高灵敏度APS CMOS图像传感器光谱探测技术研究

主动像元型(APS)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的成像性能已经接近电荷耦合器件(CCD)的成像性能,在光谱成像领域有很好的应用前景。讨论了CMOS器件用于光谱探测的若干问题,建立了光谱成像系统的噪声模型并进行了实际噪声测试,分析了基于CMOS探测器的成像光谱仪的灵敏度水平;结合CMOS器件的结构和特性给出了图像的校正方法。搭建了包括光学、电子学的完整光谱成像系统,进行了光谱成像试验,验证了灵敏度分析和光谱校正方法。结果表明,CMOS探测器可以满足高光谱成像的灵敏度要求,可用于高光谱探测。     

像增强型CCD成像系统的分辨力分析

分辨力和信噪比是像增强型CCD成像系统的两个最主要的参量.为了分析CCD相机分辨力对像增强型CCD成像系统分辨力的影响,本文分别用一个高分辨力像增强型CCD相机和一个普通分辨力CCD相机分别与相同的中继透镜、像增强器和前置镜头耦合,得到一套高分辨力像增强型CCD实验样机和一套对比像增强型CCD实验样机;在不同照度下测量了两套实验样机的分辨力和信噪比,实验结果分析表明:当照度高于1.84×10-3 lx时,像增强型CCD成像系统分辨力受器件分辨力和信噪比共同影响,高分辨力像增强型CCD实验样机分辨力要高于对比像增强型CCD实验样机分辨力.当照度低于1.84×10-3 lx时,像增强型CCD成像系统分辨力主要受器件信噪比的影响,高分辨力像增强型CCD实验样机与对比像增强型CCD实验样机分辨力相当.     

CCD固体成像器件性能测试方法的研究

CCD图像传感器是目前科学成像领域主流的固体成像器件。一般而言, 当成像系统中使用CCD器件时, 首先需要测量它的一些性能指标, 这是判断该CCD器件是否满足整个系统性能要求的重要依据。对CCD成像器件性能的测试方法进行了探讨, 涉及的参数包括增益、噪声、电荷转移效率、线性和满阱电荷等。研究重点是如何应用扩展像素边界反应方法及同位素X射线方法检测CCD的电荷转移效率, 以及利用X射线方法测量器件的增益。最后以理论研究为基础, 发展并提出了一套切实可行的CCD器件检测方法, 同时基于E2V公司4K×4K芯片CCD203_82进行了性能测试实验, 实验结果也验证了本文提出的测试方法的可行性和可靠性。     

基于增加光电子积分时间的磁镜装置研究

阐述了提高微光成像系统低照度探测极限的本质是需保证成像系统对光信号足够的积累时间,从理论上指出降低CCD温度实现低照度探测的局限性和实现技术的复杂性后,提出在光阴极与光电子接收器(屏靶)之间耦合一个磁镜装置(即微通道电子瓶板结构)作为一种新的光电子接收器,即可有效保证图像信号的积分时间,提高成像系统的探测信噪比,达到拓展微光成像系统低照度探测极限的目的。论证了磁镜场的物理机理,并用计算机模拟显示出了预期的结果。该方案在常温下能实现当前微光成像系统低温探测灵敏度极限10-11lx的目标。     

面阵CCD信号采集系统的噪声抑制

分析了CCD输出噪声及其一般抑制方法,提出了一种基于面阵CCD信号采集系统的噪声抑制方法。设计了CCD信号采集系统的噪声抑制电路和处理电路,应用于CCD442A型面阵CCD;并使用积分球对采集系统进行辐射定标,计算得到系统的信噪比。仿真和辐射定标实验表明,该面阵CCD信号采集系统具有相关双采样和暗电平校正功能,抑制了CCD输出信号的复位噪声和暗电流噪声;在中等照度条件下,系统信噪比达到40dB。     

