量化噪声
的累加，因此在设计时应当尽量使放大电路噪声和
A/D量化噪声相对传感器内部噪声足够小[4]。
2数字TDI验证系统
2.1 320×256图像传感器
320×256 CMOS红外图像传感器为320行，
256列的面阵传感器，采用制冷工作方式，单个像
元大小为30μm×30μm。传感器可选择4通道并
行输出，像素输出率时钟最高为6.6MHz，动态范
围可达80dB以上。
2.2图像采集系统
如图3所示，目标图像经过光学系统汇聚成像
在传感器的焦平面上。驱动电路模块产生图像模拟
信号，模拟信号在驱动电路模块进行滤波、差分放
大后输出到控制模块中，由A/D采样量化并由非线性薛定谔方程
FPGA读出后变为串行LVDS数据送给处理模块。
处理模块接收到图像数据，对接收到的图像数据串
并转换，并经由PCI采集卡定时将图像发送到PC
机中进行存储、处理和显示图像。
2.3数字TDI功能逻辑实现
设计中FPGA芯片采用的是ALTERA公司的
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2013年4月 谢宝蓉等：基于数字TDI 技术的红外成像系统设计 Apr. 2013
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Cyclone3 EP3C25Q240CBNES ，此芯片是2007年新上市的芯片，约有24 624个逻辑单元，内含594 kb ，66个Multipliers ，4个PLL ，有148个I/O 引脚，较适合于图像处理。
图3 图像采集系统示意图 Fig.3 Imaging acquisition system
FPGA 的逻辑设计使用VHDL 硬件描述语言自
顶而下的思想进行设计。FPGA 内部数字TDI 算法实现流程图如图4所示。程序中，若传感器数字TDI 阶数为M ，则读出M 列像元，在程序中定义3个缓冲用于实现数字TDI 累加，即Now_buf 、Res_buf 和Out_buf 。其中，Now_buf 用于存储当前读取的帧数据，Res_buf 用于存储对应像元的中间累加结果，Out_buf 为最终的数字TDI 累加结果。实现过程如下：当一帧（M 列，320行）数据到来时，读取当前帧数据并存入Now_buf 中，读出Res_buf 缓冲中的数据，并将当前帧的数据与Res_buf 缓冲中的对应相同空间位置数据进行累加，如果为第一列数据，则存入Out_buf 中，否则存回到Res_buf 中，当完成M 次数字累加后，读取累加后的第一列图像数据除以M 进行归一化后发送给PCI 采集卡。由于刚开始的M －1帧图像数据没有进行M 次的累加，视为无效帧予以丢弃。
3 测试结果
3.1 成像系统信噪比测试
由于此传感器属于长波红外波段，因此探测系统的信噪比用NETD 来表示。NETD 的定义如下：温度为T t 的均匀方形黑体目标处在温度为T B （T t ＞T B ）的均匀黑体背景中构成测试图案，其中黑体目标的尺寸要求超过系统瞬时视场的若干倍，热像仪对这个测试图案进行观测，当系统输出的信号电压峰值和噪声电压的均方根值之比为1时，黑体目标和黑体背景的温差称为噪声等效温差（NETD ）。实际测量时使用黑体辐射目标，系统对温度分别为T 1和T 2的黑体表面分别进行测量，T 2大于T 1，测
得各光敏元对应∆T 的平均输出差值∆S ：∆S ＝S (T 2)－S (T 1)，以及T 1温度时的RMS 噪声N RMS1和T 2温度时的RMS 噪声N RMS2，N RMS 为N RMS1值或N RMS2值。∆T 通常超过NETD 数十倍，以增加NETD 测量的准确性[5]。然后按照下式进行计算：
RMS NETD N
T S
=∆∆
(4)
图4 FPGA 内部数字TDI 算法流程图
Fig.4 Digital TDI algorithm flow chart based on FPGA
图5和图6所测得的是在300 K 黑体辐射下，传感器积分时间为160 μs 时的1阶、4阶TDI 的各像元噪声等效温差情况。实验中用300 K 和320 K 黑体进行测量，图中横轴代表的是传感器1～320列各像元，纵轴为各像元的NETD 。其中图5和图6中像元平均NETD 为34 mK 和18 mK 。 3.2 实验和成像试验结果
为了验证数字TDI 的探测弱信号的能力，采用焦距为75 mm 口径的光学镜头对温差对比度较弱的室内景物进行成像。实验以1阶数字TDI 和4阶数字TDI 成像效果为例进行成像效果的对比。图7和图8为数字TDI 为1阶、4阶，传感器积分时间为160 μs 时对室内门窗成像效果图。从成像效果来看，1阶图像曝光量不足，图像较模糊；4阶TDI 图像比1阶TDI 成像质量明显改善，图像清晰，对于弱信号的分辨能力更高，这是由于4阶TDI 情况下，相当于对景物的积分时间等效延长了4倍。因此可以看出，数字TDI 能够有效提高系统探测灵敏度。
2013年4月 Infrared Technology Apr. 2013
翁同龢日记
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图5 1阶数字TDI像元NETD 图6 4阶数字TDI像元NETD
Fig.5 NETD of 1-stage digital TDI Fig.6 NETD of 4-stage digital TDI
图7 1阶数字TDI成像图图8 4阶数字TDI成像图
Fig.7 Imaging figure of 1-stage digital TDI Fig.8 Imaging figure of 4-stage digital TDI
4结论
本系统基于CMOS红外图像传感器设计了一个图像采集和处理系统，此系统利用面阵传感器实现数字TDI功能从而提高红外成像系统信噪比。文章从理论上分析了数字TDI技术对于系统信噪比的影响。经实验验证，此红外图像系统在4阶数字TDI
作用时取得了像元平均NETD为18mK的优良信噪比特性和很好的图像质量。
参考文献：
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with low noise characteristic based on CMOS TDI detector[C]// Proceedings of IEEE ICSP2010, 2010, 10: 413-416.
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[3] Sizov, F F, Golenkov, A G, Zabudsky, V.V, et a1. Noise measurements
of HgCdTe LWIR arrays with CCD readouts[C]//Proc. of SPIE on Materials for Infrared Detectors Ⅱ, 2002, 4795: 136-146.
[4] Kalwant Singh. Noise analysis of a fully integrated CMOS image
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[5] 张滢清, 王建宇, 傅雨田. 细分采样叠加技术在推扫式长波红外成
像中的应用[J]. 量子电子学报, 2006, 23(2): 263-267.
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