导航：安全管理网>> 安全论文>> 机械安全论文>>正文

基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究

文档作者：赵慧洁程宣张颖李冲冲文档来源：北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院精密光机电一体化技术教育部重点实验室		点击数：	更新时间： 2025年04月20日
下载地址：点击这里	文件大小： 1.63 MB 共7页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共7页]

本文件共7页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：1.63 MB 共7页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：变频调速装置在风机上的节能效果分析

上一篇：预混合压缩着火发动机的燃烧噪声研究

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

第32卷，第12期2 0 1 2年l 2月光谱学与光谱分析 V01．32，No．12，pp3422—3428Spectroscopy and Spectral Analysis December，2012基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究赵慧洁，程 宣’，张 颖，李冲冲北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京100191摘要声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪是一种新型高光谱成像系统。针对系统存在的波段间辐射灵敏度差异较大，低照度条件下部分波段信噪较低的问题，引入了电子倍增CCD(EMCCD)作为感光器件。对该原理仪器在普通和电子倍增两种工作模式下的噪声进行了分析，推导了信噪比模型，并利用研制的原理样机进行了实验验证。在此基础上，提出了电子倍增模式下系统动态范围的评价方法，给出了以人瞳光谱辐亮度为判据的工作模式选择方法。结果表明，信噪比模型与实测结果吻合，电子倍增模式的合理选择有效提高了低照度条件下的信噪比，改善波段问辐射灵敏度的非一致性。关键词A10，rF成像光谱仪；EMCCD；噪声；信噪比；电子倍增模式中图分类号：TH74 文献标识码：A DOl：10．3964／j．issn．1000--0593{2012)12—3422—07引 言成像光谱仪能够对地物成像的同时，得到同一地物的光谱特征信息，在遥感探测领域正发挥越来越重要的作用。按照分光原理的不同，成像光谱仪可分为色散型、干涉型和滤光片型。声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪是近年来新兴的一类成像光谱仪器，属于滤波片型，相对于色散型和干涉型系统，具有快速电控波长可编程调谐的特点[1]。目前，美国[1]、欧洲[z]以及日本等[31发达国家在AOTF光谱成像系统方面的研究已取得了一定的研究成果。在我国，中国科学院上海技术物理研究所1“、中国科学院西安光学精密机械研究所[5]以及北京航空航天大学等c6]研究单位也开展了AOTF成像光谱仪原理样机的研制。光谱成像系统的应用效果非常依赖获取的图像信噪比[7]。但在低照度条件下，特别是高光谱成像领域，受入射光能量、光谱分辨率以及分光元件透过率的影响，仪器的信噪比受到较大的制约。对于AOTF成像光谱仪而言，其分光原理导致不同波长的带宽差别较大，加上衍射效率、光学系统透过率及探测器光谱响应等非均匀性因素的影响，不同波段间的辐射灵敏度存在较大差异，部分波段的信号很弱。为提高系统的探测灵敏度，将用于微光成像的电子倍增CCD探测器(EMCCD)引入高光谱成像系统是一种有益的尝试。近年来，国外开始将EMCCD用于高光谱成研究。2011年Bosoon Park等采用带EMCCD的AOTF显微成像系统进行食品致病菌的检测18]；挪威科技大学的Hernandez-Palacios等[9]利用EMCCD进行了低照度高光谱成像实验，对EMCCD的增益和积分时间对数据质量的影响进行了定性分析。但目前尚未见定量化研究EMCCD对光谱成像系统信噪比影响的相关报道。如何最大化的发挥EMCCD技术的优势，对低照度成像光谱探测有着十分重要的现实意义。本文分析了基于EMCCD的A()TF成像光谱仪的系统噪声，推导了普通模式和电子倍增模式下的信噪比模型，并利用已研制的原理样机进行了信噪比计算和验证。在此基础上，提出了电子倍增模式下系统动态范围的计算方法和最佳工作模式的定量化选择方法。1基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析信噪比(SNR)是成像光谱仪的一个重要参数，信噪比的计算一般采用两种方式：比探测率法和等效电子数法。由于后者更适合面阵CCD系统，本文采用等效电子数法分析系统噪声，建立AOTF成像光谱仪的信噪比计算模型。1．1系统噪声的相关性一般认为成像光谱信号中的噪声是不相关的，但Roger发现AVIRIS中的噪声在像素间存在相关性[1…。由于系统噪声跟成像原理和器件类型息息相关，不同类型系统的噪声相收稿日期：2012—05-04。