一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法及系统技术方案

本发明专利技术的一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法及系统，包括首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型，基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；根据确定参数的等效电路模型，确立定标方案，通过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表，同时根据CCD成像系统噪声水平，设计了光强量化方法；当读出频率发生改变时，只需根据等效电路模型推导出该读出频率对应的补偿系数列表。本发明专利技术可以补偿由于读出时钟频率提升带来的CCD像元数值衰减问题，明确的光强量化方法、校正系数推导方法和数值验证方法，简单高效且具有很高补偿准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法及系统
本专利技术涉及高光谱成像
，具体涉及一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法及系统。
技术介绍
电荷耦合器件(CCD)的散粒噪声决定了成像电路的信噪比上限，而散粒噪声取决于CCD满阱电荷数。因此为了提升成像系统的信噪比需要选用深势阱的CCD。科学级CCD通常具有较深的势阱，受到读出电路带宽的限制，这种CCD通常采用慢读出的方式输出CCD视频信号。然而在有些场合，如星载差分吸收光谱仪(EMI)中使用的数字像元合并方法，需要快速输出CCD视频信号，这会导致CCD读出数值出现衰减。提升CCD视频信号输出速度，通常有四种方式：使用势阱深度较浅的高帧频CCD、多路输出、多行合并后输出、提升CCD读出时钟频率。CCD每个像元的信噪比RSN(不考虑电路噪声，仅考虑像元)与其所搜集到的电荷数N的关系如下式所示：像元搜集到的电荷数上限即为CCD的满阱电荷数，取决于势阱深度。因此势阱深度较浅的CCD信噪比也更低。通过多路输出的方式可以成倍提升CCD视频信号输出速率，但是由于每个输出通道的电路不可避免的存在差异性，因此会使每个通道读出的视频信号存在偏差，增加CCD像元响应非均匀性(PRNU)。多行合并后读出，即使用多行Binning方式输出CCD视频信号，将多行CCD先转移到最后一级读出行中，再进行一次水平读出，这种方式需要最后一级读出行像元势阱深度多倍与普通像元，否则很可能会发生电荷溢出。科学级CCD通常具有较深的势阱深度以实现高信噪比成像，另外为了保证图像的像元响应均匀性通常采用单通道读出的方式输出视频信号。受到CCD读出电路带宽和读出方式的限制，科学级CCD视频信号输出较慢，从而导致帧频较低。然而在某些场合需要快速输出CCD视频信号，如星载差分吸收光谱仪(EMI)需要快速输出CCD视频信号实现数字像元合并，或者需要提升CCD工作帧频、缩短CCD曝光时间等场合。通过提升CCD读出时钟频率可以实现视频信号高速输出。如EMI正常工作模式下CCD的读出时钟频率为528KHz，数字像元合并模式下为了快速输出CCD视频信号，CCD的读出时钟频率提升为2.11MHz。然而提升读出时钟频率会导致CCD视频信号波形发生畸变，经后级信号处理电路处理后表现为像元数值的衰减。现有技术有提出将CCD读出电路等效为一阶积分电路，采用一阶系统分析方法推导出理论补偿系数。该方法未针对不同光强条件提供测试方法，且使用一阶系统等效CCD读出电路过于简单，校正准确性无法保证。
技术实现思路
本专利技术提出的一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法及系统，可根据CCD读出电路结构、CCD原理和相关双采样原理，采用测试定标方法建立校正模型，实现衰减补偿。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，包括：首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型；基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；根据确定参数的等效电路模型，通过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表；基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级量化；针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数；确定每个能量条件下的校正系数；基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。进一步的，所述基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级量化，具体包括：对于不同光强，CCD像元搜集到的电荷量不同，CCD读出电路转移不同数量的电荷，其参数也会发生变化，则针对不同光强计算其电路参数进而确定校正系数即：先求取系统噪声，然后根据系统噪声量级确定光强量化级数；CCD噪声水平与温度密切相关，因此每次测量需要保证温度恒定，若工作温度不同，则需要在不同温度下确定校正系数，CCD成像系统噪声与光强直接相关，不同光强对应不同噪声等级，考虑到系统噪声主要包括电路噪声和散粒噪声，具体量化方法如下：其中散粒噪声Ns与像元搜集到的电荷数q的关系为：1)测试系统搭建：使用积分球+漫反射板系统做成像系统光源，积分球能量可调；2)测试CCD电路噪声：将CCD成像电路板AD输入管脚与地短接，此时成像系统采集到的图像即包含系统偏置和电路噪声，采集M幅图像，M>1000，计算得到系统偏置B和电路噪声Nc，Nc为所有像元噪声平均值；3)计算成像系统增益：系统增益η表示CCD像元将搜集到的电荷量q转换成像素值P的关系，如式(3)所示P＝ηq+B(3)4)将CCD接入成像系统，打开测试系统，调整积分球能量，使采集到的图像像素值P0在B+Nc，记此时积分球能量为A0；5)根据式(1)计算B+Nc对应的电荷量q0，根据式(2)计算得到散粒噪声Ns0，调整积分球能量，使采集到的图像像素值P1在B+Nc+Ns0左右，记此时积分球能量为A1；6)按步骤5)方法，计算得到像素值B+Nc+Ns0对应的散粒噪声Ns1，调整积分球能量，使采集到的像素值P2在B+Nc+Ns0+Ns1左右，记此时积分球能量为A2；7)重复步骤6)直到像素值达到系统满量程，同时确保CCD不发生饱和，此时成像系统采集到的像素值PN在B+Nc+Ns0+Ns1+Ns2+…+NsN，记录此时积分球能量为AN；至此，CCD成像系统近饱和光强被量化为A0～AN，共N个量化等级。进一步的，所述针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数具体步骤包括：设定拟合模型如下式所示：y(t)为输出波形在t时刻的幅值，a0、a1、a2、a3、b1、b2、b3为拟合参数；等效电路模型拟合参数求解方法如下：a)设定积分球能量为A0，使用具有数据读出功能的数字示波器采集M组CCD信号输出波形；b)导出示波器采集到的波形数据，选择每个周期内最大值向后延迟固定时间t1和下个周期最大值向前延伸固定时间t2区域内的数据；c)将截取后的M’组数据进行平均；d)对平均后的数据，按照式(8)所示拟合模型进行最小二乘法拟合，求得拟合参数，得到输出波形时域表达式；e)将CCD成像系统设置为慢速读出模式，记录步骤b)中所述截取区域波形下降幅值V0；f)分别设定积分球能量为A1、A2、…、AN，重复上述步骤，记录步骤e)中的下降幅值V1、V2、…、VN。进一步的，所述确定每个能量条件下的校正系数具体包括：设定CCD视频信号高速输出速率为Kpixel/s，即每秒输出K个像元，则输出单个像元的时间为1/K；在不同积分球能量A0、A1、…、AN条件下，结合对应的拟合结果，在波形上确定后采样点的位置，得到其下降幅值即为V′0、V′1、…、V′N；则每个能量条件下的校正系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：/n首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型；/n基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；/n根据确定参数的等效电路模型，通过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表；/n基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级量化；/n针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数；/n确定每个能量条件下的校正系数；/n基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：
首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型；
基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；
根据确定参数的等效电路模型，通过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表；
基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级量化；
针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数；
确定每个能量条件下的校正系数；
基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。


