CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)

CCD成像技術(shù)及其在遙感中的應(yīng)用

第五章CCD成像系統(tǒng)評(píng)價(jià)郝志航CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!內(nèi)容CCD成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量CCD成像系統(tǒng)的增益CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)CCD成像系統(tǒng)的MTF小結(jié)CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量CCD成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量主要取決于信號(hào)鏈路：光學(xué)鏡頭、CCD傳感器、預(yù)放器、CDS、后置放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。光學(xué)鏡頭CCD預(yù)放器CDS后置放大器AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量對(duì)應(yīng)用于遙感的CCD成像系統(tǒng)，盡管成像質(zhì)量的要求不盡相同。但是，有一些基本的要求是這些CCD成像系統(tǒng)都應(yīng)該滿(mǎn)足的。這些基本要求包括：系統(tǒng)的靈敏度系統(tǒng)的信噪比系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)的線(xiàn)性度系統(tǒng)的MTFCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的靈敏度第三章中介紹了CCD的光譜響應(yīng)度，其表達(dá)式為：CCD的輸出電子數(shù)：CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益CCD成像系統(tǒng)輸出的是數(shù)字，當(dāng)輸出灰度分辯率10bits時(shí)，輸出是0～1023中的一個(gè)數(shù)字。CCD成像系統(tǒng)輸出這個(gè)數(shù)字時(shí)，它所代表的CCD傳感器輸出的電子數(shù)是多少？定義CCD成像系統(tǒng)的增益為CCD傳感器輸出的電子數(shù)與此時(shí)CCD成像系統(tǒng)輸出的數(shù)字量之比。其單位為：e-/ADU。CCD成像系統(tǒng)的增益表示從片上放大器開(kāi)始一直到AD轉(zhuǎn)換器為止信號(hào)鏈路的增益的倒數(shù)。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益SC：以數(shù)字為單位表示的CCD信號(hào)；SE：以電子為單位表示的CCD收集的電荷信號(hào)，未知；NC：CCD圖像中以數(shù)字為單位計(jì)量的總噪聲；NE：

以電子為單位計(jì)量的總噪聲，未知；g：增益，單位為e-/ADU,該值待計(jì)算；

RE：

以電子為單位計(jì)量的CCD讀出噪聲，未知；SE：在總噪聲NE中的霰粒噪聲o：圖像中的其它噪聲。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益設(shè)計(jì)CCD成像系統(tǒng)時(shí)可以按設(shè)計(jì)者的要求估算出系統(tǒng)的增益，但是由于系統(tǒng)的增益幾乎與系統(tǒng)中的每一個(gè)元器件(包括電阻和電容)都有關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)完成后，實(shí)際的系統(tǒng)增益將與估算值有很大的誤差。獲取實(shí)際系統(tǒng)增益的途徑是在系統(tǒng)完成后進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益增益為：g＝1/0.336=2.98e-/ADU讀出噪聲為：y=0.336x+40線(xiàn)性方程為：NikonD70的系統(tǒng)增益測(cè)量曲線(xiàn)CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益響應(yīng)非均勻性的影響舉例。RE=15e-，g=2.0e-/ADUCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益通過(guò)計(jì)算兩幅圖像差的方差獲得系統(tǒng)噪聲方差的方法避免了響應(yīng)非均勻性等其它噪聲的影響。信號(hào)平均值與系統(tǒng)噪聲方差之間具有很好的線(xiàn)性關(guān)系?？梢杂?jì)算出更為穩(wěn)定和精確的系統(tǒng)增益。由于數(shù)值很小，最好不用截距計(jì)算讀出噪聲，這樣計(jì)算結(jié)果誤差比較大?？梢岳脙煞祱?chǎng)圖像的差來(lái)計(jì)算讀出噪聲。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益1.EOS10D偏置圖像ISO400.溫度:22°C2.將6幅偏置圖像相加平均，隨機(jī)噪聲減小，突出了固定圖形噪聲。3.圖像1減去2，只剩下隨機(jī)(讀出)噪聲CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益EOS10D