基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析

信噪比(SNR)是评价多光谱遥感成像性能的重要指标,在设计多光谱遥感成像仪的最初阶段应进行分析,从而确定各分系统相关参数。多光谱遥感系统的成像链模型综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于进行成像过程端对端的完整分析。以基于滤光片阵列的多光谱遥感系统为例,采用MODTRAN软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳天顶角下,不同目标地物计算像面的照度,根据电荷耦合器件探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下多光谱遥感系统的SNR。通过对SNR的分析,可给出该类型多光谱遥感系统获得最佳性能的工作条件,并能够结合使用要求进行光学系统参数的优化选择。     

CCD摄像机的输出调制度阈值分析

应用数理统计学的有关内容对CCD输出信号中的随机噪声进行了相关分析。引入了“噪声等效调制度”这一概念 ,利用计算机模拟技术对摄像机成像时所产生的随机噪声进行了模拟与计算。通过计算机模拟 ,推导出了噪声等效调制度与CCD摄像机系统信噪比之间的关系。将信噪比对CCD摄像机成像质量的影响予以量化 ,并对摄像机的输出调制度阈值进行了分析与计算     

基于CCD电极直接驱动控制的双脉冲发光图像高速曝光技术原理研究

电荷耦合器件(CCD)是一类高性能的光电成像器件,具有成像阵列大、图像质量好的特点。但由于正常工作驱动时序复杂,工作帧频一般较低,无法满足较高成像帧频的要求。针对一种双脉冲发光图像的高速高分辨高质量成像要求,根据CCD信号电荷收集及转移的电极驱动特性,选择合适的CCD类型,以电荷转移时序为时间分隔界限,设计了一种电极直接进行控制的时序,实现了两个光脉冲图像的分离积分及信号转移、读出等,完成了双脉冲发光图像的等效高帧频曝光的原理验证,在保持CCD原有高成像质量的情况下获得了μs级间隔的两幅图像可分辨的能力,并实现了一种二分幅相机系统。     

基于电子倍增的高光谱成像链模型的系统信噪比分析

高光谱成像的应用效果非常依赖于所获取的图像信噪比(SNR)。在高空间分辨率下,帧速率高、信噪比低,由于光谱成像包含了两维空间-光谱信息,不能使用时间延迟积分(TDI)模式解决光能量弱的问题;目前多采用摆镜降低应用要求,但增加了体积和质量,获取的图像不连续,且运动部件降低了航天的可靠性。基于此,将超高速电子倍增与成像光谱有机结合,构建了基于电子倍增的高分辨率高光谱成像链模型,综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于成像链路信噪比的完整分析。采用LOWTRAN 7软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳高度角和地物反射率计算像面的照度,根据电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下的SNR。对SNR的分析和实验,选择适当的电子倍增增益,可使微弱光谱信号SNR提高6倍。     

高速多光谱 TDI CCD 成像电路系统

为实现多光谱TDI CCD的高速高信噪比成像,利用可空间应用的多光谱TDI CCD传感器研制出了高性能成像电路系统。该系统以现场可编程门阵列（ FPGA）为核心逻辑单元,带有RS422外围通信控制接口,并采用CAMERALINK接口输出图像数据。系统具有动态推扫成像的能力,可同时输出全色和彩色两种模式的图像数据。利用灰度条纹的靶标对传感器的3个多光谱（ R、G、B）感光区标定白平衡,利用彩色条纹的靶标对系统进行成像测试,在驱动频率为15 MHz的情况下,系统单片CCD输出的图像数据率达到1.2 Gbps。试验结果表明,获取全色图像的信噪比达到了53.56 dB,各多光谱图像的信噪比较高的也在40 dB以上,满足空间对地高分辨多光谱遥感成像的技术指标要求,对高速空间多光谱遥感相机的研制具有借鉴意义。     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

Effects of electron multiplication on the CCD SNR in remote sensing application

A mathematical model describing the effect of electron multiplication (EM) gain on the detector signal to noise ratio (SNR) is presented, and then two types of experiment have been made to test their relationship. The experimental results of the radiometric calibration and imaging in practice both show that the initial EM gain amplification makes the most significant improvement on the EM charge coupled device (CCD) SNR, while as the gain factor continues to increase, the EMCCD SNR improvement will become negligible.     

