资源预览内容
第1页 / 共78页
第2页 / 共78页
第3页 / 共78页
第4页 / 共78页
第5页 / 共78页
第6页 / 共78页
第7页 / 共78页
第8页 / 共78页
第9页 / 共78页
第10页 / 共78页
亲,该文档总共78页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
1,CCD成像技术及其在遥感中的应用第三章 CCD的主要性能指标,郝志航,2,内容,CCD的主要性能指标 量子效率QE和响应度R 暗电流和暗电流噪声 噪声和信噪比 动态范围 实例说明 CCD性能指标测试标准 小结,3,CCD的主要性能指标,轨道高度(H) 地面像元分辨率(GSD) 系统静态传递函数(MTFsys) 光谱波段(BW) 地面覆盖宽度 最小太阳高角()时信噪比(SNR) 相机质量(M) 相机功耗(P),典型遥感相机的主要性能要求,典型遥感相机的组成: 光学系统; 光机结构; CCD成像; 热控。,4,CCD的主要性能指标,地面像元分辨力 (MTFSYS),太阳高角 (信噪比),地面覆盖 (视场角),质量 (f,F),CCD,光学系统,热控系统,光机结构,5,CCD的主要性能指标,CCD的主要性能指标指的是对系统性能产生主要影响的指标。 主要性能:量子效率QE(响应度R)、饱和曝光量SEE、传递函数(MTFCCD )、噪声n、暗电流等。 其它性能:像元尺寸、像元数、电荷转移效率、响应非均匀性、环境适应能力等。,CCD应用对CCD性能指标的要求,CCD生产厂家提供的CCD性能指标,6,CCD的主要性能指标,CCD厂家给出的性能指标形式,7,CCD的主要性能指标,8,量子效率QE和响应度R,可以用量子效率计算响应度,响应度的单位是A/W或 。计算公式如下:,(31)(2-4),(32)(2-5),其中, 是电子电荷, 是量子效率, 是像元有效面积。式中 是CCD中常用的辐照量单位。辐照量的基本单位是 。,9,量子效率QE和响应度R,在CCD工作过程的最后一步,将电子电荷转换为电压,电荷转换因子CVF为:,其中, 是电子电荷, 是量子效率, 是像元有效面积,G为CCD片内放大倍数。,与前式联合可以得到电压输出的响应度R,(33),(34),10,一个行间转移CCD器件的填充系数为50,像元面积是11.4m13.8m,电荷转换因子CVF为6V/-。如果量子效率在0.6m是 0.8 计算以V/J/cm2为单位的响应度。Ap=7.8710-7cm2。常数hc是1.991025 J.m/photo。将数值代入3-4:,计算结果单位为V/J/cm2 ,转换为V/J/cm2 ,结果为:,量子效率QE和响应度R 举例,cm2,V/-,m,J-m/photo,V/J/cm2,11,遥感相机CCD靶面上辐照量的计算: 条件:无穷远面发光目标,发光目标为朗伯体,发光强度与方向无关,辐出度为M0(W/m2)。 相机入瞳处辐亮度L为:,其中a为大气透过率,量子效率QE和响应度R,(35),12,量子效率QE和响应度R,遥感相机CCD靶面辐照度 为:,CCD靶面辐照量为:,式中optics为光学系统透过率,F为相对孔径,tint为CCD积分时间。,(37),(36),13,量子效率QE和响应度R,有些CCD的响应度是以光度参数给出的,如R的单位是V/lx.s。当以光度参数给出响应度时,需要指定光源的色温。有时需要进行辐射度参数与光度参数之间的转换。,思考题:如何进行以V/lx.s和V/J.m2两种响应度单位的转换?光源色温指定为2856K。,参考资料: 1光电技术王庆有主编,电子工业出版社2005年 2 CCD Arrays Cameras and Displays By Gerald C. Holst SPIE Press 1998,14,暗电流和暗电流噪声,暗电流对CCD成像的影响: 降低了动态范围; 增加了CCD噪声。,暗电流噪声与其他热噪声一样,其概率密度分布为Poisson分布。