偏置圖象平均值131ADU，均方根噪聲6.2ADU

(ISO

400).EOS20D

偏置圖象平均值128ADU，均方根噪聲2.4ADU

(ISO

400).偏置圖象直方圖CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurve為了獲取CCD成像系統(tǒng)的增益，可以使用一種在CCD相機(jī)性能評(píng)價(jià)中廣泛使用的光子傳遞曲線(xiàn)方法。光子傳遞曲線(xiàn)：橫坐標(biāo)為信號(hào)的對(duì)數(shù)；縱坐標(biāo)為系統(tǒng)噪聲的對(duì)數(shù)。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurve理解光子傳遞曲線(xiàn)：等式兩邊取對(duì)數(shù)：信號(hào)很小時(shí)：信號(hào)很大時(shí)：CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurve利用在光子傳遞曲線(xiàn)中所收集的數(shù)據(jù)可以計(jì)算的系統(tǒng)參數(shù)：1系統(tǒng)增益2讀出噪聲3系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍4CCD滿(mǎn)阱電荷5系統(tǒng)非線(xiàn)性度CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurveACS(AdvancedCameraforSurveys)是2002年3月安裝到哈勃望遠(yuǎn)鏡上的第三代測(cè)量?jī)x器。ACS由三臺(tái)獨(dú)立的相機(jī)構(gòu)成：寬視場(chǎng)相機(jī)(WFC)、高分辨率相機(jī)(HRC)和日盲相機(jī)(SBC)。這些相機(jī)的性能在發(fā)射前和在軌期間都進(jìn)行了精密的測(cè)量。下面給出寬視場(chǎng)相機(jī)(WFC)發(fā)射前利用光子傳遞曲線(xiàn)方法測(cè)量的結(jié)果。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果估算CCD滿(mǎn)阱電荷為～77000e-。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurveACS的寬視場(chǎng)相機(jī)(WFC)性能測(cè)試結(jié)果，使用方法：光子傳遞曲線(xiàn)法。測(cè)試溫度：－79°C。對(duì)應(yīng)四個(gè)放大器的系統(tǒng)噪聲，單位：e-放大器Gain="1"Gain="2"Gain="4"A4.86+/-0.205.24+/-0.226.20+/-0.25B4.60+/-0.175.00+/-0.235.98+/-0.20C5.14+/-0.185.42+/-0.246.36+/-0.28D4.81+/-0.145.13+/-0.226.08+/-0.22平均4.85+/-0.085.19+/-0.116.12+/-0.12CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurve增益g=2e-/ADUCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的MTFCCD成像系統(tǒng)的MTF與組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)有關(guān)。最為重要的是光學(xué)系統(tǒng)(鏡頭)和CCD傳感器。光學(xué)鏡頭CCD預(yù)放器CDS后置放大器AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)光學(xué)系統(tǒng)分析建立在線(xiàn)性空間位移不變系統(tǒng)基礎(chǔ)上。h{}f(t)g(t)線(xiàn)性系統(tǒng)是單值映射系統(tǒng)，其定義為：假設(shè)二個(gè)輸入f1(t)和f2(t)的響應(yīng)分別是g1(t)和g2(t)，即：則下式成立：CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)當(dāng)△t→0時(shí)，變成卷積的積分：稱(chēng)為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。假設(shè)輸入是脈沖輸出，CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)光學(xué)系統(tǒng)是二維空間函數(shù)，其輸入(物面)可以等效為無(wú)數(shù)小面元的組合。h{}o(x,y)i(x,y)線(xiàn)性位移不變CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)相干和非相干成像：相干照明、衍射受限放大倍率為一的系統(tǒng)，輸入振幅fa(x′,y′)，振幅點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)u(x,