修订日期：2012-08-20基金项目：国家自然科学基金项目(61177008，61107013)资助作者简介：赵慧沽，女，1966年生，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授 e-mail：hjzhao@buaa．edu．crl*通讯联系人 e-mail：chengxuan2002@163．corD_万方数据第12期 光谱学与光谱分析 3423关性需要单独分析。本文采用“去相关法”[113对已研制的AOTF光谱成像仪的数据进行噪声提取，并采用相关系数法对噪声分布的相关性进行评价。图l为其中100×i00像元区域数据噪声的相关系数图。图中显示，除了同一像元的自；||；l ：薹。；铺Fig．1 Correlation coefficient diagram of the noise相关系数为l外，其余点的互相关系数均在零值附近，均值为0．017 1，说明像元间的噪声不存在相关性，可以独立分析。EMCCD同时具备普通读出寄存器和倍增寄存器，具有普通和电子倍增两种读出模式，在噪声分析中将分别讨论。由于像元间的噪声不存在相关性，噪声分析只考虑时域噪声，仪器的空域噪声可通过非均匀校正消除[121。1．2普通模式下的噪声分析图2为AOTF成像光谱仪光电转换原理图，可以将系统噪声分为常规CCD噪声和辐射传输中引入的光谱数据噪声两类。CCD噪声主要指器件工作中产生的噪声，包括：暗电流噪声N‘·、复位噪声Nxw、读出噪声^『R以及√虹)C过程中的量化噪声NQ等。CCD噪声分析已有较多的研究[1“，此处不再赘述。辐照度 ‘- 一。喋户I R(¨。成像嚣 读出电荷epreJE 嚣存区水平读出LFig．2 Principle of photoelectric conversion in AOTF imaging spectrometer光谱数据噪声属于系统噪声，在辐射传输过程中伴随着光谱信号的产生而出现。理想情况下，成像光谱仪的目标辐射可用人瞳处的光谱辐亮度值和仪器参数计算得到。AOTF成像光谱仪属于凝视璎，每个像元能够独立的获取成像光谱的强度．其像面光谱辐照度的分析和色散型一致。中心波长为A，光谱带宽为从的波段中入射到探测器焦面上的目标辐射的光电子数S。(A)可由下式计算得到 跚)一揣朦的冰咖㈨膻㈨以(1)式中，Aa为CCD像元面积，厂#为光学系统厂数，th为积分时间，L(A)为人瞳处光谱辐亮度，r(A)为系统透过率，刀(A)为CCD量子效率，DE(A)为AOTF衍射效率，h为普朗克常数，C为光速。越较小时，式(1)中的积分形式可用乘积代替。由于人射光子产生的光电流具有不确定性，会在光谱数据中加入光子噪声。该噪声属于散粒噪声，服从泊松分布。光子噪声和CCD暗电流噪声均属于散粒噪声，且二者问相互独立，可以将二者合并，设由光电流，引入的光子散粒噪声为i：，并转换为等效电子数N，，如下i：=2P[卜卜瓦rk]△， (2)式中，i。h表示引入的光子噪声有效值，e为电子电荷数，af为系统的噪声等效带宽。△，与th满足如下关系[7]Ⅳ一赤 (3)令sI为探测器产生的总信号电子数，M可表示为N。一^／盟(J+fdafk)一／Sp+Sd一~／s， 后—————一一一 (4)光子噪声是目标辐射通过光学系统时引起的，当目标光谱信号在CCD上形成光谱图像时，受Smear效应影响，将产生拖尾噪声叠加在光谱图像上。虽然帧转移型CCD的Smear效应很弱，但在t砒较小时，该现象仍然不可忽略，并且有r净1‰“卜{蓦知㈣≤i≤N ∞’I台f。。'N，“‘—’‘、“其中，N～，(i)表示CCD第i行像元的拖尾噪声，N为行数，J。为第k行像元的光谱信号强度，t。为垂直帧转移时闻，fn为积分时间。1．3普通模式下的信噪比模型根据上述分析可以得到系统噪声总的等效电子数。由于系统输出为AD变换后的量化值，用A表示系统增益，将噪声的等效电子数进行转换，量纲为e一·ADU～，此时总噪声NAovF表示为NAOVF一~／A-2[N。2(s。)+N蠢+腿1℃+Nk(i)]+№(6)对于波段A，系统的信噪比可以表示为 SNR(炉锣一”2Sp(A) ，"杉F口函西可可雨F丽品干疋：=丽r雨吾 …1．4 电子倍增模式下的噪声源分析电子倍增CCD的噪声分析已有一些研究成果[1“，但主要面向噪声机理分析。针对AOTF成像光谱仪的噪声特点，讨论电子倍增机制引入的新噪声源及对原有噪声源的影响，获得了电子倍增模式下系统噪声的解析表达式。(1)额外噪声因子电子倍增过程中碰撞电离出的新电荷数具有随机性，这万方数据3424 光谱学与光谱分析 第32卷种增益的不确定性引入新的噪声源，采用额外噪声因子F表征。Robbins等[153推导了F与倍增增益g以及倍增寄存器N之间的数值计算关系，如下 F=缸j话啊 (8)但该方法基于一个近似：倍增电荷服从二项式分布，单次倍增发生概率P在所有倍增级数中保持不变。而实际的碰撞电离过程存在“反馈效应，，[】“，当光生电荷达到一定程度时，P值会有所降低。同时，不同CCD芯片的I反馈效应也有所不同。因此，令F=厄的简化并不准确，需要结合倍增噪2．22．0100 101 102Electron-multiplying gainrig．3 Measurement and estimation of the P似九)声的测量加以修正。通过测量得到g对应的F值，以式(8)为拟合函数，采用Levenber乎Marquardt算法进行曲线拟合，得到N与g的对应关系，图3为拟合结果。此时P可用1．1％简化代替，如下g一(1+0．011)N (9)(2)时钟感生电荷噪声时钟感生电荷是电荷转移特别是垂直转移过程中产生的伪电荷。该噪声不受工作温度和积分时间的影响，相比于倍增噪声影响很小，实际计算中可以忽略。