面阵CCD相机仿真系统研究

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圆幽密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文2013年5月 ResearchonAreaArrayCCDCameraSimulationSystem●■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■_____________一II_____________一ByGuogeDingADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofOpticsHefeiInstitutesofPhysicalScience，ChineseAcademyofScienceMay,2013 学位论文原创性声明郑重声明：本人呈交的学位论文《面阵CCD相机仿真系统研究》，是在导师的指导下，进行研究工作取得的成果。论文中所有数据、图片资料均真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有的著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位，本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。本人签名：I围塑日期：纽压互，I，． 致谢时光荏苒，转眼之间，研究生生活即将结束。回想在科学岛生活和学习的点点滴滴，有学习中遇到问题冥思苦想不得解决时的痛苦，也有师兄老师指导后茅塞顿开时的开心，有生活中对未来无措时的茫然，也有同学朋友劝慰后柳暗花明时的壮志踌躇。总之，我的研究生生活是充满了酸甜苦辣，有收获，也有遗憾。但是我很庆幸也很感激在这个过程中我始终不是一个人，始终有些人在陪伴着我度过生活每一天。衷心的感谢我的导师杨世植研究员，在这三年来，杨老师确：学习、工作和生活等诸多方面都给予了我极大的帮助。在学习中，杨老师学识渊博、视野宽阔、治学严谨，在我的课题研究中提出了大量宝贵意见，给予了我很大的启发；在工作上，杨老师创新性的思维和科学的工作方法使我在专业知识方面有了较大的进步；在生活中，杨老师待人亲切和蔼，凡事为他人着想，令我们如沐春风，倍感温馨。正是在杨老师的精心指导下，才使我顺利的完成了论文工作。感谢我的师兄赵强、崔生成、朱成杰、文奴，师兄们认真的学习态度给我树立了榜样，扎实的理论知识使我受益匪浅，与他们的交流与讨论常常让我受益匪浅。感谢我的师弟程伟在计算机编程方面对我帮助，在合作项目中所给予的理解和支持。感谢实验室所有的师兄弟姐妹，感谢项目组的每一位成员，他们给我创造了良好的工作氛同，同时给予我耐心的讲解和热心的帮助。感谢我的室友同学程知、张巧、陈文、方丽等在研究生期间对我的关心和帮助。在我迷茫难过的时候，是她们一起陪着我度过难关；在我开心的时候，是她们一起分享我的喜悦。最后，发自内心的感谢我的家人和男友，他们在远方一直默默的关心和鼓励着我，给予我物质和精神上的双重帮助。 面阵CCD相机仿真系统研究II 摘要随着遥感技术的进步和应用需求的不断增长，新型光学卫星遥感器的研制受到许多国家的重视，面阵CCD相机实验室仿真技术作为研究人员预研遥感器的主要方法，它为光学遥感器的优化设计及对图像质量和系统性能的评价提供了可靠有效的依据。进行计算机仿真可以大大缩短研发周期，降低费用开支，提高工作效率。因此面阵CCD相机仿真系统的研究具有重要的研究意义和广泛的应用前景。本文系统的介绍了目前国内外面阵CCD相机成像仿真技术的发展概况，分别研究了相机系统的主要组成单元，光学系统、CCD探测器系统、电子系统和噪声系统四个子系统成像过程的理论基础，并根据CCD相机的成像机理对四个子系统所具有的典型效应如离焦效应、帧转移模糊效应、AD转换、暗电流噪声等进行了建模仿真，从而建立了各个系统的调制传递函数MTF和一些噪声模型。最后分别从空域和频域两方面，采用常见的图像质量评价标准对仿真结果进行了分析。最后在VC6．0平台下利用VC++MFC对面阵CCD相机仿真系统软件进行了开发实现。它可以通过设置各个子系统一卜影响成像质量的各个参数，生成原始图像经过整个相机成像过程后的仿真图像，并对系统仿真结果进行了统计分析，实现了对面阵CCD相机仿真系统结果的分析。通过比较不同参数下的仿真结果，分析了该参数对CCD相机成像系统的影响，实验表明，该仿真系统结果与理论分析较为吻合。关键词：面阵CCD相机；仿真系统；图像质量；VC6．0III 面阵CCD相机仿真系统研究IV AbstractWiththeadvancesinremotesensingtechnologyandthegrowthinapplicationdemand，thedevelopmentofnewopticalsatelliteremotesensorattractsincreasingattentioninmanycountries．Asthemainmethodfortheresearcherstopre-designtheremotesensor，theareaarrayCCDcameralaboratoryimagingsimulationtechnologyprovidesareliableandeffectivebasisfortheoptimizationofopticalremotesensordesignandtheevaluationfortheimagingqualityandsystemperformance．Computersimulationcangreatlyshortenthedevelopmentcycle，reduceexpenses，andimproveworkefficiency．SoresearchontheareaarrayCCDcamerasimulationsystemhasanimportantsignificanceandwideapplicationpotential．Inthispaper,theareaarrayCCDcameraimagingsimulationtechnologyathomeandabroadwassystematicallyintroduced，andthetheoreticalbasisofmainelements’imagingprocessoftheCCDcamerasystemwasstudied，includingfoursubsystemsopticalsystem,CCDdetectorsystem,electronicsystemandnoisesystem．AndbasedontheimagingmechanismoftheCCDcamera，severaltypicaleffectsresultingfromfoursubsystemsweremodeledandsimulated，suchasdefocuseffect，flametransferblurringeffect，ADconversionandthedarkcurrentnoise．Thereby,themodulationtransferfunction(MTF)ofthevarioussystemsandsomeofthenoisemodelwereestablished．Finally,bythecommonimageevaluation，fromtwoaspects，time—domainandfrequency-domain，thesystemsimulationresultswereanalyzed．Atlast，theareaarrayCCDcamerasimulationsystemsoftwarewasdevelopedandimplementedinVC6．0platformusingVC++MFC．Bysettingthevarioussubsystemsparametersaffectingtheimagingqualky,thesimulationimageoftheoriginalimageaftertheimagingprocessoftheentirecamerawasgenerated，andthesimulationresultsofsystemswerestatisticalanalyzed，achievingtheintuitiveanalysistothefinalimagingresults．Bycomparingthedifferentparametersofthesimulationresults，theimpactofthisparametertoCCDcameraimagingsystemwadverified．V 面阵CCD相机仿真系统研究Experimentsshowthattheresultisgoodagreementwiththetheoreticalanalysis．Keywords：areaarrayCCDcamera；simulationsystem；imagequality；VC6．0 目录致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．