推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm-2·μm-1·sr-1以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪（WIS）数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。     

基于图像亮度特性统计的水下距离选通成像自动增益控制方法

对水下激光距离选通成像质量与系统增益的关系进行了分析,提出了一种基于图像亮度特性统计的普适性自动增益控制方案。该方案通过设定不同灰度统计阈值,甄别目标图像的亮度特性,并以此作为控制系统增益的主要依据。在对水下大动态范围照度目标或慢速运动目标等进行成像的特殊场合,该方案也具备较强的适用性,能实时反馈控制系统增益,使成像质量优化。     

Noise analysis and measurement of time delay and integration charge coupled device

Time delay and integration (TDI) charge coupled device (CCD) noise sets a fundamental limit on image sensor performance,especially under low illumination in remote sensing applications.After introducing the complete sources of CCD noise,we study the effects of TDI operation mode on noise,and the relationship between different types of noise and number of the TDI stage.Then we propose a new technique to identify and measure sources of TDI CCD noise employing mathematical statistics theory,where theoretical analysis shows that noise estimated formulation converges well.Finally,we establish a testing platform to carry out experiments,and a standard TDI CCD is calibrated by using the proposed method.The experimental results show that the noise analysis and measurement methods presented in this paper are useful for modeling TDI CCDs.     

自动亮度控制对微光电视系统强光适应性的影响

定量分析了自动亮度控制对微光电视系统强光适应性的影响。结合系统信号响应特性,建立了自动亮度控制作用后强光能量与系统成像对比度的关系模型;充分考虑系统动态范围、增益特性、灰度量化等因素,建立了自动亮度控制电路作用后系统响应特性的定量表征模型。基于上述模型,建立了引入自动亮度控制后强光作用微光系统成像的数字仿真模型,并基于模拟输出图像定量分析了不同能量强光对系统侦察性能的影响。理论分析及实验仿真结果表明:自动亮度控制的引入,能够扩大微光系统的动态范围,增强微光电视系统的适用性,但同时导致系统随着强光光亮度增大,成像灰度及对比度下降,侦察性能下降。     

TDI CCD光子响应非均匀性噪音分析与测量

探测器光子响应非均匀性噪音会降低低照度情况下遥感成像系统的成像质量.针对这一现象,本文首先结合探测器的物理性质,对各种噪音源进行了研究;建立了TDI CCD不同级数下的光子响应非均匀性噪音模型,随着曝光量的增加,光子响应非均匀性噪音也线性增加.其次根据曝光级数越多TDI CCD对非均匀性噪音的平滑效应越明显这一现象,提出一种光子响应非均匀性系数与曝光级数之间的关系式,并给出了利用TDI CCD输出图像提取光子响应非均匀性噪音的方法.最后建立了试验系统,通过试验对测试获得的光子响应非均匀性噪音与理论分析计算得出的结果进行了分析.     

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从噪声来源出发,基于入射光子、暗电流、偏置信号的涨落均近似满足泊松分布的条件,得到了更为精准的信噪比表达式。实验设置CCD增益、读出速率、冷却温度分别为3、100k Hz、?25°C,得出光子转移曲线。通过设置不同实验条件,分别探讨了暗电流、读出速率和系统增益对该科学级光学CCD信噪比的影响。实验结果与理论预期吻合得很好,为科学级光学条纹相机的设计以及弱光标定实验室自动化平台的搭建提供了良好的实验依据。     

Signal-to-noise ratio evaluation of a CCD camera

A fast signal-to-noise ratio (SNR) digital test method for a CCD camera is presented in this study. The proposed method employs the conventionally used differential operations of two sequential images to determine the noise. However, the technique focuses on two features to improve the SNR evaluation: the noise is separated from the differential image by a specially designed digital high-pass filter that does not affect the noise intensity; and the additional quantization noise introduced into the digital image by the frame grabber is corrected for in the final calculation. The method can produce an objective measurement that offers high repeatability. The results obtained are consistent with those produced by industry standard instruments.