ccd 成像系统的增益测量方法的研究

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1、CCD成像系统的增益测量方法的研究黄煜中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033【文章】增益是CCD成像系统的一个重要参数，所谓CCD成像系统的增益是指CCD系统形成的电子数(e-)与CCD输出图像的数字量(counts)之比。由于CCD系统性能测试时只能直接得到CCD输出图像的数字量，而评价CCD系统的性能(例如读出噪声、满阱电荷等)时常常是以电子数为基本单位的，因此如何精确测量CCD系统的增益至关重要。本文提出了一种利用CCD输出图像计算CCD成像系统增益的方法。该方法不需任何辅助电

2、路，简单方便，并对计算结果进行了验证，保证了方法的可行性和精度。【关键词】增益;CCD;图像TP73A0引言CCD是空间遥感仪器的一个关键器件，很大程度上决定着空间遥感仪器的性能指标。因此在空间遥感仪器设计时，必须测定选用CCD的性能指标。然而测定CCD性能指标时通常得到的是CCD输出图像的数字量化值，该值与系统增益的设置有关，不具有通用性。为了便于性能比较，CCD性能通常采用电子数为基本单位。因此必须将CCD输出图像的数字量值转化为CCD形成的电子数值，这个转化因子即为该CCD成像系统的增益。本文首先

3、推导了CCD成像系统增益的计算方法，然后利用该方法测量了在研的某空间遥感仪器的CCD系统增益。并将计算结果与理论值进行了比较。证明了该方法的有效性。1方法推导CCD成像系统的总噪声NE2由读出噪声、散粒噪声和暗电流等其他噪声构成，各噪声源是彼此独立，所以总噪声是各噪声值得平方和。以电子数为计量的总噪声可表示为：(1)其中RE是指以电子为单位计量的CCD读出噪声；SE是指以电子为单位计量的CCD散粒噪声；OE是指以电子为单位计量的其他噪声。而CCD成像系统的增益g可以表达成以下两式：(2)(3)其中SC是

4、指以数字为单位表示的CCD信号；SE是指以电子为单位表示的CCD收集的电荷信号；NC是指CCD图像中以数字为单位计量的总噪声。联合上述3式可得：(4)变形得：(5)由上式可知，当(RC2＋OC2)是常数时，上式变成一个线性方程，CCD系统的总噪声方差NC2为因变量,CCD信号SC是自变量，增益的倒数1/g为斜率。因此利用CCD成像系统在不同入射光照射条件下输出的图像，在完成暗信号、非线性修正后，计算各幅图像一定区域的信号和噪声，得到信号平均值SC和总噪声的平方NC2；利用最小二乘法拟合线性方程：y＝ax

5、＋b(6)CCD成像系统的增益g为：(7)2实验验证某航天遥感仪器的CCD成像系统的探测器选择的英国e2v公司的CCD47-20面阵探测器，这是一款帧转移、背照明、紫外增强型CCD探测器。探测器的性能参数如表1所示。表1面阵CCD探测器性能参数为了测量该CCD成像系统的增益，利用积分球改变入射光信号的强度，采集记录CCD成像系统的输出的图像，在积分器某光强下CCD输出图像如图1所示，选定红色框内的区域为计算区域(输出数字量较均匀)，计算在各积分球信号下该区域的平均值和方差(总噪声)，图2给出了总噪声平方

6、NC2随信号平均值SC的分布曲线。图2总噪声平方NC2随信号平均值SC的分布曲线对总噪声平方NC2与信号平均值SC进行最小二乘法线性拟合结果为：NC2=0.13263*SC+11.4324(8)由式(7)的系统的增益为g=1/0.13263=7.54e-/counts。由上述方法测得该CCD成像系统的增益为7.54e-/counts，而该系统的理论增益为7.4e-/counts。所以该方法测量结果的误差为1.9%。误差主要于除散粒噪声和读出噪声外其他噪声的影响。3总结本文提出了一种CCD成像系统增益的测

7、量方法，并详细推导出了系统增益的计算公式。利用该测量方法计算出某航天遥感仪器CCD成像系统的增益，并与理论值进行了比较，表明了该增益测量方法的可行性和精度，为相关CCD成像系统增益测量提供了理论依据及参考。【