(3)对原有噪声的影响倍增噪声的存在使得经过倍增区域后的光谱图光子噪声、smear噪声以及暗电流噪声被放大，跟额外噪声因子满足乘性关系。读出噪声、复位噪声以及量化噪声的等效输出变为原有噪声与倍增增益的比值。1．4．1 电子倍增模式下信噪比模型结合电子倍增过程对系统噪声的影响，得到电子倍增模式下的信噪比模型。设第J行像元光谱信号的数字输出值为D(j，|=【)，A为波段，可得 D(j，A)={[(Sp(A)+Ns(A)+k(A))幻(1+F)+NR+NKTC)A-1+NQ (10)式(10)所描述的系统模型如图4所示。M <九)NQ>Ot时动态范围反而会大大降低。图9为电子倍增模式下系统的可探测动态范围曲线，可以看出，在g≤4时，可测动态范围随着g的增大而升高，当g>4时则相反。在实际应用中，应根据动态范围的设计指标合理的选择倍增增益，在条件允许的情况下尽可能的选择较低的倍增增益。101EMGain4．2工作模式的选择在信噪比分析的基础上，利用信噪比模型计算出原理样机信噪比随人瞳处光谱辐亮度值的变化，图10为467．1 nnl处和508 nln处的变化曲线。可以看出，随着目标光谱辐亮度值的增大，相比于普通模式，电子倍增模式下的信噪比呈现先大后小的趋势，这与电子倍增的机理吻合。因此，可以利用两种模式信噪比相等时的人瞳处光谱辐亮度值Lo(|=【)作为判据，当L(A)Lo(A)时则选择普通模式。√蛔匝F成像光谱仪不同波段间的辐射灵敏度存在较大差异，不同波段A下的L。(A)差别较大，图11显示了原理样机在不同波段所选Lo(A)的差别。该差别表明，在低照度条件下工作模式的选择十分重要，能够在一定程度上改善波段间辐射灵敏度的失配，提高仪器的信噪比。系统选用电子倍增工作模式时还需确定倍增增益g。从图10中不同增益下的信噪比曲线可以发现，在电子倍增模式区间中，当增益g>10时，信噪比变化很小，而从前文的分析可知，当g>a时，系统的可探测动态范围会逐渐降低，为∞如柏∞∞mO∞p／D∞蠹Ho鼍高曼A万方数据第12期 光谱学与光谱分析 3427302520复15 ∽105O353025配20Z∽15lO5O0 0．02 0．04 0．06 0．08 0 l 0．12 0 14 0．16 0．18 0．2 0 0 02 0．04 0 06 0．08 0．1 0 12Special radiance／(mw·cm'Lsr一·nm 1) Spectral radiance／(mw·cm-2．sr。．nm‘11Fig．10 SNR curvls with spectral radiance of object(a)：467．I m band；(b)：508 nlTl band为防止数据局部过饱和，可以根据仪器动态范围的需求设计g的上限。利用本文提出的工作模式选择方法，采用原理样机进行了实验验证。选用低照度的钨灯作为环境光，并假设电子倍增模式下系统的动态范围不低于30 dB，根据图9的结果选取倍增增益g=100。图1z为两种工作模式下不同波段的光谱图像，图13为图中绿叶的信噪比计算结果。可以看出，518 nnl之前的波段选择电子倍增模式，之后的波段选择普通模式可使系统性能达到最佳。电子倍增模式的使用使得前端的数据质量有了明显的提高，信噪比提高了约l倍，有效补偿了波段间的辐射响应差异。^昌0,065j o．060。参0,055’g 0．050；0．045量o．0408 0．035骶：(a)467．I nm(Normal) (b)467．1 nm(EM) (c)508 nm(Normal) (d)508 nm(EM)(e)607．2 nm(Normal) (D 607．2 nm(EM) (g)733．7 nm(Normal)№12 Spectral jIl|嘲芦of several bands in experimentWavelength／nm晦13 Contribution of optimmn operationmode to improvement of SNR5结论深入分析了基于EMCCD的AOTF成像光谱仪在普通和电子倍增模式下的仪器噪声，推导出两种模式下的信噪比模型，实验验证结果与理论计算基本吻合，最大误差约为11．2％，证明f『信噪比模裂的正确性。通过建立电子倍增模式下系统动态范围的评价方法，设计了以入瞳光谱辐亮度为阈值的探测器工作模式选择方法，确定了模式的最佳切换点和倍增增益的选择依据，有效提高了低照度条件下的信噪比，为EMCCD技术在AOTF成像光谱仪中的应用提供了理论依据，对其他分光原理系统也有借鉴意义。盆一醴Z∽々SII∞E-oZ万方数据3428 光谱学与光谱分析 第32卷[1]David A Ghnar，Diana L Blaney．John J HillmarL Acta Astronautica，2003，52：389．[2]Joan Vila，Javier Calpe，Filiberto Pla，et a1．Real-Time Imaging，2005，11：85．[3]Inoue Y，Penuelas J．International Journal of Remote Sensing，2001。22(18)：3883．[4]Tong Qingxi，Xue Yongqi，Wang Jinnian，et a1．Journal of Remote Sensing，2010，14：409．[5]CHANGLing-ying，ZHAOBao-chang，QIUYue-hong(常凌颖，赵葆常，邱跃洪)．ActaOpticaSinica(光学学报)，2010，30(10)：3021．