线阵CCD交汇光靶高速飞行物位置与速度测量(2)
2. 系统设计技术要求
2.1. 柱面透镜
2.1.1. 柱面镜的特点
柱面透镜的特点是一条主子午线上有最大屈光力，与之垂直的另一主子午线上没有屈光力。柱面透镜可以从一透明圆柱体(如玻璃棒)沿轴方向切下而得到(如图1、图2、图3)。将一条直线P Q绕另一条直线A A’平行等距离旋转就可以得到一圆柱体。A A’为圆柱体的中心线（轴线），两条直线之间距为圆柱体的曲率半径，与轴线相垂直的方向上有最大的曲率。
由于柱面透镜在与轴平行的方向上曲率为零，没有弯曲，所以光线通过柱面透镜时，在这个方向上没有屈折；柱面透镜在与轴相垂直的方向上有最大的曲率，所以光线通过柱面透镜在这个方向上将受到最大的屈折。平行光束通过柱面透镜后会聚（或发散）到焦点，焦点集合成一直线称为焦线(如图4、图5)，焦线与轴线相平行。
2.1.2. 柱面透镜的光学特性
当入射光束沿柱镜轴的方向投射时，出射光束不会发生屈折。若入射光束沿与柱镜轴成垂直方向投射时，出射光束则会发生会聚或发散。
沿柱镜轴成垂直方向入射的平行光束，其屈折作用视正柱镜或负柱镜而异（如图6、图7）。
入射到正柱面透镜的平行光束，其屈折光线产生会聚，而整个平行光束自上而下可有无数层面，故所成之像并非为一点，而是自上而下无数焦点的连线，即成一焦线，该焦线与柱面透镜轴线方向平行。入射到负柱面透镜的平行光束，其屈折光线产生发散，反向延长后形成与柱面透镜轴线方向平行之虚焦线。
柱面透镜各子午线上屈光力不等，且按规律周期性变化。
柱镜在与轴平行方向上屈光力为零，与轴垂直方向上屈光力最大。其他方向上的屈光力，即所谓斜向镜度同该方向与轴向的夹角有关。
2.2. 线阵CCD
2.2.1. 线阵CCD 内部结构及工作过程
线阵CCD器件内部的像素按线型(直线、环线)排列，可以直接接收一文光信息，按读出方式可分为单沟道和双沟道两种，双沟道结构像素多、精度高．本文采用东芝公司的TCD1208AP线阵CCD器件，其结构如图8所示．
图中 为可以接受光束的光电耦合单元(信息像素)，它们按线性阵列依次均匀排列在CCD受光石英窗口下面，相邻像素之间间距为14 ．SH 为转移脉冲信号， 为移位输出脉冲(读出时钟)，OS为信号输出端．在SH 脉冲信号的作用下，像素中的电荷分为上下两列通过转移栅移动到模拟移位寄存器下面存储，然后在 读出时钟的节拍控制下，向右移位输出．
CCD器件的工作过程是这样的，首先在光学系统的作用下，将被测物体的某种特性的变化转化成光束角度的变化，光束照射在CCD器件的受光窗面上，受光窗面下受到光线照射的像素中产生光生电荷，并将电荷存储在像素单元中，未受到光线照射的像素不产生光生电荷，然后在CCD驱动电路中的读出时钟脉冲控制下，将电荷转移并移位传输至输出电路中，经输出电路将电荷量转化为电压量输出．CCD器件输出的是数字视频信号，需要经过用户设计的数据处理电路将其转化为标准信号，以便进一步处理．
2.2.2. 线阵CCD 的输出信号特性
CCD器件输出的信号比较特殊，其输出信号波形如图9所示．从图中可以看出，这些信号就其幅值来讲是模拟信号，其幅值可以反映出每个像素单元受光后感生电荷的多少，他们应该是模拟量，同时在信号输出和感测过程中的非线性以及信号转移过程中的电荷损失，都说明了CCD器件输出信号具有模拟信号的特点．但是，在时间关系上，这些信号又受精确、稳定的时钟控制，并在时钟脉冲的作用下移位输出，类似于数字移位寄存器，根据检测结果可知，每个像素中光生电荷的有无才是重要的，而非电荷量的多少．综合两方面的情况，说明CCD信号具有模拟性和数字性，因此往往被称为数字视频信号．