HIAbstract⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ⅥI第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1选题的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2国内外研究进展及现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．3本文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．4论文的结构安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6第二章光学系统理论基础与建模仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。92．1光学成像系统理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．2衍射受限光学系统传递函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．3离焦成像系统光学传递函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．4非衍射受限光学系统传递函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯162．5渐晕效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．182．6小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19第三章探测器系统理论基础与建模仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯213．1探测器系统理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2I3．1．1电荷产生和存储过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯223．1．2电荷传输和转移过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2探测器的信号响应特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一243．3CCD像素响应的非均匀性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253．4探测器的空间采样积分特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯263．5探测器的非线性响应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一283．6相机的抖动模糊效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一283．7载流子扩散效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一29VⅡ 面阵CCD相机仿真系统研究3．8帧转移模糊效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一313．9电荷转移效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一313．10小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33第四章电子系统和噪声系统理论基础与建模仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯354．1电荷读出电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．354．2信号处理电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．364．2．1相关双采样电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．374．2．2放大滤波电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．2．3模数(AD)转换电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414．3噪声系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4l4．3．1光予散粒噪声⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4l4．3．2暗电流噪声⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．424-3．3复位和KTC噪声⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．3．4量化噪声⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．434．3．5其它噪声⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．444．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．44第五章面阵CCD相机仿真软件实现及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯455．1仿真图像质量评估方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一455．1．1频域分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯455．1．2空域分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．2面阵CCD相机仿真系统软件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯495．3面阵CCD相机仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l5．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．59第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯616．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．616．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6l参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67硕士期间发表论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69VIII 第一章绪论1．1选题的背景和意义当前，光学遥感技术已广泛应用于环境监测、天气预报、资源调查、军事侦察等领域，并在这些领域起着不可替代的作用。随着应用需求的不断提高，光学卫星遥感器正向高分辨率(包括高空问分辨率、高光谱分辨率和高辐射分辨率)的方向发展，系统的结构越来越复杂，研制的成本也愈来愈高。由于光学遥感器研发周期长，它的成功运行需要经过多方调查研究和多次的试验，耗费了大量的人力、物力和财力。因此，在光学遥感器预研阶段，模拟论证新型光学遥感器的可行性，评估遥感器的图像质量，进而优化光学遥感器系统设计，是遥感器研制部门十分关注的问题。针对这些问题，实验室仿真技术是一条可行的途径【l’2】。实验室成像仿真通常分为两种：物理仿真和计算机仿真。物理仿真是对太阳光、天空光辐照、地面场景以及大气辐射传输和光学遥感器动态获取图像的全过程在实验室进行逼真、可控的模拟；而计算机仿真方法则是利用计算机建立反映光源、大气辐射传输过程、地表特性以及光学遥感器成像过程的数学模型来实现遥感器获取图像的全虚拟数字仿真模拟方法。由于物理仿真采用的是具有真实物理特征的模型，因此模拟的图像非常的接近遥感器获得的真实图像，但是它需要的物理设施多而复杂，也就是说模拟系统的有效性和可靠性是以庞大的经济投入为代价的；而计算机仿真以其经济性、灵活性和可重复性等多方面的优点成为当前研究人员研究光学遥感成像过程的主要手段。