基於電子倍增的超光譜成像系統的製作方法

2023-10-30 04:54:32 2

本發明涉及航天應用的光譜成像技術領域，具體涉及一種基於電子倍增的超光譜成像系統。

背景技術：

由於成像光譜儀將景物像元的信息分成幾十乃至上百個光譜通道，從而使得焦平面陣列探測器每個像元所接受到的能量大為降低，直接導致信噪比嚴重下降，在高空間解析度(優於30m)的條件下成像光譜儀信噪比往往無法滿足實際應用需求。成像光譜儀對地面目標推掃成像時，由於飛行器飛行速度很高，探測器上每個像元接收地面目標輻射的時間(積分時間)很短，當地面目標較暗時，探測器的信噪比將很低。例如，在軌道高度h＝400km時，飛行速度v＝6.878km/s，地面像元分辨力δ＝10m時，探測器每個像元積分時間只有1.45ms，探測器幀頻將高達687.8fps。根據信噪比方程，要獲得更高的信噪比，在系統的光學參數和探測器都確定的情況下，只有通過增加積分時間來實現。在成像光譜儀望遠鏡前端設置掃描鏡進行運動補償是增加積分時間的有效方法之一，美國的高解析度成像光譜儀(hiris),沿海海洋成像光譜儀(cois)等成像光譜儀均採用了該方法增加積分時間以提高信噪比。

超光譜成像在高空間解析度下幀速率高、信噪比低，現今多採用擺鏡降低應用要求，增加了體積和重量，獲取圖像不連續，且運動部件降低了航天可靠性。光譜成像系統的應用效果非常依賴獲取的圖像信噪比。但在低照度條件下，特別是高空間解析度下超光譜成像領域，受入射光能量、積分時間、光譜解析度以及分光元件透過率的影響，儀器的信噪比受到較大的制約。由於光譜成像包含了空間和光譜兩維信息，不能使用tdi模式解決光能量弱問題。

技術實現要素：

本發明為解決現有光譜成像系統採用擺鏡增加了系統的體積和重量，且獲取圖像不連續以及受入射光能量、積分時間、光譜解析度以及分光元件透過率的影響，信噪比受到較大制約的問題，提供一種基於電子倍增的超光譜成像系統。

基於電子倍增的超光譜成像系統，包括光學系統、emccd傳感器、預放器、視頻處理器和數據處理器，地面景物光線經大氣及光學系統成像在emccd傳感器上的不同像元上，所述emccd傳感器獲得光學系統狹縫上各點的光譜圖像信息，光譜圖像信息經視頻處理器和數據處理器處理後輸出數字光譜圖像數據；設定所述超譜成像系統的信噪比模型，根據輸入的光譜能量大小，選擇相應的電子倍增增益，具體為：

根據量化值對應等效輸出電壓vo，獲得總噪聲的方差；總噪聲的迭加遵循獨立誤差合成原理，所述總噪聲的方差用下式表示為：

式中，f為電子倍增過程產生的額外噪聲因子，g為電子倍增過程產生的增益，kop為預放器的放大倍數，kagc為視頻處理器的成像增益，σs為霰粒噪聲方差，σd為暗電流噪聲方差，σcic為時鐘誘導噪聲方差，σsmear為smear引起的噪聲方差，σre為讀出噪聲方差，σqua為量化噪聲方差，σtransfer為光生電荷在整個轉移過程中受電源及驅動信號影響產生的噪聲方差；

根據總噪聲方差公式，獲得超光譜成像系統電子倍增增益的成像信噪比，用下式表示為：

對上式進行變換，獲得如下公式：

式中，g為超光譜成像系統的成像增益，vs為由光生電荷經電荷電壓轉換後的等效輸出電壓。

本發明的有益效果：

本發明所述的超光譜成像系統在高空間和光譜解析度的航天應用中使用，取消擺鏡的使用，降低了體積和重量，獲取圖像連續，且無運動部件提高了航天應用的可靠性；

本發明根據入射的光譜能量範圍、電子倍增器件輸出信號的幅度、視頻處理器的最大輸入信號幅度、量化位數等，獲得光譜信號的最佳信噪比，克服電子倍增增益與電子倍增附加噪聲因子之間的矛盾。