积分时间为tint时,暗电流电子数暗电流噪声分别和为:,(310),(311),15,暗电流和暗电流噪声,在不同暗电流密度(nA/cm2)下,暗电流(e-/sec/pixel)与温度(C)的关系曲线。,16,暗电流和暗电流噪声,为了将暗电流降低一倍,工作温度25C时, 需要将温度降低 8C ;-50C时, 需要降低 4.8C ;而 -100C 时,只需降低2.9C。,17,暗电流和暗电流噪声,TI公司TC271 在27时, Jdc100 pA/cm2 ; 阵列温度每增加 78,暗电流密 度增加一倍。,18,暗电流和暗电流噪声,CCD的暗电流在说明书中通常以以下三种方式给出:1)一定时间内的暗信号电子数;2)一定时间内暗信号的电压值;3)暗电流密度。 单位时间暗信号电子数的公式:,其中,Jdc为暗电流密度,T是绝对温度,Eg是带隙。,(38),(39),19,暗电流和暗电流噪声举例,CCD像元尺寸为12 m x 12m, 300K 时暗电流密度10 pA/cm2 ,求出该CCD在 -10C (263K), -50C (223K) 和 -100C (173K)时的暗电流,由(3-9)计算Eg 263K时, Eg = 1.120278 eV 223K时, Eg = 1.129468 eV 173K时, Eg = 1.139296 eV,再用(38)计算De 263K时,De = 2.911 e/pixel/s 223K时, De = 2.123 x 10-2 e/pixel/s 173K时, D e= 2.149 x 10-6 e/pixel/s,20,噪声和信噪比 光电响应模型,光谱范围12的CCD输出电压VS,其中,VD和Vn分别为暗电流和噪声,R()为光谱响应度,E ()为光谱辐照度;当利用平均光谱参数时,,(312),(313) (37),21,噪声和信噪比,噪声的类型 随机噪声(Random Noise): 时空域上随机变化,只能用统计特性描述; 图形噪声(Pattern Noise): 时域上不变,空域上变化。,22,噪声和信噪比,23,噪声和信噪比,24,噪声和信噪比 随机噪声,只考虑CCD芯片内 霰粒噪声 shot 复位噪声 reset 暗电流噪声 dark 放大器噪声 a,25,噪声和信噪比霰粒噪声(Shot Noise),霰粒噪声是与入射光子数随机变化有关的噪声,在给定时间内入射光子数服从帕松(Poisson)分布,霰粒噪声的均方根值(以电子数计) S为信号电子数。 暗电流噪声(ndark为暗电流电子数),314,315,26,噪声和信噪比 热噪声,热噪声是白噪声; 电阻R上热噪声的均方根电压 k: 波尔茨曼常数,T:绝对温度,B:带宽,27,噪声和信噪比 噪声等效带宽(NEB),28,噪声和信噪比 复位噪声,29,噪声和信噪比 输出放大器噪声,白噪声(White Noise): 输出放大器电阻的热噪声,闪烁噪声(Flicker Noise) (1/f 噪声),316,30,噪声和信噪比 总随机噪声,总的随机噪声包括霰粒噪声、暗电流噪声、复位噪声和输出放大器噪声。,317,319,318,一般将复位噪声和输出放大器噪声称为读出噪声read,上式改写为:,31,噪声和信噪比 信噪比,通常计算CCD信噪比时,只考虑时域上的随机噪声。因为空间分布的图形噪声是可以补偿的。为了严格起见,我们还是将这样计算的信噪比标注为SNRr,计算公式为:,有时,对目标成像是在光照背景下完成的,背景信号为SB,计算公式应做如下修改:,320,321,32,噪声和信噪比图形噪声( Pattern Noise),固定图形噪声(FPN) 无照明时,像元与像元之间输出的变化,主要为各像元之间暗电流的差别。 噪声性质:相加,可以补偿。 响应非均匀性(PRNU) 有照明时,像元与像元之间输出的变化,主要为各像元之间响应度的差别。将PRNU (U)定义为响应度差的均方根值除以平均值 。 噪声性质:相乘,可以补偿。,33,噪声和信噪比图形噪声(Pattern Noise),考虑固定图形噪声(FPN)和响应非均匀性(PRNU)时的系统噪声为:,当忽略固定图形噪声(FPN)而只考虑响应非均匀性(PRNU)时的系统噪声为:,由于,所以:,322,323,324,34,噪声和信噪比信噪比极限,CCD可以达到的最大信噪比 光信号越强,信噪比越大,这时可以忽略读出噪声和暗电流噪声。