其经济性表现在整个成像过程中建立的相关模型均是在数学基础上建立的抽象模型，而不涉及实物；灵活性表现在由于它是抽象的数学模型，因此所有影响系统成像质量的参数都能根据需要随意调整；可重复性表现在它能严格按照设计要求进行重复仿真实验，最终评价和鉴定成像系统性能。因此计算机仿真在成像仿真技术领域得到了迅速的发展。CCD相机成像系统作为光学卫星遥感成像系统的重要一部分，它的成像模型影响着整个成像系统的成像质量。CCD根据光敏元件排列方式的不同，可分为线阵CCD和面阵CCD两大类型[3】。由于前者只能接收一维光信息，需要扫描的方式才能实现二维图像的获取，同时它的速度比较慢，因此随着面阵CCD芯 面阵CCD相机仿真系统研究片技术的高速提高以及成本的不断降低，面阵CCD器件的应用日益平民化，目前面阵CCD相机已广泛应用于遥感，监控，车载，智能交通等领域。开展面阵CCD相机仿真系统研究，可以方便快捷地得到不同参数配置下的CCD相机设计结果，直观的分析和评测那些制约遥感图像质量的内外界因素的影响和作用机制，从而应用到成像系统设计、遥感任务预测、图像质量评估等许多领域，是一种经济、高效的设计手段。1．2国内外研究进展及现状国外对光学遥感成像仿真技术的研究起步较早，技术较为成熟，并且开展的研究也具有系统性、完整性。从20世纪中期开始，仿真技术就已经受到许多国家研究人员的重视。但是当时计算机技术才．冈0刚起步，因此物理仿真成为主要的仿真技术。在当时美国亚利桑那大学光学中心就对遥感器仿真表示了极大的兴趣并投入大量的精力，建立了世界一I：第一个航空航天遥感器物理仿真系统。随后，从20世纪60至90年代，随着美国多颗地球环境探测卫星的发射，获取了大量的地表、大气和地球环境数据，国内外许多科学家开始利用这些数据建立相关的地物模型，从而为遥感成像模拟仿真提供了坚实的基础。20世纪90年代以来，计算机技术和遥感技术得到了迅速的发展，遥感成像模拟仿真技术也有了新进展，计算机成像仿真技术逐渐代替物理仿真技术，并且市场上也逐渐出现了成熟的遥感成像仿真系统软件【4】。2001年，德国宇航中心开发了针对高光谱成像仪的仿真软件SENSOR，它己成功应用于欧空局的APEX(AirborneImagingSpectrometer)项目[5,61。该软件是一个多模块集成的软件平台，它首次实现了全链路的模拟仿真。SENSOR软件系统是由三个模块串联实现的：一是光线追踪模块。它主要是利用光线追踪的方法通过给出的太阳高度角、方位角和数字高程模型数据(DEM)等参数来确定目标、太阳和成像系统之间的几何位置关系；二是辐射传输模块。它将第一个模块得到的结果作为输入，通过调用大气参数表和地表各种地物谱数据，最终计算出到达传感器入瞳处的辐亮度：三是传感器特性模拟模块(即相机模拟模块)。它通过建模光电系统成像链，根据传感器参数，计算出入瞳辐亮度图像经过传感器成像系统后的仿真图像。SENSOR仿真软件系统在仿真过程中把传感器系统模2 第一章绪论块分为光学系统和电学系统两部分，并建立相应的噪声模型，从而模拟出传感器图像。仿真过程中主要考虑了光学和探测器的调制传递函数，以及每个波段的光谱响应函数，光学透过率、光学孔径，光子噪声，量子效率，光电响应的不均匀性，AD转换等因素对传感器系统的影响。美国罗彻斯特技术研究所在成像仿真方面也做了人量的研究，并开发了数字成像与遥感成像仿真软件DIRSIGt7’8]。该软件所用的模型分为场景集合体、射线追踪、辐射传输、探测器等几个子模型。它主要应用于成像光谱仪参数性能评估、数据处理算法测试等方面。传感器模型主要从焦平面和平台两部分来描述它的特性。Multigen．Paradigm公司开发了视景和传感器仿真工具包SensorVision‘91。它使用少量参数的简化传感器模型满足了实时动态显示的目的，是一个实时、定量的传感器图像可视化工具包。SensorVision主要包括两个数据库构造工具MAT和TMM，MAT工具用来定义各种属性，如地理位置、大气条件、地面温度等，用户输入各种参数后，MAT根据内置的数学模型进行量化。TMM工具是纹理贴图工具，它将纹理赋予相应的纹理属性。SensorVision工具包主要模拟了传感器的位置和姿态。此外，还有法国的SEISMtl0】，德国航空航天研究院开发的光电仪器性能分析软件SENSAT【11】，法国OKTAL公司开发的商业仿真软件SE．WorkBenchⅢ31等。由于这些软件应用的场景各不相同，因此对传感器仿真模块考虑的侧重点也不同。相对于国外已经成型的商用模拟软件，国内全链路仿真工作起步较晚，中科院长春光机所、安徽光机所、北京空问机电研究所、中科院遥感所、中国资源卫星应用中心等研究机构对于遥感器仿真均做了相应的研究和工程实现，但是由于各研制单位的技术积累不同，因此研究的方向也不相同。中科院长春光机所开发的遥感成像仿真软件RSISl．0t14]，与国内其他仿真软件相比，是一个比较完整的软件，它除了考虑三维场景、人气辐射传输等一些基本数学建模问题之外，还考虑到了遥感图像光谱和空问信息传递特性等传感器系统综合响应的数学建模问题。它依据图像信号的响应特性将整个成像过程分为两 血阵CCD相机仿真系统研究个成像链，一条是不包含空间响应特性的信号传输链，它描述的是信号的衰减和光谱响应特性，如光学透过率、探测器的光谱响应、传感器内部的一些噪声等；另一条是表达各个环节空间响应特性的MTF链，它描述的是信号发生的空间频率响应，如探测器的空间采样积分等。安徽光机所开发了光学遥感图像仿真软件ORSISt”】，该软件由地面景观光学特性仿真模块、大气辐射传输仿真模块和传感器仿真模块三个模块组成，可对多种光学遥感器进行端．端的模拟。其中传感器仿真模块所用模型比较简单，而且对于同样影响系统成像质量的电子线路和信号处理部分并未考虑。中国测绘科学研究院叶泽田等人在利用高光谱／超光谱数据进行遥感图像仿真并将遥感仿真图像应用于不同传感器光谱性能分析方面做了大量的研究【161。中国空问技术研究院508所也深入开展了遥感成像仿真和评价方面的研究工作，并获得了一系列的科研成果。从总体上看，目前国内的研究工作主要集中在遥感成像前段过程的可视化仿真方面，也就是从目标场景到传感器入瞳处的这一段，而关于传感器的仿真研究工作比较少。1．3本文的主要研究内容本文以面阵CCD相机为研究对象，从它的成像原理出发，重点研究成像过程中影响成像质量的各种物理效应，采用调制传递函数(MTF)的方法，按照成像的物理过程(光学系统．探测器系统．电子系统)对其中的关键效应，如光学系统离焦效应、探测器系统帧转移模糊效应、电子系统AD转换、暗电流噪声等建立了数学模型，并通过得到的MTF曲线图分析了该效应对成像系统的影响。在此基础上，研究了面阵CCD相机仿真系统的软件实现，采用结构化程序设计的思想利用VC++6．0MFC编写程序，完成了各种效应的仿真，并用真实的遥感图像作为输入验证了各种效应对仿真系统的影响，同时对系统仿真结果进行了分析和客观的评价。面阵CCD相机仿真系统主要包括成像过程仿真模块和仿真结果分析模块两个模块。其中，面阵CCD相机成像过程仿真模块框架图如图1．1所不： 第一章绪论．．．．．一I．．．．．．．．．-J图1．1曲阵CCD卡H机成像过程仿真框架图面阵CCD相机成像过程仿真模块主要完成四大结构模块光学系统、探测器系统、电子系统和噪声系统的仿真功能。它采用空域和频域相结合的方法，按照CCD相机成像原理对四大结构模块中的信号响应、空间传递特性以及影响成像质量的关键效应进行建模仿真。频域仿真主要是建立各个单元的调制传递函数，对图像作傅里叶变换转换到频域进行处理；而空域仿真主要是对系统的一些噪声或非线性效应建立数学模型。面阵CCD相机仿真结果分析模块框架图如图1．2所示：仿真结果分析模块主要完成仿真图像的质量评价工作。它从空域和频域两个AD转换电路相关双采样电路高通滤波效应低通滤波效应I噪声系统电荷转移效率帧转移模糊效应载流子扩散效应像素响应非线性像素响应非均匀性探测器信号响应光学系统渐晕效应光学系统离焦效应非衍射限光学系统衍射限光学系统 血阵CCD相机仿真系统研究方面对仿真结果进行客观和主观分析。守域分析主要是根据仿真前后的图像灰度值变化进行统计、比较；频域分析丰要是作图像的傅里叶变换，并对频谱作能量分析；客观分析主要是通过图像质量评价准则来对仿真结果进行分析；主观分析则是直接根据人类视觉来分析仿真结果。1．4论文的结构安排图1．2面阵CCD相机仿真结果分析框架图根据论文研究的主要内容，本文共分为入章：第一章为引言部分。本章论述了本项研究的选题背景和选题意义，并对国内外的研究现状进行了总结，最后阐述了论文的主要内容，构思了论文的总体框架。第二章是对光学成像系统的研究。本章详细的介绍了光学系统成像过程的理论基础，同时建立了相应的数学模型，并对影响光学系统成像质量的关键因素，结合相对应的MTF曲线进行了探讨和分析。第三章是对面阵CCD探测器系统的研究。根据面阵CCD探测器系统的成像原理介绍了光电转换过程、电荷存储过程以及电荷转移过程，探讨了影响探测器系统成像性能的关键因素的形成机理，并建立相关模型，最后对相应的MTF曲线进行了分析。第四章是对电了系统和噪声系统的研究。本章首先介绍了面阵CCD成像系统的最后一个过程～电子系统，并对其中的电荷读出电路和信号处理电路进行了分析建模。同时本章也阐述了各种噪声的产生机理，并建立了相应的噪声模型。第五章是对仿真软件的介绍以及对仿真结果的分析。本章探讨了评价CCD相机仿真图像质量的方法，详细介绍了面阵CCD相机仿真系统软件，并对仿真结果 第一章绪论进行了分析。