大面阵帧转移CCD smear现象研究

杨小虎

摘要：Smear现象作为帧转移型电荷耦合器件（CCD）的固有缺陷，在CCD的应用上起到了一定的阻碍作用。通过对帧转移型CCD成像过程的详细分析，了解了smear现象产生的原理及影响，从而提出一种减小甚至消除这种smear现象的方法，即下传虚拟参考行法。利用该方法对一台成像光谱仪输出信号进行校正，很好地实现了smear现象影响的消除，从而证明该方法的可行性。

关键词：Smear现象；帧转移；电荷耦合器件；虚拟参考行

中图分类号：TH391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）33-8057-02

Abstract： Smear as an inherent defect of frame transfer Charge Coupled Device， has impeded CCDs application. Based on a specific analysis of the procedure of CCD imaging， the principle and effect of smear has been understood， from which a method named download virtual reference line has been proposed to decrease or even erase smear. The output signal of an imaging spectrometer has been corrected using this method， which reached a high quality by removing the effect caused by smear， and proved the method to be available.

Key words： Smear； frame transfer； CCD； virtual reference line

1 概述

电荷耦合器件（CCD）自上世纪70年代被发明以来，已逐步在成像和数据存储领域得到广泛的应用。在天基遥感领域，CCD的出现解决了以往胶片存储的容量限制及数据回收等问题，但也存在一些不能忽视的缺点，如smear现象。Smear现象作为行间转移CCD、帧转移CCD以及去掉机械快门后的全帧转移CCD的固有现象，是在CCD电荷转移期间形成的。在遥感探测领域，Smear现象不仅影响图像的视觉效果，而且能直接导致数据探测出现偏差，因而必须减小或消除其影响[1-5]。

本文通过对大面阵帧转移CCD smear现象的研究，提出了一种减小smear现象影响的方法，并用实验证明了该方法的有效性。

2 帧转移CCD smear现象产生机理

如图1所示，假设成像区中间A区有恒定光照，由于CCD在成像区到存储区进行电荷快速转移过程中需要一定时间，此时成像区上部A1区会继续曝光，其曝光量Q1为电荷由成像区快速转移到存储区时间内对恒定光照的积分，当电荷快速转移完毕，此时在存储区可以看到A1区出现拖影即smear现象；电荷完全转移到存储区后，在时钟脉冲的控制下，开始一行行转移到水平移位寄存器进而读出，此时，成像区也会跟着时钟频率一行行转移电荷，因而，当存储区中间A区转移到下部A2区时，成像区下部A2区由中间A区转移而来时接受了恒定光照曝光，从而产生光电荷，其曝光量Q2为水平移位寄存器读出时间内对恒定光照的积分；当一帧图像恰好完全从水平移位寄存器读出时，存储区也恰好转移完一帧成像区图像，此时存储区上部A1区、中间A区、下部A2区都经历过成像区中间A区恒定光照的曝光，并产生相同的曝光量Q2；为了尽量消除电荷转移过程中的残留电荷，CCD通常会在帧与帧之间进行多次清道，当最后一次清道完成时，成像区下部A2区事实上在由中间A区转移过来时已经进行了曝光，且其曝光量为Q2，此时再重复前面的电荷生成、电荷转移及电荷读出整个过程；因而在连续采集多帧图像数据时，帧转移CCD会在成像面光照区上下都产生smear现象，且由其机理可知Q1=Q2，即上下smear大小完全相同。

帧转移CCD smear现象产生的过程中，CCD时钟控制成像区、存储区以及水平移位寄存器不断地转移，整个过程犹如在一条无限长的纸带上，出沙机以恒定频率向下出沙，而纸带则交替性地以快、慢两种速度往同一个方向运动，两种速度下均保持一定时间，这样，无论在纸带中间的那个位置，都有或多或少的沙子存在；纸带慢速度时留下的沙子多，而纸带快速度时留下的沙子少，但不是没有。这也就解释了CCD多帧采集时smear现象上下都存在的原因，而清道则是纸带多次快速度的运动，即使速度很快，时间很长，在这一段纸带上依然会留下沙子的痕迹，不可能完全没有。

3 Smear影响消除

由前述可知，smear现象产生的原因在于电荷在转移读出过程中成像区始终还在曝光。由于smear现象对CCD成像区整个电荷转移方向的所有像素的影响均相同，因而考虑在CCD读完一帧数据的前提下，继续输出若干行信号，由于前述一帧数据即为成像区的大小，后续输出的若干行信号实际上在成像区积分曝光时是完全不存在的，只有在电荷转移读出过程中，这若干行信号才依次经过成像区曝光，而该曝光时间即是电荷转移读出的时间，正好是smear现象的产生时间，因而其曝光量可以反应smear现象

的大小。将前述一帧数据对应减去这若干行信号的平均值即可减小甚至消除smear带来的影响，该若干行可称为虚拟参考行。

4 smear消除试验

试验中对一台成像光谱仪CCD进行smear现象后续处理，成像光谱仪光谱范围300nm-1000nm，CCD即为上述e2v公司生产的47-20系列帧转移型CCD，为了查看smear现象的大小，外加一片360nm±10nm处带通滤光片。图3左为积分时间80ms下正常采集的CCD输出信号，由图可见，在成像光谱仪光谱维被滤光片截止的光谱范围，依然有高于两边暗信号二十多灰度值的信号，且整个被截波段信号比较均匀。利用前述方法，下传CCD虚拟参考行3行并取平均，并给出消除该smear影响后的真实图像如图3右，可见，消除smear后被截波段与暗信号在同一水平，从而证明该信号确为360nm±10nm波段产生的smear影响。

5 总结

Smear现象作为没有机械快门装置CCD的固有缺陷，尤其在微弱信号探测的情况下，很大程度上影响了CCD的应用。但随着对CCD工作过程及smear产生机理的分析及验证，越来越多的方法可以减小甚至消除其影响，该文提出的下传虚拟参考行测量smear大小的方法简单可行，效果显著，可推广到其他CCD后续数据处理中。

参考文献：

[1] 高建伟，姚睿，孙瑾秋，等.一种帧转移型CCD传感器smear效应消除方法[J].中国体视学与图像分析，2010， 15（12）：394-398.

[2] 韩采芹，柳忠彬.科学级帧转移型CCD相机拖影问题的处理[J].科学技术与工程， 2009， 9（8）： 4336-4338.

[3] 黄宗福，王宏义，韩建涛，等.天文全帧CCD图像拖尾的快速去除方法[J].信号处理， 2010， 26（4）： 607-611.

[4] 张宇，张立国，张星祥.行间转移大面阵CCD相机的smear噪声实时去除[J].光学精密工程， 2013， 21（9）： 2388-2394.

[5] 李同海，张德联，赵新亮.行间转移型CCD相机smear现象研究[J].科学技术与工程， 2008， 8（7）： 3924-3927.