y),輸出為：

v(x,y)=fa(x′,y′)*u(x;y)等式兩邊傅立葉變換，V(u,v)=F(u,v)U(u,v)其中U(u,v)被稱(chēng)為相干傳遞函數(shù)，也是光學(xué)系統(tǒng)的光瞳函數(shù)。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)卷積表達(dá)式的傅立葉變得到：式中函數(shù)稱(chēng)為光學(xué)傳遞函數(shù)OTF。光學(xué)傳遞函數(shù)OTF的模稱(chēng)為調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：參考J.W.Goodman《傅立葉光學(xué)導(dǎo)論》CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)舉例說(shuō)明調(diào)制傳遞函數(shù)MTFCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)反之頻率為u0的MTF也可以用基頻為u0及其奇次倍頻的CTF之和求出：理論上，為了獲得頻率u0的MTF，必須測(cè)量許多個(gè)基頻的方波響應(yīng)。實(shí)際上，空間頻率大于1/3MTF的截止頻率時(shí)，就可以認(rèn)為MTF(u0)等于/4倍的CTF(u0)。通常最為關(guān)心的是Nyquist頻率處的MTF，這時(shí)利用CTF(u0)的/4倍代替MTF(u0)是很好的近似。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí) CCD成像系統(tǒng)響應(yīng)包括光學(xué)響應(yīng)和電子學(xué)響應(yīng)二部分，可以用h(x,y,t)表示。 光學(xué)系統(tǒng)一般不隨時(shí)間變化，只用空間坐標(biāo)表征。同樣的，電子線(xiàn)路只顯示時(shí)間的響應(yīng)。 CCD構(gòu)成空間和時(shí)間之間的接口，它的響應(yīng)和空間與時(shí)間量有關(guān)。CCD把二維的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換為一維的電響應(yīng)，表現(xiàn)為一個(gè)線(xiàn)性光電過(guò)程。CCD的響應(yīng)是把光能量轉(zhuǎn)換為電壓輸出。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)前面利用f→u表示時(shí)間頻率到空間頻率的轉(zhuǎn)換。這里的f就是CCD的讀出頻率。預(yù)放器、CDS和后置放大器的頻率響應(yīng)直接影響系統(tǒng)的MTF，因此應(yīng)該選擇這些器件的帶寬和噪聲指標(biāo)，盡量減小對(duì)系統(tǒng)MTF的影響。其中，fL為行頻，Nactive為每行有效像元數(shù)，Ndammy為每行無(wú)效像元數(shù)。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!采樣系統(tǒng)復(fù)習(xí)CCD是一個(gè)空間采樣的圖像傳感器，為了了解CCD在成像系統(tǒng)中的工作，有必要對(duì)采樣系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行復(fù)習(xí)。采樣定理：

頻帶為F的連續(xù)信號(hào)可用一系列離散的采樣值來(lái)表示,只要這些采樣點(diǎn)的間隔Δ≤1/2F，便可根據(jù)各采樣值完全恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)。滿(mǎn)足采樣定理的三個(gè)條件：信號(hào)必須是有限頻帶，必須以合適的速率采樣信號(hào)，和必須有一個(gè)低通可恢復(fù)濾波器。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!采樣系統(tǒng)復(fù)習(xí)為了避免CCD成像系統(tǒng)發(fā)生頻率混淆現(xiàn)象，必須在光學(xué)系統(tǒng)中采取一定的措施，如抗混淆濾光片；超過(guò)CCDNyquist頻率的空間信息一旦投影到CCD靶面，就不可避免地發(fā)生混淆。CCD后面的電子線(xiàn)路中的濾波器只能避免或降低電子學(xué)處理中的頻率混淆。降低混淆和提高Nyquist頻率MTF有時(shí)是矛盾的。在遙感中MTF常常是很難達(dá)到的指標(biāo)，因此降低混淆不是工作的重點(diǎn)。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!CCD采樣系統(tǒng)右圖是CCD空間采樣頻率剛好等于信號(hào)頻率兩倍的情況。而且相位也剛好是一個(gè)像元對(duì)應(yīng)正弦的峰頂，一個(gè)像元對(duì)應(yīng)正弦的峰谷。這時(shí)，輸出的調(diào)制度將達(dá)到最大。當(dāng)相位改變時(shí)，輸出的調(diào)制度將變小。相位對(duì)CCDMTF測(cè)量的影響是常常遇到的。行間轉(zhuǎn)移CCD幀轉(zhuǎn)移CCDCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!CCD采樣系統(tǒng)當(dāng)方波基頻與CCDNyquist頻率之比小于0.6，比如0.552時(shí)，拍頻不明顯。這時(shí)輸出能線(xiàn)性的復(fù)制輸入，但在脈沖寬度和幅度上稍微有些變化。參考“CCDArrays,CamerasandDisplays”byGeraldC.Holst1998CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!CCD傳遞函數(shù)MTFCCD當(dāng)p＝a時(shí)設(shè)CCD像元間距為p，像元尺寸為a。由CCD采樣孔徑?jīng)Q定的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFap定義為：零點(diǎn)：f＝k/aN點(diǎn)：f=1/2aCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!CCD傳遞函數(shù)MTFCCDL(u)與擴(kuò)散長(zhǎng)度(Ldiff)的關(guān)系式：擴(kuò)散長(zhǎng)度Ldiff的典型范圍在50μm和200μm之間。25℃時(shí)硅吸收系數(shù)與波長(zhǎng)和摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)。典型探測(cè)器的摻雜濃度小于10－17cm－3

ABSCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!CCD傳遞函數(shù)MTFCCD當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移效率很高時(shí)，它對(duì)CCDMTF的影響可以用下式表示：其中，NT是轉(zhuǎn)移的總電荷數(shù)，ε是電荷轉(zhuǎn)移效率。如果考慮到最近和最遠(yuǎn)的像元轉(zhuǎn)移損失的不同，可以用上式的平方根表示CTE對(duì)MTF的影響。

CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的MTF：CCD成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)MTFsystem其中而光學(xué)系統(tǒng)的MTFoptics也是由設(shè)計(jì)、加工和裝調(diào)等環(huán)節(jié)決定的：系統(tǒng)工作時(shí)還將考慮環(huán)境以及動(dòng)態(tài)等因素。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁(yè)!測(cè)試CCD成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法有很多種，如掃描法、干涉法等。參考“光學(xué)測(cè)量與象質(zhì)鑒定”作者：蘇大圖等1988CCD成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)測(cè)試在評(píng)價(jià)CCD遙感相機(jī)MTF時(shí)，上述方法都有應(yīng)用；但是在實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)時(shí)，主要采用的方法還是矩形輸入法。如果以輸入劃分，可以將MTF測(cè)量分為點(diǎn)源法、線(xiàn)源法、刃邊法、正弦輸入法和矩形輸入法等。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁(yè)!矩形輸入法MTF測(cè)試矩形目標(biāo)分劃板放置在平行光管的焦面處，模擬無(wú)窮遠(yuǎn)的景物目標(biāo)；平行光管的光軸經(jīng)過(guò)調(diào)整后與成像系統(tǒng)光軸同軸；調(diào)整目標(biāo)分劃板使目標(biāo)刻線(xiàn)與CCD水平方向垂直；目標(biāo)分劃板被積分球的出射光均勻照亮，經(jīng)平行光管及相機(jī)鏡頭成像到CCD；CCD成像系統(tǒng)輸出數(shù)字目標(biāo)圖像信號(hào)，由計(jì)算機(jī)保存、處理和計(jì)算，得到MTF曲線(xiàn)。CCD成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)測(cè)試CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)MTF測(cè)試時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：CCD成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)測(cè)試1MTF測(cè)試結(jié)果和目標(biāo)分劃板在CCD靶面上的像與CCD采樣孔徑之間的相位關(guān)系很大，測(cè)試中需要仔細(xì)調(diào)整；2Nyquist頻率處MTF測(cè)量難度較大，需要特殊注意；3目標(biāo)分劃板應(yīng)該足夠多的周期條帶，以便在產(chǎn)生拍頻時(shí)能夠找到最大值；4目標(biāo)分劃板像通常很小，應(yīng)該分區(qū)測(cè)量；5測(cè)試中應(yīng)該嚴(yán)格控制環(huán)境條件。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)MTF測(cè)試實(shí)例基本數(shù)據(jù)：CCD像元尺寸：13m；相機(jī)焦距：2.7m；平行光管焦距：13m；分劃板條紋寬度：0.0626mm；等效光學(xué)分辨率：38.5lp/mm。作為嘗試，對(duì)一些實(shí)測(cè)的調(diào)制度M做了比較，試圖發(fā)現(xiàn)點(diǎn)什么聯(lián)系。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁(yè)!M=0.016M=0.019M=0.03M=0.15M=0.20M=0.25CCD成像系統(tǒng)MTF測(cè)試實(shí)例