第六章为结论和展望部分。本章总结了全文所做的T作及得出的结论。最后对下一步的工作设想进行了展望。 面阵CCD相机仿真系统研究8 第-章光学系统理论基础与建模仿真第二章光学系统理论基础与建模仿真面阵CCD相机光学系统由一系列的光学元件如透镜、滤光片、棱镜、光阑、反射镜等组合而成，它能以最小的损失、尽最大可能将目标辐射通量聚焦到探测器上。本章主要介绍光学系统的成像原理，并对影响光学系统成像质量的关键因素进行分析建模，得到相应的MTF函数。由于彳i同类型的面阵CCD相机，光学系统的组成不同，影响成像质量的凶素所占的主导地位不同，所建的模型也不同。鉴于此，在实际建模过程中，整个复杂的光学系统可以看成是一个理想的无像差光学系统再加上由光学元件或者外界对其造成的影响。本章主要对一些普遍存在的效应，如离焦效应等进行了建模仿真。2．1光学成像系统理论基础先考虑一个简单的薄透镜成像系统‘171，如图2．1所示，透镜焦距为厂，假定系统满足傍轴条件，即观察平面(像面)与孔径平面(透镜)之间的距离远远大于孔径。在实际的光学成像系统中，一般均满足傍轴条件。物面(‰，Y。)透镜(毒，，7)像面(誓，Yi)图2．1透镜成像简矧假设紧靠物面后的复振幅分布为‰(‰，儿)。物体放在透镜前哦处，沿光波传播方向，物面到透镜前满足菲涅尔衍射，凶此运用菲涅尔衍射公式，计算得到紧靠透镜前的复振幅分布。然后光波透过薄透镜，经其位相调制作用，添加一个位相偏移。光波从透镜后传播距离di到像面同样满足菲涅尔衍射，将得到的透镜后复振幅分布再次运用菲涅尔衍射公式，最终得到像面上的平面场分布 血阵CCD相机仿真系统研究Ui【一，咒J：‰∽=赤exp[，．耐k蕾2啪]』』j--30』砜(诎飚咖eXp[／jk‘石1+虿1一声(孝2+，72)]exp[J2-去o(Xo+圬)】×(2_1)eXp[一／若(柑M恻一尝(咿聊黻。喇咖其中P(考，17)为透镜的光瞳函数，七：军为波数。假定点物产生的响应是一个很小的像斑，且观察平而与透镜的距离谚满足以下关系-专』=0dof一(2-2)——+——一一=IZ-Z)di、一则公式(2一1)可以简化为公式(2—3)％川=去『『伽啪∥沁卅／东c咿删‰毗}×尸(考，，7)exp【一／{竺}(．t考+咒叩)]d善d77／Ld=志』』刀蹦Ⅶ))(细，×P(锄)eXp【一／若(增¨棚蜊叩(2-3)式(2．3)表明薄透镜成像过程实际上经历了两次傅里叶变换，即首先对物面上的复振幅分布‰(Xo，％)作傅里叶变换，然后再对其与光瞳函数的乘积作傅里叶变换。由于光瞳(透镜)有限大小的限制，物的频率成分在传递过程中将会有所损失。在实际情况下，任意的光学成像系统都可以分为三部分，即物平面到入瞳、入瞳到出瞳和出瞳到像平面，如图2．2所示。入瞳和出瞳是指系统限制光束I拘；fL径光阑在物像空间的几何像。光波在第一和第三部分内的传播可按菲涅尔衍射处理，而成像系统的第二部分是一‘个复杂的系统，也是核心部分，它由一系列的透镜和其它光学元件组成，可以看作是一个“黑箱”。因此只要能够确定“黑箱”两端的边端性质，整个系统的性质也就确定下来，而其内部结构就不必考究。对于实际的成像系统，这一‘边端性质千差万别，但总可以分为两类：衍射受限系统和有像荠系统。 第_章光学系统理论基础与建模仿真物平面入瞳出瞳像平面OTF(OpticalTransformFunction)为‘181。毗川=世≮端掣仁4，其中P+(毒，，7)为光瞳函数的共轭，对公式(2-4)作简单的变换考：H__1，，，一／．2dlifv．(2-5)哪仆坐型麒一亿6， 面阵CCD相机仿真系统研究其中d。代表出瞳到像平面的距离，事实上，衍射受限系统和像差系统的主要区别就在于光瞳函数的不同。2．2衍射受限光学系统传递函数理想光学成像系统中，光瞳函数只有1和0两个值，也就是在出瞳内为1，出瞳外为0。在实际应用中，主要是圆形光瞳函数，即嘶)=托蛊黧p7，分析式(2．6)，得到OTF的几何意义。式中分母为光瞳的总面积氐，分子代表中心位于(一半，一竿产光瞳与中心位于(竽，竽]的光瞳的重叠面积s(正，‘)，"求OrFo只不过是计算归一化的重叠面积，即吲川=掣陋8，光瞳重叠面积取决于两个错开的光瞳的相对位置，也就是与空间频率有关。从公式(2—8)也可以看到，衍射受限非相干成像系统光学传递函数实际上是一个非负的实函数，因此非相干成像系统改变的只是各频率分量的对比度，而它们的相位并不发生改变，即只需考虑MTF，不必考虑PTF。因此，计算(2—8)公式得到任意方向．E的调制传递函数MTF为MrFo(Z，0)=扣。甜鲁(2-9)其中六，工分别为水平方向和垂直方向的空间频率，单位为lp／mm，五为系统的截止频率，fo：iD，D为光瞳有效孔径。由傅里叶变换的可分性可以得到／L，衍射限光学系统传递函数为MTFo(f，，工)=帆(六，0)-M矾(o，工)(2-lo)兀．<一。他￡苴一1__l__●I●●l_II-_____J 2．3离焦或像系统光学传递函数在实际的光学成像系统中，理想焦平面。如图2·4所示，．焦平面会偏离但是实际上{象面一一一一一一一椰辨从删袱洲孵桫删渺形：奏渺删肛～妒渺辫椰测桫一一一一一一一删嬲粼㈣粼㈥揪．删憋{|蠹㈣㈣徽㈣硝㈧铹逑能伪币．黼，时想。焦理超设 面阵CCD相机仿真系统研究偏离了△距离，即为过P’．点的平面，这种现象称为离焦。此时本应该向P。点会聚的球面波‰，由于像差的影响变为向P1j点会聚的球面波COl，因而在离焦像面上产生了离焦像‘挣】。———Lw．一八p．出瞳≮理想实际像面像而Ar。·7；1二图2—4离焦系统的波像差事实上，离焦产生的像差可以看作是光瞳的作用。当系统存在波前偏差时，我们可以设想照射出射光瞳的仍是一个理想球面波，但是在孔径内加了一个移相板，从而使波前在出射光瞳处发生变形。因此，有像差光学系统的光瞳函数可以用一个有位相偏差的圆形光瞳函数表示：P(xM：P卜!+1’2)坨出瞳内(2．11)，y)={∥出睡州(2．0出瞳外式(2．11)中s表征离焦的程度，且占：÷一÷≈会(2-12)仁虿一百≈虿假设圆形光瞳直径为。，则最大光程差为既=j【了D)2：等。因此，离焦量s为s=萨8W(2-13)将式(2．11)带入衍射受限非相干成像成像系统的光学传递函数(2．6)中，由于圆的对称性，只需计算六方向即可，即，，=O，得到六方向上的传递函数为14 第二章光学系统理论基础与建模仿真。姒咿丽1旷∽铷1七-铷2一(2114)2而1面盯ei2k矗difxx出方中心在(尘芋，。)，另‘‘个中心在(一尘芋，。)，它们的重叠面积如图2-5中阴影面积所示：厂、．L．．髟≮。；产oj／。j×f＼o7。‘。4／≥．}‘S．’．1／6=0．2‘a／。／6：0．3+a203040空问频率取)／(Ip／mm)图3．5不同抖动量下的MTF曲线分布图图3．5表示在不同抖动量，即0．1个像元、O．2个像元和0．3个像元下的MTF曲线。a表示像元水平方向尺寸。从图中可以看到抖动量越大，MTF越小，即图像模糊越严重。相机的抖动效应降低了系统的成像质量，在仿真过程中也可以在空域利用加权区域平均来模拟。3．7载流子扩散效应造成载流子扩散的原因是多方面的，主要包括三个：(1)大部分光生载流子是在耗尽区生成的，然后被CCD势阱完全捕获，但是实际上也有部分光生载流子 面阵CCD相机仿真系统研究是在势阱外生成的，在进入势阱内的过程中，载流子发生自由扩散；(2)对于像元边界区域的电荷，它也会被相邻像元势阱捕获产生载流子扩散；(3)当光强比较强或曝光时间比较长时，像元势阱达到饱和，多余的电子也会溢出从而扩散到相邻像元中。载流子扩散作用使得仿真系统产生串音干扰，造成图像模糊∞1。可以通过一个调制传递函数来描述载流子扩散过程，如公式(3．15)所示1一』二MrFo=j等(3-15)1一：1+aLo其中d为表面耗尽区宽度，口为光吸收系数，它是波长的函数，厶为扩散长度，也就是两电极之间的长度。L为空间频率的函数；去：去+2石／(3-16)L2露⋯吖从公式(3．16)qh也可以看出载流子扩散效应MTF函数与吸收系数，耗尽层宽度，扩散长度以及空间频率等因素有关。其中吸收系数和耗尽层宽度对MTF的影响最大。图3．6为光吸收系数分别为O．99，0．9，0．8时水平方向上载流子扩散产生的MTF曲线分布图。10．995O．990．985一I．I-0．98至0．9750．970．9650．96Fi司‘厂．i／u=呻{∑Zl!la=0．8e{，t?1j|＼、彭．|jf／：一＼●．／～!夕；102030405060空间频率fx／(Iplmm)图3．6载流子扩散MTF分布 第三章探测器系统理论基础与建模仿真从图3．6可以看到，MTF值随着吸收系数的下降而下降，随着空间频率的上升而下降，因此它对图像的高频部分起滤波作用。当吸收系数比较大时，MTF曲线在零频处值最大，整体比较平滑，对仿真图像造成的影响不大。3．8帧转移模糊效应由于帧转移型面阵CCD成像区和储存区是分离的，因此在曝光时间内成像区产生的电荷向储存区转移需要一定的时间，即帧转移周期。对于使用电子快门的帧转移型面阵CCD相机而言，在帧转移过程中，还没有移入储存区的像元电荷继续受到相应位置处入射光的照射，从而产生新的电荷叠加在正在转移的电荷上，使曝光时间内收集的电荷受到污染，造成帧转移模糊。电荷逐行转移，后转移的像元电荷由于接受新的入射光照射的时间较长，受到的污染也较严重口41。