当只考虑随机噪声时,总噪声和信噪比为:,当考虑响应非均匀性(PRNU)时的系统噪声和信噪比为:,满阱电荷和响应非均匀性是最大信噪比的限制。,325,326,327,35,噪声和信噪比探测极限,光信号非常弱时,信噪比很小;忽略暗电流噪声时,当只考虑随机噪声时,总噪声和信噪比为:,SNRr等于一的曝光量称为等效噪声曝光量NEE。这时可以忽略响应非均匀性的影响。 实际上,这时是不能忽略暗电流噪声的。,读出噪声和暗电流决定CCD的探测限制。,328,329,36,噪声和信噪比 提高信噪比的方法,为了提高信噪比必须降低噪声: 复位噪声和放大器噪声 相关双采样技术 暗电流噪声 制冷 固定图形噪声(FPN) 补偿(必须预先测量) 响应非均匀性(PRNU) 补偿(必须预先测量) 光子霰粒噪声 不能降低和补偿,是信噪比的限制 (满阱电荷影响),37,噪声和信噪比 提高信噪比的方法,相关双采样可以抑制复位噪声和放大器1/f 噪声。,?,38,动态范围,动态范围是一个描述CCD能够探测最小光能量和最大光能量比例的性能参数,在许多应用中是很重要的。 最小光能量 CCD能探测的最小光能量应该是其输出信噪比大于或等于1的光能量,定义使CCD输出信噪比等于1的光能量为等效噪声曝光量NEE 最大光能量 CCD能探测的最大光能量是CCD的饱和曝光量SEE,动态范围DR:,330,39,动态范围,动态范围也可以用满阱电荷和读出噪声电子数来计算 满阱电荷nwell可以表示CCD探测最大信号能力,读出噪声电子数read可以表示CCD探测最小信号能力。,动态范围DR:,有的厂家将动态范围定义为饱和电压与暗信号之比,不是很合理。,331,40,像元尺寸和像元数,像元尺寸和像元数是决定系统视场角和分辩率的重要参数,在某种程度上也是决定系统体积和重量的决定性因素。,像元尺寸a的大小直接影响光学系统的设计,因为它确定了系统的Nyquist频率fN :,324,41,像元尺寸和像元数,Nyquist频率越高,光学系统的设计、加工和装调就越困难。一般高级胶片相机,如Nikon相机在Nyquist频率小于或等于50lp/mm时具有较好的成像质量。,42,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,像元数:5000,像元尺寸: 7m 7 m,哑像元(Dummy Pixels)和暗信号参考像元,43,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,44,CCD主要性能指标TCD1503D举例,测试条件:Ta = 25C, VOD = 12 V, V = VSH = VRS = VCP = 5 V (脉冲), f = 1 MHz, tINT = 10 ms, 光源:日光型荧光灯, 负载电阻 = 1.00 k。,注2: 在50%饱和曝光量 (典型值)处测量 PRNU的定义 : 是信号平均值, 是最大偏差(通道1) 在 2500 像元模式(通道2)工作时, 测试条件同上。 注3: VSAT 定义为所有有效像元最小的饱和输出电压。 注 4:饱和曝光量 SE的定义 :,45,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,46,CCD主要性能指标TCD1503D举例,注5: VDRK 定义为所有有效像元暗信号电压的平均值。DSNU定义为VDRK 与 VMDK 的差值, VMDK是暗信号电压最大值。,注 6: 动态范围 DR定义 : VDRK 与积分时间 tINT 成比例,短积分时间 有可能增大DR。,注 7: DC 信号输出电压和 DC 补偿输出电压定义为右图,注8: PRNU (3) 定义为在 5% SE (典型值)条件下,相邻像元间最大信号电压差。,47,CCD主要
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号