簡(jiǎn)單對(duì)比增強(qiáng)后的對(duì)比調(diào)制度CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量嚴(yán)格地說(shuō)，CCD成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量的好壞與用戶(hù)的要求密切相關(guān)。一臺(tái)攝像機(jī)能夠拍攝清晰的640×480的影像我們已經(jīng)很滿(mǎn)意了；但是用這樣的影像去沖洗照片就很差了。數(shù)碼相機(jī)沖洗尺寸CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的靈敏度信號(hào)鏈路對(duì)系統(tǒng)靈敏度的影響：景物輻亮度L透過(guò)率o響應(yīng)度ReCVFg0放大倍數(shù)g1輻照度電子數(shù)VADU光學(xué)系統(tǒng)CCD片上放大器CDSPGAAD轉(zhuǎn)換器VV轉(zhuǎn)換系數(shù)gadCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的靈敏度CCD成像系統(tǒng)的總輸出的數(shù)字量(單位：ADU)為：簡(jiǎn)化并改寫(xiě)上式：式中g(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)，稱(chēng)之為CCD成像系統(tǒng)增益，其單位是e-/ADU。CCD成像系統(tǒng)的靈敏度通常用增益g來(lái)表征。定義：CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益Apogee公司出售相機(jī)的數(shù)據(jù)單(部分)CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益當(dāng)假定(RC2＋OC2)為常數(shù)時(shí)，上式是一個(gè)線(xiàn)性方程，NC2(總噪聲方差)為因變量(y軸),SC(信號(hào))是自變量(x軸)，1/g為斜率，(RC2＋OC2)為截距。總噪聲NE2由讀出噪聲、霰粒噪聲和響應(yīng)非均勻性等其它噪聲構(gòu)成。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益在不同光照條件下獲取圖像，減去偏置(暗背景)；計(jì)算每幅圖像指定區(qū)域的信號(hào)和噪聲，獲取信號(hào)平均值和噪聲的方差；以信號(hào)平均值作為自變量x，噪聲的方差作為因變量y，用最小二乘法計(jì)算線(xiàn)性方程的系數(shù)a和b：y＝ax＋b系統(tǒng)增益g和讀出噪聲RC分別為：當(dāng)忽略其它噪聲的影響，即OC2＝0時(shí)，CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益響應(yīng)非均勻性的影響一個(gè)像元的響應(yīng)度比左面的像元低1%，而比右面的像元低3%。這個(gè)像元輸出100時(shí)3個(gè)像元數(shù)字信號(hào)的輸出為：101,100,103。當(dāng)這個(gè)像元輸出10,000時(shí)3個(gè)像元數(shù)字信號(hào)的輸出為：10,100,10,000,10,300。這3個(gè)像元在低信號(hào)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差是OC=2.333，而在高信號(hào)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差是OC=233.3?？梢?jiàn)，當(dāng)信號(hào)相差100倍時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差也相差100倍。(本例中k＝0.02333)(非線(xiàn)性回歸)CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益前面介紹的CCD成像系統(tǒng)增益測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單，但是也不是很穩(wěn)定和很精確。比較好的測(cè)量方法是對(duì)應(yīng)每一個(gè)光照條件，攝取兩幅圖像。計(jì)算這兩幅圖像指定區(qū)域的信號(hào)平均值；計(jì)算這兩幅圖像指定區(qū)域差圖像的方差，除以2獲得系統(tǒng)的噪聲方差。利用最小二乘法可以計(jì)算出系統(tǒng)增益。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益EOS10D和EOS20D是佳能公司的兩款準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)級(jí)的數(shù)碼相機(jī)。用它們舉例說(shuō)明系統(tǒng)增益的測(cè)量。EOS10DEOS20DCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益1.EOS20D偏置圖像,ISO400.溫度:22°C2.將6幅偏置圖像相加平均，隨機(jī)噪聲減小，突出了固定圖形噪聲。3.圖像1減去2，只剩下隨機(jī)(讀出)噪聲CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的增益EOS20D