帧转移模糊程度与帧转移周期和曝光时间有关，可以定义：帧转移模糊度=(帧转移周期／曝光周期)×100％。对于特定的相机而言，帧转移周期是固定不变的，即帧转移模糊度与曝光时间成反比，曝光时间越短，模糊越大。在仿真过程中建立如下数学模型，假定曝光结束后帧转移之前的“理想”图像，即输入场景图像为x∥帧转移之后得到的模糊图像为￡，则它们之间的关系如下式：S。，=X，，(1≤u，≤N)(3-17)式中毛为第i俪列的像元灰度值；互为曝光时间，单位为ms；卢为帧转移模糊系数；五是帧转移周期，单位为ms；M是图像的行数：N为图像的列数。3．9电荷转移效率电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。它描述了电荷从一个势阱转移到下一个势阱的不完伞性。在CCD@，Q为一个电极下的信号电荷量，Q1为转移到下一个电极下的信号电荷量，则转移效率叼为：Ⅳ<一MXpH∑川”半=＆卢 面阵CCD相机仿真系统研究"：盟(3—18)Qo在理想情况下r／应等于1，但实际上由于界而态及Si表面缺陷等因素的影响，电荷包的转移并不完全，每一次都会残留一些电荷，这些残留电荷累加在新转移过来的电荷包中，开始新的转移过程，并且不同的CCD像元残留电荷的量不同，因此转移效率总是小于1的。由于后转移的电荷拥有前面转移电荷的残留电荷，因此图像会出现模糊，并且下半部分的图像亮度要比上半部分图像亮吲。假设图像大小为MXN，那么存储区的电荷完全转移就需要M次。第n次转移时，假设转移前ccD存储区域电荷数为XU，转移后电荷数为氐，转移出存储区到达转移栅上的电荷为毛，转移效率为仉，W之l"l']Zf．q关系如下式：Tq=xLj飞j毛=五哪·‰)，+K-(1一％)So=蜀·1-7／F)(1≤J≤N)(1≤i≤M一，2，1≤／≤N)(3—19)(i=M-n+l，1≤／≤N)第12次转移后，第一行的电荷转移到转移栅，而第二行的电荷转移到第一行，以此类推，由于M．n+1行电荷为转移后的残留电荷，而后还要经过n次转移，因此最终残留的电荷量非常小，可近似为零。将S。赋给x∥然后进行下一次转移，即胲Inn+&l(『1黧Mi协K芦州B2。，=(≤n≤)、’重复公式(3-19)(3-20)，直至存储区电荷伞部转移出去。其中S为转移后存储区i行j列的电荷数，玛为转移前存储区i俪列的电荷数，L为转移到转移栅上的场景图像i行j列的电荷数，1"／i为存储区i行j列的转移效率。在仿真过程中，取转移效率刁i为：％2，7+岛(3—21)其中毒(f)服从正态分布，，7为平均转移效率，可以通过CCD器件手册得到。 第三章探测器系统理论基础与建模仿真3．10小结本章主要完成了CCD探测器系统成像模型的建立。首先分别从电荷的产生、存储、传输和转移详细介绍了CCD探测器的T作过程：然后重点对其T作过程中普遍存在的物理效应进行了分析和建模，如探测器的空间采样积分效应、抖动模糊效应、载流子扩散效应、像元响应的非线性和非均匀性等；最后分析了相应的MTF曲线分布。可以知道，其综合作用效果为低通滤波器，使图像的高频部分损失，即细节减少。 面阵CCD相机仿真系统研究34 第四章电子系统与噪声系统理论基础与建模仿真第四章电子系统和噪声系统理论基础与建模仿真电子系统也是面阵CCD相机成像过程的重要一部分，它主要是将探测器收集到的电荷信号转换成电压或电流信号，经过缓冲放大后进入信号处理电路，最终得到仿真图像。也就是说电子系统实际上包括两部分，即电荷读出电路和信号处理电路。同时，在整个成像系统中还存在各类噪声，这些噪声的存在影响着成像的质量，尤其是在微弱目标情况下。本章将首先介绍电荷读出电路的原理，然后对信号处理电路中的主要技术，相关双采样技术和AD转换技术进行详细分析建模，并对电子系统中的滤波电路用通用的滤波模型进行仿真，最后探讨了面阵CCD相机中存在的主要噪声的产生机理，并建立了相应的数学模型。4．1电荷读出电路电荷检测是完成电荷信号到电压或电流信号的线性转换。目前CCD的输出方式常用的主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅极放大器输出三种方式[21,35]。电流输出电路主要包含一个场效应管和一个二极管，二极管处于反偏状态，相当于一个势阱，电荷累积在此势阱中。通过控制场效应管上的脉冲电压来实现二极管中电荷的复位。电流输出过程为首先将电荷复位，即将二极管中的残留电荷清除。当复位结束后，开始一一个新的读出周期，在此期间从CCD中转移出来的电荷进入到二极管从而产生电流，而电流的大小与注入二极管中的信号电荷量成正比，与电阻成反比。浮置栅极放大器输出方式是-‘种非破坏方式。检测电极与信号电荷转移沟道上面的浮置栅相连，通过检测浮置栅上的电势变化来达到检测信号电荷量的目的，而当检测完毕后，可保存之前的信号电荷继续在转移沟道中进行转移，从而实现了信号电荷的非破坏性。由于不是每一个信号电荷都进行复位的动作，因此浮置栅极放大器输出电路中是不需要复位电路的，但是需要时间来稳定检测电极的电压。这种输出方式常适用于延迟元件、滤波器等。相比于浮置栅极放大器输出方式，浮置扩散放大器的效率要高一点。它的检 面阵CCD相机仿真系统研究测电极是与信号电荷转移沟道的栅极直接相连的，信号电荷进入电容中，通过电容的充放电来检测栅极上的电压变化。因此，浮置扩散放大器输出方式属于破坏性方式，同时由于电容中有残留电荷，电路中需要有复位电路。目前比较常用的电荷检测电路为浮置扩散放大器FDA(FloatingDiffusionAmplifier)输出法，又称为选通电荷积分器法。它的电荷读出电路如图4．1所示，图4．1浮置扩散放大器读出电路当复位脉冲到来时，即为高电平时，场效应管导通，二极管反偏(高电阻状态)，对结电容C充电达到一个固定的直流电平V0c，此时源极跟随器T2也为导通状态，由于T2占有一个导通电压，因此输出电压Vo。被复位到一个略低于Voc的电平上，然后准备接收电荷包。随着复位脉冲的结束，T1进入截止状态，在时钟信号①，为低电平时，信号电荷进入C，使A点的电压下降，其下降幅度与进入的信号电荷量成正比。相应的，T2的输出电平Vo。也随着下降，其下降幅度才是真正的信号电压，即△y=告(4-1)其中Q为电荷包大小，C是与浮置扩散区有关的总电容。电压与信号电荷大小成线性关系。4．2信号处理电路由于信号电荷经过读出电路得到的是连续的电压／电流模拟信号，凶此必须经过信号处理电路进行模数转换。在实际成像时，尤其是在照度比较弱的情况下，由于输出信号中混有的时钟干扰幅度可能比信号幅度大的多，因此抑制时钟干扰 第四章电子系统与噪声系统理论基础与建模仿真的影响是提高图像质量必须要解决的问题。此外，当图像对比度较小的时候，CCD输出信号较弱，这时还要减少CCD内部噪声的影响。因此在进行模数转换之前必须对信号进行相关双采样，提取出代表图像信息的模拟信号，再根据实际情况进行放大，最终量化为数字信号供后续处理。面阵CCD相机信号处理电路结构图如图4．2所示：4．2．1相关双采样电路图4．2信号处理电路结构图相关双采样电路是CCD相机信号处理电路的一个重要模块。它可以实现直流恢复，使信号的动态范围与模数AD转换电路的量化范围保持一致，使信号处理电路具有的动态范围最大化，同时可以消除KTC噪声、白噪声等，提高图像质量。相关双采样电路如图4．3所示m】：VINVOUT图4．3相关双泶样电路输入端V★为电荷读出电路的输出。S／H为采样保持器，用于采集信号电平。VR既。T和VvALD分别为复位脉冲(预采样保持脉冲)和读出信号脉冲(数据采样脉冲)，控制得到电路中复位之后的噪声信号和实际的电荷信号。相关双采样原理是利用两个采样保持脉冲，预采样保持脉冲和数据采样脉冲，在一个像素读出周期内，先后进行两次采样。当预采样保持脉冲到米时，采集读卜H电路中复位脉冲结束之后信号电荷未到之前的输出电平，即噪声信号；当数据采样脉冲到来时，对电荷包和噪声的累加信号进行采样保持。最后经过差分比较器对两次采集到的 面阵CCD相机仿真系统研究信号做差值即为真正的图像信号。相关双采样电路实现形式有很多种，如双相关采样法，双斜积分法，微分采样法等，它们的原理基本相同，但是适用于不同的场合，主要表现在对复位噪声的抑制作用。下面主要仿真一种最简单的双相关采样电路，这种电路不具有低通滤波特性，因此尤其在信号比较弱的情况下，必须在它之前加一级低通滤波器来限制白噪声带宽。相关双采样电路实际上是两个不同时刻的脉冲对信号的采样，假设两次采样的时t'日-J间隔为&，因此时域函数可以近似为∽】厂o)=6(f+丢△f)一6Q一丢△f)(4-2)将厂(f)从时域转换到频域，由于电子线路所传递的信号是时域信号，因此在做频谱变换时卷积积分是单侧的，即对厂(f)应该做拉普拉斯变换而不是傅里叶变化，对公式(4—2)做变换得到F(s)=If(t)e-5'dt=l—P缸5(4-3)对于相关双采样电路的前置滤波器，设其传递函数为耶)2志(4-4)因此，相关双采样电路的传输函数为公式(4—3)与公式(4—4)的乘积，即踯)=羔(4-5)其中coo为差分放大器的带宽。／4(s)为复函数，令S=jco，对其求幅值，即为MTF函数MrF(ro)=(4-6)在低频部分，sin部分可以近似为。掣)≈半(4-7)sin(_■)≈—_可以知道在低频时，MTF随着频率的降低而降低；在高频部分，MTF随着频率的升高而降低，因此相关双采样电路具有带通滤波作用。