[6]ZHAO Hui-jie，ZHOU Peng-wei，ZHANG Ying(赵慧沽，周鹏威，张颖)。Infrared and Laser Engineering(红外与激光工程)，2009，38(2)：189．[7]WANG Jian-yu，WANG Yue-ming，LI Chun-lai，et alCE建宇，王跃明，李春来，等)．Journal of Remote SensingG噩感学报)，2010，14(4)：614．[8]Bosoon Park，Sengdae Lee。Seung-Chul Yoon，et aL Proceedings of SPIE，2011，8027：07．[9]Hemandez-Palacios j，Randeberg LL Proceedings of SPIE，2012，8215：82150QE103 Roger R E．Arnold J F．International Journal of Remote Sensing，1996，17：1951．[11]Ekl哪L R International Journal of Remote Sensing，1995，15：2955．[12]Joan Vila-Franc6s，Javier Calpe-Maravilla，Luis G6mez—Chova，et aL Journal of Electronic Imaging，2010，19(4)：85．[13]Kenji Irie，Alan E McKinnon，Keith Unsworth，et a1．IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2008，18(2)：280．[[[[4]ZHANG Wen-wen，CHEN Qian(张闻文。陈钱)．Optics and Precision Engineering(光学精密工程)，2008，16；1977．5]Robbins M S，Hadwen B J．IEEE Trans．Electron Devices，2003，50(5)：1227．6]Jaroslav Hynecek，Takahiro NishiwakL IEEE Transactions on Electron Devices，2003，50(1)：339．7]Gerald C JCD Publishing，Winter Park，FL 2003．105．Analysis of the Noise and Signal--to-Noise of AOTF Imaging SpectrometerBased on EMCCDZHAO Hui-jie，CHENG Xuan。，ZHANG Ying，LI Chong-chongKey Laboratory of Precision Opto-mechatronics Technology，Ministry of Education，School of Instrumentation Science&amp;amp;Optoelectronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，ChinaAbstract Imaging spectrometer based on acousto-optic tunable filter(A()1、F)is a novel hyperspectral imaging system．In orderto rectify the non-uniformity of radiation sensitivity on different waveband，especially the low signal-to-noise(SNR)in low-lightconditions，the electron-multiplying CCD(EMCCD)sensor was proposed．The noise of AOTF imaging spectrometer wasanalyzed in both nol'mfll and EM modes of the CCD sensor with derived SNR calculating model which has been experimentallyvalidated．On that basis，a new evaluation method of the dynamic range in EM Inode and a hovel method of calculating spectralradiance at the entrance aperture were adopted．The experimental result shows that the theoretic SNR models are fit．and betterselection of EM mode is effective to improve the SNR and non-uniformity of radiation sensitivity in low light level conditions．Keywards AOTF imaging spectrometer；EMCCD；Noise；Signal-to-noise(SNR)；EM mode*Corresponding author(Received May 4，2012；accepted Aug．20，2012)

网友评论 more

机械安全论文最新内容

04-27