增益g=3.14e-/ADU，讀出噪聲1.7

e-EOS10D

增益g=2.41e-/ADU，讀出噪聲6.2e-CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurve一個(gè)CCD成像系統(tǒng)光子傳遞曲線(xiàn)測(cè)量實(shí)例CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurve測(cè)量光子傳遞曲線(xiàn)應(yīng)該注意的事項(xiàng)：1測(cè)量光源入射到CCD靶面上的輻照度應(yīng)該是均勻的；2應(yīng)該使用適當(dāng)?shù)臑V光片限制光譜，或使用單色儀；3測(cè)量光源應(yīng)該能夠精密可調(diào)，測(cè)量中應(yīng)該利用標(biāo)定過(guò)的光電二極管監(jiān)測(cè)其發(fā)光強(qiáng)度；4對(duì)應(yīng)不同的光照，每次都在同樣條件下拍攝兩幅圖像，并計(jì)算差圖像；5計(jì)算信號(hào)平均值和噪聲方差(利用差圖像計(jì)算)。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurve系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍CCD滿(mǎn)阱電荷系統(tǒng)非線(xiàn)性度DR=SC飽和/σRCFW=SC飽和×gINL=(EMAX－EMIN)/SC飽和式中SC飽和是飽和時(shí)輸出的數(shù)字量；EMAX和EMIN分別是系統(tǒng)輸出與擬合直線(xiàn)之間誤差的最大和最小值。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)