由于电子系统中的 第四章电．了系统与噪声系统理论基础与建模仿真时域频率和角空间频率是两个不同的概念，因此各!实际仿真过程中，必须将两者进行转换，其变换关系的基本公式为郾]CO=矿(4-8)其中国为时域频率，／为角空问频率，v为扫描角速度，对于不同成像方式，1，是不同的。4．2．2放大滤波电路CCD探测器输出的电信号是相当微弱的，而且在CCD成像系统中可能存在各类噪声，如暗电流噪声、复位噪声、自噪声等，为了提取出有用的信息，必须对信号进行放大滤波，因此电子系统中也存在各种滤波电路和放大电路。我们通常以高通、低通滤波器来模拟这些电路[38,39】。在仿真过程中，低通滤波电路在空间频率域的传递函数采用通用的模型，如式(4-9)所示呱w2而H。9’高通滤波电路在空间频率域的传递函数也采用通用的模型，如式(4．10)所示MTFhjgh=商％件㈣其中五为空间频率域的截止频率。由于滤波器要传递的是图像信号，需要选择合适的带宽。对于低通滤波器，若带宽比较窄，则图像会丢失大量的图像细节，变得模糊。若带宽比较宽，则虽然保留了图像细节，但是相应的会伴有大量的噪声，降低图像的性噪比；对于高通滤波器，它主要滤除电子线路中存在的一些高频噪声。取低通和高通滤波电路的截止频率分别为1000p／mm)$fl20(1p／mm)，则对应的MTF分布曲线分别如图4．4和图4．5所示：从图中可以看到，该滤波器相当于一个带通滤波器，它滤除了图像的部分高频和低频噪声，从而提高图像质量。 面阵CCD相机仿真系统研究10．950．90．85贫0．8u_卜-乏O．750．7O．65O．60．55、。＼＼k＼k＼、＼020406080100120140守间频率／(Ip／mm)图4．4低通滤波电路I／一／J．?l／l～l／020406080100120140空间频率／(Ip／mm)图4．5高通滤波电路1987654321O0O0O一釜匕_L： 第四章电子系统与噪声系统理论基础与建模仿真4．2．3模数(AD)转换电路面阵CCD相机成像系统中经过采样放大滤波后的最后一次变换是AD转换，也就是将模拟信号转换为数字信号，它是信号处理电路重要的一个环节，其转换精度影响着图像的分辨率，其消噪效果影响着图像的质量。假设输入模拟信号为¨。，对应的输出数字信号为圪，则AD转换过程可以用通用公式(4．11)表示‘401圪=差(4-11)其中Vm。表示AD转换器的参考电平．f：限，Vmi。表示AD转换器的参考电平下限，bits表示AD转换的位数。由公式(4．11)可以得到AD转换电路的传输函数为肚毒=壶件·2，K。‰。、一％i。、。由于AD转换后数据精度的缺失，图像可能会产生模糊，bits位数越小，图像模糊越严重。4．3噪声系统CCD相机在成像过程中不可避免的会受到各种噪声和干扰的影响，导致图像质量降低，这些噪声主要体现在CCD探测器及后继的信号检测和信号处理电路中。在成像系统中考虑四类噪声，光子散粒噪声、暗电流噪声、复位／KTC噪声和量化噪声。下面我们分析以上四类噪声的成像机理和特性⋯’42删。4．3．1光子散粒噪声光注入CCD相机光敏面产生信号电荷的过程是随机过程，即在一定的入射光照下，单位时间内光产生的信号电荷数日并不是绝对不变的，而是在某一平均值上下起伏，该光电子数的起伏形成光电子散粒噪声。散粒噪声的一个重要性质是与信号频率无关，即在很宽的频率范围内功率分布均匀，是一个平坦的频谱图。 面阵CCD相机仿真系统研究散粒噪声是由于载流子的突然出现和消失而产生的，因此散粒噪声直接依赖于电流。光子散粒噪声的等效电荷数ⅣP为ⅣJ：‘(4．13)其中一n为观察的时问间隔内产生的电荷数平均值。由公式(4．13)N-ffJ见，光子散粒噪声是与信号相关的，它与信号总电荷数的平方根成正比。它是CCD相机所固有的噪声。4．3．2暗电流噪声暗电流噪声也是一个随机过程。在正常工作的情况下，MOS电容处于未饱和的非平衡态。然而随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋于平衡。因此，即使没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，耗尽势阱也会被内部产生的电荷逐渐添满，称为暗电流。暗电流是大多数器件所共有的特性，是判断一个器件好坏的重要标准，尤其是暗电流在整个成像区域不均匀时更是如此。CCD器件的暗电流主要来源于半导体衬底的热产生，耗尽层内的热产生和界面态的热产生。局部缺陷是暗电流产生和不均匀性的主要原因，不均匀性即CCD各单元的暗电流大小不一致，在CCD中的表现形式为固定图像干扰。同时，暗电流大小随着温度的上升或降低，按照指数上升或降低。在面阵CCD相机中，它是影响CCD动态范围下限的重要因素。根据暗电流统计‘特性，可以知道，类似于光子散粒噪声，暗电流噪声也遵守Poison分布，近似等于图像曝光时间内所生成热电荷数量的平方根，即M：石(4—14)因此光信号电荷的积累时间越长，影响越大。因此选择合适的积分时间可以减小暗电流噪声，使除了个别单元出现暗电流尖峰之外，整个器件的唁电流很小，也较为均匀。42 第四章电．了系统与噪声系统理论基础与建模仿真4．3．3复位和KTC噪声复位噪声是在电荷检测过程中产生的噪声。对于浮置扩散放大器，由于复位开关MOS管交替于导通和截止两种rT作状态，其导通时沟道电阻和截止时沟道电阻都会产生热噪声，这些热噪声会加在浮置扩散电容Cs上，最后与输出信号混在一起，就形成了KTC噪声(K为波尔兹曼常量，T表示绝对温度，C表示浮置电容值)。当Cs置为高电平时，由于参考电源可能滤波不足，从而使源漏极之间的导通电阻将电源的波动引入到Cs，产生压降AV‘。当CCD像元的输出速率较高，电容没有足够的时间放电，这时候就会造成电容上每次都有剩余电荷，从而使CCD输出信号发生畸变，这种噪声和由AV‘产生的噪声称为复位噪声。由复位噪声产生的噪声电子数为NNR=4KTC|qH·15、)其中，K=1．38X10-23J／K，q=1．602×10。19C，T为CCD工作温度。由公式(4．15)可知输m电容越大，温度越高，复位噪声越大。4．3．4量化噪声在将模拟的图像信号转换为数字信号的过程中会产牛量化噪声。对于均匀量化的特殊情况，估算出量化噪声等效电荷为心。2百意面(4-16)其中吆表示A／D转换的最大电压量程，b表示AD量化位数，K。是信号处理电路的增益，k是CCD相机输出检测电路中的电荷．电压转换系数。从式(4．16)qb可以看到，量化噪声等效电荷数与输出信号大小无关，而与参考电压范围，系统增益和量化位数有关。因此，当CCD相机的信号比较微弱的时候，量化噪声对于系统的影响比较大。此时，可以增大信号处理电路增益和增加量化位数，从而减小量化噪声，不仅提高了图像的亮度和精度，而且信噪比得到提高，图像质量有所改善。 面阵CCD相机仿真系统研究4．3．5其它噪声除了以上介绍的一些主要噪声外，系统还存在一些噪声，如载流子无规则运动产生的热噪声即白噪声，电荷转移过程中由于残留电荷引起的转移噪声，时钟串扰和1／厂噪声等，在不同的成像系统中，它们所占的地位不同，可以用高斯分布甬数来模拟仿真。4．4小结本章主要完成了电子学系统和噪声系统模型的建立。首先介绍了电子学系统中电荷读出电路和信号处理电路的原理，从而建立了相应的MTF函数模型，通过分析相应的MTF曲线分布，可以知道它对探测器所成图像的高频信息有一定的衰减作用。最后对系统中存在的一些主要噪声进行了原理分析和数学建模，它使成像系统图像信噪比降低。 第五章面阵CCD相机仿真软件实现及结果分析面阵CCD相机仿真结果分析是仿真过程中的重要环节，它对于仿真系统优化起着重要作用。本章首先介绍+‘些常用的图像质量评估方法，并详细介绍了面阵CCD仿真系统软件开发流程，最后利用这些评估方法分析比较了系统仿真图像。5．1仿真图像质量评估方法由于成像系统存在各种效应，如光学系统的衍射效应，探测器系统的空间采样效应，电子系统的滤波效应，图像的数字化过程，以及各种噪声的存在等，使得经过CCD相机成像系统的像与理想成像系统所成的像存在一‘定的差别，将这些差别用一定的方式表达出来就能定量分析系统在某方面的性能指标，而描述这种差别的方式就是系统的性能评价。图像质量分析方法大体上分为两种，即主观判断和客观度量。两种判断标准各有优劣，前者通过人类的视觉分析获取图像的变化，比较直观，但是判断无法进行量化，同时由于受观察者自身素质和情绪的影响，具有不确定性，而且无法分辨微小的变化；而后者可以通过评价函数得到对仿真图像的客观度量，它具有区分输出信号微小差别的能力，但是性能指标也不一定是对输出图像包含信息的完全再现。本小节将从频域和空域两方面介绍一些常用的图像质量评估方法，并分析比较这些评价方法的概念和理论模型。5．1．1频域分析在频域中评价系统-。0工4-台日匕h的主要方法是将实际成像系统的信号频谱和理想成像系统的信号频谱进行比较[441。本文是对二维灰度图像进行频谱分析，因此用到了离散二维傅里叶变换。先考虑一维傅里叶变换，设具有N个点的离散序列厂@)，这个离散序列可表示为{厂(o)，10)，L，／(Ⅳ一1)}，令x为离散实变量，u为离散频率变量，可将以为离散傅里叶变换对定义为：45 面阵CCD相机仿真系统研究，v一1F(“)=F{／(x))=∑f(x)exp[-j2a'ux／N]，“=o，1，2LN一1(5-1)厂(x)=F一{F(“))=专薹F(“)eXp[／2万纵／Ⅳ]，x=0,1,2LⅣ一l(5_2)考虑到两个变量，就很容易将一维离散傅里叶变换推广到二维。