附圖說明

圖1為本發明所述的基於電子倍增的超光譜成像系統的原理框圖；

圖2為本發明所述的基於電子倍增的超光譜成像系統的信噪比模型圖，其中圖2a為電子倍增增益為1的模型示意圖，圖2b為電子倍增增益大於1的模型示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一、結合圖1和圖2說明本實施方式，基於電子倍增的超光譜成像系統，包括光學系統、emccd傳感器、預放器、視頻處理器和數據處理器，地面景物光線經大氣然後經光學系統成像在emccd傳感器上的不同像元上。emccd傳感器上得到狹縫上各點的光譜信息，與入射狹縫長度方向平行的一維為空間維，與狹縫長度方向垂直的一維為光譜維，則emccd的不同行像元對應不同譜段的光譜信息，經供電與驅動，地面景物在emccd傳感器上的光譜圖像信息經光電轉換、預放器、視頻處理器和數據處理器後輸出數字光譜圖像數據。

結合圖2說明本實施方式，基於電子倍增的超光譜成像系統的信噪比模型為：vs表示由光生電荷經電荷電壓轉換後的等效輸出電壓，ns、nd、ncic、nsmear、nre和ntransfer分別表示霰粒噪聲方差的平方、暗電流噪聲方差的平方、時鐘誘導噪聲方差的平方、smear引起的噪聲方差的平方、讀出噪聲方差的平方和光生電荷在整個轉移過程中受電源及驅動信號等影響產生的噪聲方差的平方。

vccd表示ccd光譜成像系統中的emccd的輸出電壓，kop為預放器的放大倍數，kagc為視頻處理器的成像增益，g為電子倍增過程產生的增益，f為電子倍增過程產生的額外噪聲因子。

nqua表示量化噪聲的平方。vo為量化值對應等效輸出電壓，由公式(1)計算，式(1)中當電子倍增增益為1時則g為1；式(1)成立需滿足gvs小於等於emccd的等效的滿阱電子容量，且gkagckopvs小於等於模數轉換器的量程範圍vad。

vo＝gkagckopvs(1)

各種噪聲的迭加遵循獨立誤差合成原理，其總方差由公式(2)計算，當電子倍增增益為1時則g和f為1。

式中，σs為霰粒噪聲方差，σd為暗電流噪聲方差，σcic為時鐘誘導噪聲方差，σsmear為smear引起的噪聲方差，σre為讀出噪聲方差，σqua為量化噪聲方差，σtransfer為光生電荷在整個轉移過程中受電源及驅動信號影響產生的噪聲方差；則成像信噪比計算表達式如下式：

g為超光譜成像系統的成像增益：

g＝kagckop(4)

則成像信噪比計算公式(3)變換為：

本實施方式中，基於電子倍增的超光譜成像系統的成像增益g和模數量化位數的設置原則為：對於模數轉換器，應該保證輸入信號的滿量程使用，保證ccd輸入的最大信號能接近模數轉化器的最大量程，則成像增益g：

超光譜成像系統中視頻處理器內部的模數轉換器完成對視頻信號的模數轉換，在模數轉換過程中不可避免地引入量化噪聲。在超光譜成像電路中使用的視頻處理器內部的模數轉換器屬於1/2偏置型量化模數轉換，採用了均勻量化方式，所以視頻信號量化噪聲服從均勻分布，均方差為：式中：vad為ad轉換器的量化量程，n為ad轉換器量化位數。量化位數越高則量化噪聲越小，更能真實地反映成像電路輸出信號的信噪比，有利於提高成像信噪比。

σqua＝gσre(8)

將(8)代入(7)得：

本實施方式中，基於電子倍增的超光譜成像系統的電子倍增增益設置原則為：當輸入的光譜信號能量足夠強時，σs遠大於其他信號，設定則使用電子倍增增益的信噪比近似為當不使用電子倍增增益的信噪比近似為使電子倍增增益g＝1。由於電子倍增增益的額外噪聲因子的因子f的影響，當輸入的光譜信號能量足夠強時，使用電子倍增增益功能會使信噪比下降到接近1/f倍。

當輸入的光譜信號能量足夠弱時，σs遠小於讀出噪聲，設定由於讀出噪聲為噪聲主要因素，則使用電子倍增增益的信噪比近似為不使用電子倍增增益的信噪比近似為使電子倍增增益g>10，由於電子倍增增益的使用，當輸入的光譜信號能量足夠低時，使用電子倍增增益功能會使信噪比提高到接近g倍。

本實施方式中，針對上述輸入光譜信號能量的強弱兩種狀態下的分析，可以根據輸入的光譜能量大小，選擇合適的電子倍增增益，以達到輸入光譜信號的最佳信噪比。

本實施方式中，emccd採用onsemi公司的器件kae02150，可針對每行的光譜信號選擇倍增放大或者不放大；預放器選用採用ni公司的lmh6715；視頻處理器採用adi公司的ad9979；數據處理器採用xilinx公司的fpga6vlx550tff1760；光學系統採用基於狹縫的色散分光系統。