PhotonTransferCurveACS的寬視場(chǎng)相機(jī)(WFC)性能測(cè)試結(jié)果，使用方法：光子傳遞曲線(xiàn)法。測(cè)試溫度：－79°C。放大器Gain="1"Gain="2"Gain="4"A1.001+/-0.0062.02+/-0.024.00+/-0.03B0.966+/-0.0051.99+/-0.023.95+/-0.03C1.021+/-0.0062.02+/-0.013.98+/-0.03D1.013+/-0.0062.00+/-0.024.03+/-0.03平均0.997+/-0.0032.008+/-0.0073.99+/-0.01對(duì)應(yīng)四個(gè)放大器的系統(tǒng)增益，單位：e-/ADUCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)增益g=1e-/ADUCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的光子傳遞曲線(xiàn)增益g=4e-/ADUCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁(yè)!CCD成像系統(tǒng)的MTF分析CCD成像系統(tǒng)時(shí)，我們注意到：光學(xué)系統(tǒng)是線(xiàn)性系統(tǒng)，CCD屬于采樣系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)是處理光信號(hào)的系統(tǒng)，CCD是處理光電信號(hào)的系統(tǒng)，從預(yù)放器到AD轉(zhuǎn)換器是處理電信號(hào)的系統(tǒng)。光學(xué)鏡頭CCD預(yù)放器CDS后置放大器AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)MTFopticsMTFCCDMTFeletronicsCCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)電子學(xué)系統(tǒng)中分析的信號(hào)是隨時(shí)間變化的，可以用一系列加權(quán)的狄拉克δ函數(shù)表示h{}vIN(t)vOUT(t)線(xiàn)性時(shí)不變CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)線(xiàn)性算子h{}，將每個(gè)輸入δ函數(shù)轉(zhuǎn)換為輸出脈沖響應(yīng)。這些脈沖響應(yīng)的和(疊加)產(chǎn)生輸出。傅立葉的卷積理論指出，兩個(gè)函數(shù)的卷積的傅立葉變換等于兩個(gè)函數(shù)變換的積。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)當(dāng)△x′,△y′→0時(shí)，變成卷積：假設(shè)輸入是點(diǎn)源稱(chēng)為系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF。輸出，CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)非相干照明、衍射受限、放大倍率為一的系統(tǒng)，物面光強(qiáng)分布i(x,y)和像面光強(qiáng)分布o(jì)(x,y)之間的關(guān)系為：o(x,y)=i(x′,y′)*h(x,y)其中h(x,y)是光強(qiáng)PSF。能夠利用卷積描述系統(tǒng)特性的條件：1.線(xiàn)性:任意兩點(diǎn)元的像是這兩點(diǎn)元單獨(dú)形成像的和；2.非相干:物面上任意點(diǎn)之間不發(fā)生干涉；3.空間不變:任意點(diǎn)成像的特性不依賴(lài)這些點(diǎn)在物面中的位置。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的物理意義：MTF是在零頻率時(shí)歸一化為1的輸出調(diào)制度與輸入調(diào)制度之比。調(diào)制度M是一個(gè)正弦信號(hào)相對(duì)于它的平均值的變化：調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：在這個(gè)意義上MTF與放大器的幅頻響應(yīng)是類(lèi)似的。表征了系統(tǒng)對(duì)各種頻率輸入的復(fù)現(xiàn)程度。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)對(duì)比度傳遞函數(shù)CTF：方波目標(biāo)的系統(tǒng)響應(yīng)是對(duì)比度傳遞函數(shù)(CTF)。引入CTF是因?yàn)闇y(cè)量上的簡(jiǎn)便。方波可以表示成無(wú)限的余弦序列。基頻為u0的CTF可以用頻率u0及其奇次諧波的MTF之和來(lái)表示：CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)下圖是方波輸入時(shí)系統(tǒng)的輸出：圖c的方波頻率大于1/3截止頻率?？梢钥闯?，輸出波形已經(jīng)十分接近正弦波形了。對(duì)于采樣系統(tǒng)，采用CTF測(cè)量MTF需要非常小心，由于常常發(fā)生頻率混淆，將很大地影響測(cè)量精度。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第67頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)光學(xué)系統(tǒng)用光學(xué)傳遞函數(shù)OTF描述，其幅值為調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)，相角為相位調(diào)制傳遞函數(shù)(PTF)。電子線(xiàn)路也可以用MTF和PTF的描述。光學(xué)的MTF和電的MTF組合產(chǎn)生電圖像系統(tǒng)的MTF。MTF是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和技術(shù)說(shuō)明的原始參數(shù)。式中f→u表示時(shí)間頻率到空間頻率的轉(zhuǎn)換。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第68頁(yè)!線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)習(xí)CCD成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF由光學(xué)系統(tǒng)、CCD和電子線(xiàn)路的MTF構(gòu)成。設(shè)計(jì)優(yōu)良的電子線(xiàn)路的傳遞函數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響很小，在系統(tǒng)分析時(shí)可以忽略，上式簡(jiǎn)化為：上式通常稱(chēng)為靜態(tài)系統(tǒng)MTF的表達(dá)式。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第69頁(yè)!采樣系統(tǒng)復(fù)習(xí)當(dāng)采樣頻率小于二倍信號(hào)最高頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生頻率混淆現(xiàn)象，發(fā)生混淆后，信號(hào)不能再恢復(fù)。下圖是采樣頻率等于4/3信號(hào)頻率的情況。利用采樣值恢復(fù)的信號(hào)不再是原來(lái)的信號(hào)，而是更低頻率的信號(hào)。原信號(hào)不可能被恢復(fù)了。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第70頁(yè)!CCD采樣系統(tǒng)CCD是一個(gè)空間采樣器件。從微觀(guān)上看，CCD在空域上是非線(xiàn)性器件，也不是空間位移不變的；但是當(dāng)從宏觀(guān)上看時(shí)，即認(rèn)為CCD像元之間的間距很小，甚至可以忽略時(shí)，可以把CCD作為線(xiàn)性空間位移不變系統(tǒng)來(lái)處理。把CCD作為線(xiàn)性空間位移不變系統(tǒng)來(lái)處理給我們帶來(lái)了很大的方便，但是有時(shí)也會(huì)帶來(lái)許多困惑。如果我們?cè)谔幚頃r(shí)不忘記CCD的特殊性，將會(huì)使我們面對(duì)問(wèn)題時(shí)能夠提出解決的方法。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第71頁(yè)!CCD采樣系統(tǒng)在使用方波圖形測(cè)量CCD成像系統(tǒng)Nyquist頻率MTF時(shí)，由于輸入方波基頻和CCDNyquist頻率不可能完全一致，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生拍頻。下圖是方波基頻與CCDNyquist頻率之比為0.952時(shí)的結(jié)果。輸出無(wú)法復(fù)制輸入。試驗(yàn)中，應(yīng)該取最大值作為試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第72頁(yè)!CCD采樣系統(tǒng)大于奈奎斯特頻率的信號(hào)會(huì)向下混淆到較低的頻率。但是，方波基頻與CCDNyquist頻率之比小于1.15時(shí)，雖然發(fā)生了頻率混淆，但是仍然可以分辨這些目標(biāo)。下圖方波基頻與CCDNyquist頻率之比為1.014。CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)評(píng)價(jià)共82頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第73頁(yè)!CCD傳遞函數(shù)MTFCCD除了CCD像元尺寸(孔徑)之外，還有電荷載流子擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移效率等因素對(duì)CCD調(diào)制傳遞函數(shù)MTF有影響。電荷載流子擴(kuò)散MTF