2.根据权利要求1所述的高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：所述基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级量化，具体包括：
对于不同光强，CCD像元搜集到的电荷量不同，CCD读出电路转移不同数量的电荷，其参数也会发生变化，则针对不同光强计算其电路参数进而确定校正系数即：
先求取系统噪声，然后根据系统噪声量级确定光强量化级数；
CCD噪声水平与温度密切相关，因此每次测量需要保证CCD温度恒定，若工作温度不同，则需要确定在不同温度下的校正系数，CCD成像系统噪声与光强直接相关，不同光强对应不同噪声等级，考虑到系统噪声主要包括电路噪声和散粒噪声，具体量化方法如下：
其中散粒噪声Ns与像元搜集到的电荷数q的关系为：



1)测试系统搭建：使用积分球+漫反射板系统做成像系统光源，积分球能量可调；
2)测试CCD电路噪声：将CCD成像电路板AD输入管脚与地短接，此时成像系统采集到的图像即包含系统偏置和电路噪声，采集M幅图像，M＞1000，计算得到系统偏置B和电路噪声Nc，Nc为所有像元噪声平均值；
3)计算成像系统增益：系统增益η表示CCD像元将搜集到的电荷量q转换成像素值P的关系，如式(3)所示
P＝ηq+B(3)
4)将CCD接入成像系统，打开测试系统，调整积分球能量，使采集到的图像像素值P0在B+Nc，记此时积分球能量为A0；
5)根据式(1)计算B+Nc对应的电荷量q0，根据式(2)计算得到散粒噪声Ns0，调整积分球能量，使采集到的图像像素值P1在B+Nc+Ns0左右，记此时积分球能量为A1；
6)按步骤5)方法，计算得到像素值B+Nc+Ns0对应的散粒噪声Ns1，调整积分球能量，使采集到的像素值P2在B+Nc+Ns0+Ns1左右，记此时积分球能量为A2；
7)重复步骤6)直到像素值达到系统满量程，同时确保CCD不发生饱和，此时成像系统采集到的像素值PN在B+Nc+Ns0+Ns1+Ns2+…+NsN，记录此时积分球能量为AN；
至此，CCD成像系统近饱和光强被量化为A0～AN，共N个量化等级。


3.根据权利要求2所述的高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：所述针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数具体步骤包括：
设定拟合模型如下式所示：



y(t)为输出波形在t时刻的幅值，a0、a1、a2、a3、b1、b2、b3为拟合参数；
等效电路模型拟合参数求解方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：常振，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34