冈此图像g(x，Y)的二维傅里叶变换为：Ⅳ一1．v—lG(u，V)=∑∑g(x，y)exp[一j2sr(ux+vy)／Ⅳ]，扰，v=0，1，2LN一1(5-3)，N-1g(x，y)=丽l∑∑G(“，V)exp[j2丌(ux+抄)／Ⅳ]，x，y=o，1，2LN-1(5-4)』Vu=0v=0分解公式(5．3)中的e指数，变换得到N一1厂N一1]G(u,v)=∑f∑g(五y)exp[-j2rcvy／N]fexp[-j2a-ux／N]，“，v=0，1，2LN-1J=0LJ，=oJ(5-5)由公式(5．5)可以看到，图像二维傅里叶变换实际上是先后在两个方向上进行两次一维傅里叶变换，即可以先求出每一行的一维傅里叶变换，存储在中间矩阵中，然后对中间矩阵求出每，一列的一维傅里叶变换，得到的结果就是二维傅里叶变换结果。对结果求幅值，并量化为可以显示的0～255之间的数值，即为图像的频谱图。在频谱图中，四角的频率分量均为零，而中心点处的频率分量为最大值。由于图像中的大部分能量集中在低频分量上，因此频谱图像中四角的幅值比较大。然而，在实际的图像频谱分析过程中，由于低频分量区域比较小，而且主要分布在四角，不利于分析，通常对频谱图做频谱搬移，将所有低频分量集中到中心，而将高频分量分散到四角，即对频谱图作对角对换位置。进行移位以后可以增强频谱图像的可读性。对频谱图像进行分析，通常的方法是计算频谱图的能量分布。以中心为圆心，以R为半径，计算圆内的能量占全部频谱图像能量的百分比，如式(5．6)所示：M—lN一1e=loo×[E∑lF(m，n)12／∑∑fF(m，刀)f2](5—6) 第五章面阵CCD相机仿真软件实现及结果分析其中M，N为图像的行数和列数，IF(m，n)I表示图像的频谱，IF(m，n)12为图像的功率谱。由于图像的高频分别代表图像的轮廓和细节，冈此通过分析仿真前后的图像能量分布百分比，可以得到图像细节的变化。5．1．2空域分析在空域中评价系统性能的主要方法是将实际成像系统的信号和理想成像系统的信号进行比较。常用的客观度量准则包括对比度分析、信噪比分析、保真度分析和相关度分析㈤。1)对比度分析对比度是图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之问不同亮度层级的测量，即图像灰度反差的大小。差异范围越大代表对比度越大，差异范围越小代表对比度越小。对比度表现了图像画质的清晰程度。对比度的标准计算公式如(5．7)所示：c=E62(i，j)Pa(i，／)(5-7)其中，C为图像X,／tL度；6(f，／)=¨一Jl，即图像相邻像素问的灰度差；Pa(i，／)为灰度差为6的像素分布概率。为简化对比度计算模型，假设Pa(i，力均匀分布，62(i，J)可以取其四邻域梯度，即求取中心像素与四邻域(一卜．、下、左、右)像素差值的平方和：占2(i，／)=[，(i-1,歹)-I(i，u，)]2+[，(i，J-1)一，(i，J)】2(5-8)+[，(i+1，J)一，(i，／)]2+[，O，J+1)一，(f，／)】2计算邻域梯度时，超出图像区域边界的邻域梯度取为0，即对于边界，62(i，J)取三邻域；对于四个角点，62(i，J)取_邻域。因此，公式(5．7)可以简化为式(5．9)：∑∑62(i，／)C=———————三堕兰————————一(5．1014(M一2)(Ⅳ一2)+3母2书(M+N-2)+2木4、。M、Ⅳ分别表示图像的高度和宽度；分母代表梯度计算的次数，它的倒数即为概率分布。2)信噪比分析 面阵CCD相机仿真系统研究信噪比是评价系统抗干扰能力的重要指标，值越大，说明系统中的噪声越小，抗干扰能力越强。它是图像信号与噪声的功率谱之比，即SNR2鸶(5-11)其中，B为信号的功率谱，R为噪声的功率谱。由于信号和噪声的功率谱难以计算，因此常用其方差之比来近似估计系统信噪比。方差的基本表达式为万2=击∑∑(，(f，歹)一芦)2(5—12)M·Ⅳ智怠一“’一、其中，口为整幅图像的平均值，计算公式为∥：击∑M∑N，(f，／)(5-13)“=一7，』IZ，，lM-N乞气⋯。在计算系统的信噪比时，由于系统输出的图像是退化的，因此如何从退化图像中提取出信号和噪声是一个难点。根据它们的统计特性，可以首先计算图像中所有像素的局部方差，将局部方差的最大值认为是信号方差，最小值是噪声方差，求出它们的比值，再转成dB数，即为信噪比。3)保真度分析前两种评价指标是对单幅图像直接进行统计计算。而保真度和相关度分析是用于对原始图像和仿真图像两幅图像进行比较。保真度是实际成像系统与理想成像系统之间输出信号差异的度量。表达式可以表示为MN∑∑(Ⅲ，j)-I(i，∥F(I，t)=1一旦型可虿——一(5—14)∑∑I(i，／)2i=1J=1其中歹(f，，)为实际成像系统所成的像，互(i，歹)为理想成像系统所成的像。F越大表示实际成像系统所成的像越接近于理想成像系统所成的像；F=l时，图像无任何失真，也就是说成像系统基本接近于理想成像系统；F≤0时，代表该成像系统中图像失真严重，噪声或者其他失真原因造成图像信息基本上已完全淹没在噪声中。4)相关度分析48 第五章面阵CCD相机仿真软件实现及结果分析与保真度类似，另外一种评价实际成像系统与理想成像系统之间输出信号的相似程度的方法是相关度分析。其表达式为MN∑∑l(i，抄t(f，／)r(X，Ic)=r5-15)各符号的意义与保真度度量公式(5-14)相同。r越大，表示，与I越相似，即实际成像系统与原始成像系统越接近；而，|越小，图像失真越严重。5．2面阵CCD相机仿真系统软件实现根据建立的数学模型，利用VC++6．0开发面阵CCD相机仿真系统软件，采用标准的单文档分割视图结构，菜单涵盖了仿真系统的三个主要部分：相机参数设置，相机成像仿真和成像系统性能评价[4647】。客户区在程序运行时显示其产生的对话框(输入)和处理结果(输出)。输入和输出图像分别显示在左视图和右视图中。仿真软件界面如图所示：图5．1而阵CCD相机仿真系统软件界面主界面中的每个菜单下均有一个下拉子菜单，程序实现的功能如下：(1)图像数据的读写该软件所支持的图像数据类型主要包括bmp位图文件， 曲阵CCD相机仿真系统研究tiff图像文件和hdf文件。理论上可以读写任意大小的图像，但是考虑到计算机硬件性能和运行时间的问题，读写文件不超过lG。(2)相机参数设置设置CCD相机的成像参数，包括焦距，光学孔径，波长，曝光时间、帧转移周期、转移效率、CCD像元尺寸、图像噪声和动态范围、AD转换位数、噪声等。(3)相机仿真根据设置的CCD相机成像参数，计算光学、探测器、电子线路三个模块的MTF，并添加模块中影响成像质量的各种效应，最后加入噪声，得到仿真图像。(4)成像质量分析根据仿真结果分析仿真系统成像质量，如信噪比分析，对比度分析，保真度分析和相关度分析。(5)图像处理对图像做一些后续的分析处理，如均值、方差、平均梯度、均方误差、直方图分布计算，图像亮度／对比度调整等。图5．2为整个面阵CCD相机仿真系统数据处理的流程图，它以数字图像为输入，主要步骤如下：(1)首先设置相机参数，系统具有默认的参数，判断是否重新设置，是的话，进入参数设置界面，分别设置光学、探测器、电子和噪声系统参数，否则的话，直接进行下一’步：(2)进入光学系统，首先对图像进行二维离散傅里叶变换，从卒间域转换为空间频率域，计算光学系统D弦(六，∥，)，求取与图像频谱的乘积，然后进行二维傅里叶反变换再次转换到空间域，最后添加各种效应和噪声。整个过程可以用下式描述，(t／)=s{F丁一{F丁{丘(‘／))。厶‘，‘。TF(L，工)L，，，+Ⅳ(f，／)(5·16)S表示光学系统中引起图像退化的～些效应，N表示噪声。光学系统仿真完成后进入探测器系统；(3)进入探测器系统和电子系统，算法步骤与(2)类似，仿真完成后得到仿真结果；(4)分析仿真结果，判断进行空域分析或频域分析，若为频域分析，对图像进行频谱变换，求能量分布；若为窄域分析，求取图像的对比度、保真度、 第五章面阵CCD相机仿真软件实现及结果分析平均梯度等；(5)最后，保存仿真结果，程序结束。图5．2面阵CCD相机仿真系统流程图5．3面阵CCD相机仿真结果分析以高分辨实景图像作为软件输入，如图5．3所示，输入图像大小为512×512；参考目前已使用的面阵CCD相机参数，设置仿真系统初始化参数，有效孔径R=120mm，波长A=0．65um，焦距为F=250mm，光学系统透过率O：0．85，CCD光敏元大小口=6=12urn，转移效率Q=0．996，曝光时间Z=4．3ms，帧转移周期正=1．5ms，AD转换位数6豇=8，低通滤波器截止频率Z=100Hz，高通 面阵CCD相机仿真系统研究滤波器截止频率f=lOHz，光子散粒噪声N=0．05，暗电流噪声N=0．05，复位噪声等N=0．05，最终得到仿真图像，如图5-3(b)所示。■壤(b)仿真图像图5．3CCD相机仿真系统仿真结果52 第五章面阵CCD相机仿真软件实现及结果分析对比图5．3(a)与5．3(b)可以看到，图像亮度发生变化，图像变得模糊，同时发生拖尾现象，这是面阵CCD相机成像过程中的衍射效应、空间滤波、相机抖动、帧转移模糊、电子滤波等综合效应产生的结果。对图像进行频域分析，分别对原始图像和仿真图像做傅里叶变换，得到它们的频谱分布，如图5．