### 双采样技术及其原理分析
#### 一、引言
随着信息技术的发展，图像传感器在各个领域得到了广泛的应用，而电荷耦合器件（CCD）作为图像传感器的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到图像质量。在CCD输出信号中，存在着多种噪声成分，其中最显著的是复位噪声。为了提高视频信号的信噪比，本文介绍了一种采用相关双采样技术来滤除矩阵CCD输出信号复位噪声的方法。
#### 二、CCD简介
CCD是一种以电荷包的形式存储和传递信息的半导体表面器件，由光敏元、光栅、移位寄存器和输出电路组成。它具有分辨率高、响应速度快、自扫描等特点，在几何尺寸测量、位置测量、光学测量等方面得到了广泛应用。
#### 三、CCD输出信号中的噪声成分
在CCD的输出信号中，包含着多种噪声成分，主要包括：
1. **复位噪声**：在输出电路复位过程中产生的热噪声。
2. **随机噪声**：由于光子到达的随机性导致的噪声。
3. **散粒噪声**：与光子或电子的数量有关的统计性噪声。
4. **固定图形噪声**：与像素特定特性相关的噪声。
其中，复位噪声是最主要的噪声来源之一，它直接影响了视频信号的质量。
#### 四、复位噪声抑制方法——相关双采样技术
##### 4.1 复位噪声的产生
复位噪声是在CCD输出结构中产生的，具体来说，是在每一个像素周期开始时，信号电荷到达之前，复位脉冲到来使复位开关接通，从而在存储电容上复位一个参考电平。由于复位开关热噪声的影响，使得存储电容上的参考电平偏离理想值，这部分偏离量即为复位噪声。
##### 4.2 相关双采样技术的工作原理
相关双采样（Coupled Double Sample, CDS）技术是一种有效减少复位噪声的技术，其基本思想是利用两个采样保持器分别对CCD信号的参考电平和视频电平进行采样，然后通过差动放大器输出信号，以此来滤除与采样信号相关的噪声。
具体工作过程如下：
1. **第一步采样**：在CCD输出像素N的信号周期内，由CCD驱动电路产生的参考脉冲使采样保持器SHA1对像素N的参考电平进行采样并保持。
2. **第二步采样**：当像素N的电荷注入输出级时，复位噪声叠加到输出上。此时，由驱动电路产生的视频脉冲到来，使用采样保持器SHA2对像素N的视频电平进行采样并保持。
3. **差动放大**：两个采样保持器的输出经差动放大器处理后，得到视频信号\(V_{out}\)。这一过程有效地去除了与参考电平和视频电平均相关的复位噪声。
##### 4.3 实验验证
相关双采样技术已经在高分辨率CCD测量系统中得到了应用，并取得了良好的效果。实验结果表明，该技术不仅能够有效去除复位噪声的影响，还能对CCD输出放大器产生的1/f噪声有一定的滤除效果。
#### 五、结论
相关双采样技术是一种有效的噪声抑制方法，特别是在处理CCD输出信号中的复位噪声方面表现突出。通过对CCD输出信号的两次采样，并利用差动放大器进行处理，可以显著提高视频信号的信噪比，进而改善图像质量。此外，该技术还能够有效滤除其他类型的噪声，为图像传感器的应用提供了有力的支持。