4所示：(a)原始图像频谱(b)仿真图像频谱图5．4仿真前后图像频谱从图5．4中可以看到，图像中大部分能量集中在中心部分，即低频区域；仿真后的频谱图像四周变得清晰，即高频分量部分丢失。对仿真系统作一个客观的度量，分别计算原始图像和仿真图像的频谱图的总能量S，不I剐半径R(图中红色圆圈部分)内所占的能量Sl和其占总能量S的百分比，如表5．1和表5．2所示：表5．1原始图像能量分布R【半径)B(百分比)Sl(圆内能量)S(总能量)5024．90981130700lOO45．61572070500453900015063．05472862100表5．2仿真图像能量分布R(半径)B(百分比)S1(圆内能量)S(总能量)5073．644657375010090．595270580077907015094。2152734010 面阵CCD相机仿真系统研究从表5．1和表5．2中可以看出，仿真前后图像的总能量和在相同的半径内圆内的能量有所降低，这是因为仿真系统的滤波作用使其能量损失。而由于这些滤波主要是低通滤波器，因此相同半径内圆内能量百分比提高。另外，随着半径的增大，圆内的能量上升幅度越来越小，也就是仿真后的图像虽然有部分高频分量丢失，但大部分能量仍然集中在低频部分：由于高频分量代表图像的细节纹理，低频代表图像的整体轮廓，因此仿真后的图像清晰度有所降低。根据前面介绍的空域中图像质量客观评价准则，分别对仿真前后的图像进行统计分析，计算结果如表5．3所示，带※号表示结果无法统计：表5．3仿真图像评价性能评价标准原始图像仿真后图像对比度4542．6082130．833信噪比52．707015．5209保真度※0．9341相关度※0．962l平均梯度0．13190．0904方差2076．35311174．0439由表5．3可知，仿真前后图像的对比度下降，由于相机系统存在噪声，使得图像的信噪比下降，但是它们的保真度和相关度分别达到0．934和0．962，即实际成像系统基本接近于理想成像系统，成像性能较好；方差是反映图像整体灰度分布的统计量，方差越小，对比度越小，反之，方差越大，对比度越大，图像越清晰；而平均梯度反映了图像中的微小细节反差和纹理变化特征，一般来说，梯度越大，图像也越清晰，反差越好。从表5．3中可以看到，图像的平均梯度和方差均下降，也就是图像有失真，图像的细节部分丢失。下面对整个面阵CCD相机成像系统中的～些关键因素对成像质量的影响进行分析。光学系统离焦效应中，当光程差彳i同时，对应的MTF曲线也会有差别，分别取暖=0．7A,和W=A，得到的仿真图像如图5．5所示。m对比图5．5(a)(b)，当光程差为0。7A时，图像的保真度为0．9168，与理想图像相差不大；但是当光程差为A时，图像的保真度为．0．1765，图像失真比较严重， 第五章面阵CCD相机仿真软件实现及结果分析从图5．5(b)可以看到图像清晰度下降，细节丢失。(a)％=O．72时的仿真图像(b)既=A时的仿真图像图5．5不同离焦量下的仿真结果在其它参数保持一致的情况下，改变的图像的焦距或者CCD的尺寸，使得渐晕效应中的0角发生改变。由公式(2．21)可知面阵CCD相机尺寸越小，焦距越大，0就越小，COSlv0值也就越大，渐晕效应影响越小。渐晕效应对图像的影响如图5．6所示：图5．6光学系统的cosⅣ日渐晕效应 面阵CCD相机仿真系统研究从图5．6可以看出，由于渐晕效应的影响，使得理想图像的中心亮度基本保持不变，而图像四周变暗了，并且偏离中心越远亮度越暗。在探测器系统中，影响系统成像质量的因素之一是像元的非均匀性，取CCD非均匀性系数‰洲=o．03，图像固定噪声吃t尸Ⅳ--0．03，则仿真CCD像素的非均匀性如图5．7所示：图5．7像元的非均匀性效应计算仿真图像的信噪比，仿真前后分别为52．707dB和33．913dB，信噪比下降，即像素的非均匀性导致图像的噪声加强，从图5．7可以看到，图像的质量明显降低。在其它参数不变的情况下，改变影响CCD电容器内存储的光电荷量的因素，如曝光时问、电容器电容、栅极电压等，得到该仿真系统在信号比较微弱和信号比较强两种情况下的仿真图像，如图5．8所示。图5．8(a)(b)反应了像元响应的非线性，由于像元具有一个动态响应范围，因此，当信号强度低于动态范围下限时，信号会淹没在噪声中，如图5．8(a)所示，暗像元由于信号比较微弱，经过CCD的非线性效应，图像细节信息有所损失；而当信号比较强时，如图3．4(b)所示，图像亮像元出现饱和现象，这是由于该像元中存储的电荷已达到CCD所能探测的最大电荷量，即CCD电容器势阱已经填 第五章面阵CCD相机仿真软件实现及结果分析满，多余的电荷将会溢出，因此该像元不会再随信号的增强而增强，而是保持不变，这种非线性也使图像细节信息丢失。(a)响应微弱信号造成的非线性结果(b)响应强信号造成的非线性结果图5．8像元的非线性效应仿真结果探测器系统中的帧转移模糊度主要取决于帧转移周期和曝光时间。对于一个特定的系统来说帧转移周期L通常是固定不变的，在这里取瓦=2．53ms，改变相机的曝光时问石，取为五=5．7ms和互=2．7ms，得到的帧转移模糊图像如图5．9所不：(a)正=5．7ms时帧转移模糊效应(a)兀=2．7ms时帧转移模糊效应图5．9帧转移模糊效应仿真结果57 面阵CCD相机仿真系统研究从图中可以看到，仿真图像产生拖尾，并且下半部分的亮度要比上半部分的亮度要亮，这是帧转移模糊的典型表现。对比图5．9(a)(b)可以看到，图(b)失真明显比图(a)严重，它们的模糊度分别达到44．39％和93．70％，也就是说当帧转移周期一定时，曝光时间越短，图像模糊越严重。对仿真系统成像质量影响较大的另外一种因素是电荷转移的不完全，即电荷转移效率问题，仿真不同转移效率下的成像结果，如图5．10所示(a)r／。0．998时的模糊效应(b)r／=0．993时的模糊效应图5．10转移效率仿真结果图5．10(a)(b)为平均转移效率分别取为，7=0．998311叩=O．993时得到仿真图像，从图中可以看到图像发生模糊，并且后者明显要比前者模糊严重，5．10(a)(b)的对比度分别为4068．8107和4034．5097，因此随着转移效率的降低，图像的清晰度也随着降低。事实上，在实际的应用中，电荷转移效率通常应该在0．9999以上，此时图像的模糊很小。电子系统中的一些低通高通滤波，对于仿真系统成像质量的影响不大，但是其中存在的一些噪声如复位噪声、AD转换噪声等对成像质量造成了较大的影响。此外其它系统中同时也存在一些不可忽略的噪声，如暗电流噪声，光子散粒噪声等，这些噪声的综合效应产生的模糊效应如图5．11所示。从图5．11可以看出，图像退化严重，仿真前后图像的信噪比从52．707dB下降为25．139dB，图像细节丢失：当信号比较微弱的时候，对于图像的影响会更加明显。 第五审而阵CCD相机仿真软件实现硬结果分析5．4小结图5．11噪声效应仿真结果首先，本章分别从空域和频域两方面给出了图像质量客观度量准则，并分析了这些评价标准的意义。其次，根据第■章、第三章和第四章建立的数学模型，利用vC++6．0编写软件，实现了面阵CCD相机仿真系统。本章详细介绍了该软件的主要功能和开发流程。最后，利用遥感图像作为软件输入仿真了面阵CCD相机成像系统，通过图像质量评价标准，对仿真图像进行了分析。此外分别仿真了相机中各个参数对成像系统的影响。 面阵CCD相机仿真系统研究 第六章总结与展望6．1结论目前光学卫星遥感器的成像仿真技术已经成为遥感技术领域内的重要研究内容之一。而阵CCD相机成像系统作为光学卫星遥感成像系统的一部分，它对整个系统的成像质量起着重要的作用。因此本文建立了面阵CCD相机仿真系统，并基于VC6．0平台对其进行了软件实现。实验表明，系统仿真结果与理论分析较为吻合。本文以面阵CCD相机为仿真对象，取得的主要成果如下：(1)从物理原理层面对相机的成像过程做了诠释，根据CCD相机成像原理推导出光学子系统、CCD探测器子系统、电子学子系统和噪声子系统的传递函数和一些非线性模型，通过分析相应的MTF益线分布，得到该效应对成像质量的影响。(2)利用VC++6．0采用结构化程序设计的思想，完成了包括CCD相机参数设置、CCD相机成像仿真和仿真图像分析等三个模块在内的面阵CCD相机仿真系统软件的研制。(3)最后利用高分辨实景图像作为仿真软件的输入，进行了系统仿真结果的统计分析，分析评估了面阵CCD相机中各参数对成像系统的影响。综上所述，本文重点在于设计了一个面阵CCD相机仿真系统，围绕这一重点进行了基础理论和实用性能等方而的研究。6．2展望本文系统的研究了面阵CCD相机成像过程理论，成像系统建模仿真和仿真图像分析，但是仍有几点工作需要进一步研究和探索：(I)本系统的输入为数字图像，像素与CCD光敏元是一一对应的，因此像元的临近效应需要进一步的研究：(2)成像系统仿真的主要是单波段的图像，所成的图像为灰度图，因此多波段图像仿真是需要下一步研究的重要方面； 面晒：CCD相机仿真系统研究(3)电子系统中模型过于简单，主要是仿真了一些高通低通滤波电路，而对于交流耦合效应并未考虑；(4)CCD相机成像系统的性能评估也是相机仿真的重要一部分，需要通过相应的实验室物理仿真，来综合评价系统的可信度。 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