寧永慧，郭漢洲，余 達(dá)，趙慶磊

(1. 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130031；2. 長(zhǎng)春國(guó)科醫(yī)工科技發(fā)展有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130031 )

1 引 言

科學(xué)級(jí)TDI-CCD是航天遙感領(lǐng)域主要應(yīng)用的一種光電探測(cè)器。影響TDI-CCD成像性能的重要參數(shù)，如信噪比(SNR)、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、圖像動(dòng)態(tài)范圍(DR)等，是空間遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容。此外，TDI-CCD暗場(chǎng)下的成像性能直接影響圖像的動(dòng)態(tài)范圍和景物層次的分辨能力，也受到越來越多的關(guān)注，成為空間相機(jī)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

優(yōu)化暗場(chǎng)噪聲抑制方法，對(duì)提升低照度下的景物細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)陰影區(qū)域、云層下景物的實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)具有重要作用。為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)暗場(chǎng)噪聲的抑制，研究人員對(duì)暗電流的產(chǎn)生機(jī)理[1]、信噪比[2]、電路結(jié)構(gòu)[3-4]進(jìn)行了分析，通過模擬偏置扣除或圖像處理[5-7]的方法抑制暗場(chǎng)響應(yīng)。這些方法重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和噪聲進(jìn)行了分析，對(duì)暗電流的處理方法討論尚不夠深入。

本文基于視頻處理器LM98640，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字負(fù)反饋的模擬處理方法。通過統(tǒng)計(jì)暗場(chǎng)下的圖像灰度，實(shí)時(shí)調(diào)整LM98640的偏置參數(shù)，將模擬扣除和數(shù)字處理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)暗場(chǎng)噪聲的電路抑制。

2 TDI-CCD暗場(chǎng)噪聲

2.1 暗電流

TDI-CCD暗電流(暗電平)表征的是TDI-CCD無光照條件下產(chǎn)生的電子數(shù)。暗場(chǎng)灰度是指CCD相機(jī)在暗場(chǎng)成像時(shí)，經(jīng)過AD量化后輸出的圖像灰度值。從半導(dǎo)體器件角度來看，暗電流是由于光電二極管轉(zhuǎn)移柵的不一致性而產(chǎn)生的直流偏置差異，多表現(xiàn)為固定圖形噪聲。在工程實(shí)踐中，通過像元校正可實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。像元校正主要修復(fù)像元間差異，而本文討論的暗場(chǎng)扣除，主要是抑制暗電流的平均值。

暗電流產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：

(1)耗盡的硅襯底中，電子從價(jià)帶至導(dǎo)帶的本征躍遷；

(2)少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散；

(3)Si-SiO2界面引起的暗電流。

因此，暗電流的大小主要和器件溫度有關(guān)。通常，溫度每升高7 ℃，暗電流增加1倍。所以，要保持探測(cè)器具有穩(wěn)定的暗場(chǎng)指標(biāo)，需要對(duì)探測(cè)器的工作溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

TDI-CCD輸出圖像信號(hào)經(jīng)過預(yù)防電路、前置放大電路、視頻處理電路后輸出數(shù)字圖像。以TDI-CCD滿阱電壓2 V為例，若要求暗電流均值低于10 mV，在電路1倍增益、10 bits量化的電子學(xué)系統(tǒng)中，量化后的暗場(chǎng)灰度為5 LSB。

根據(jù)TDI-CCD探測(cè)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(圖1)，在有效像元前會(huì)有若干暗參考像元用于表征探測(cè)器在暗場(chǎng)條件下的響應(yīng)值。在探測(cè)器數(shù)據(jù)多通道輸出結(jié)構(gòu)中，不同通道的暗電流水平會(huì)有差異。而受到結(jié)構(gòu)限制，僅有首尾通道能夠刻畫出真實(shí)的暗像元。不同通道的暗參考像元差異，可能導(dǎo)致暗場(chǎng)扣除的效果不同。

圖1 TDI-CCD的像元結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Pixel structure diagram of TDI-CCD

2.2 暗場(chǎng)噪聲扣除的常用方法

暗場(chǎng)噪聲扣除可以通過設(shè)計(jì)視頻處理器電路或設(shè)置視頻處理器工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)。在TDA9965中，通過Vref引腳串聯(lián)積分電容，實(shí)現(xiàn)暗電平的電荷累積，然后通過時(shí)序控制，以一行圖像為單位，扣除該累計(jì)電平，實(shí)現(xiàn)暗電流抑制。電路如圖2所示。由于每行圖像均要扣除當(dāng)前累積的偏置電平，所以會(huì)給圖像列向(沿軌方向)帶來高頻噪聲，影響圖像的后期處理。

圖2 TDA9965的硬件偏置電路Fig.2 Offset circuit of TDA9965

在視頻處理器XRD9859中，通過設(shè)置芯片自動(dòng)校正模式實(shí)現(xiàn)暗場(chǎng)抑制。該模式僅在上電時(shí)，通過設(shè)置合適的偏置值，保證探測(cè)器具有合理的暗場(chǎng)值。這種方法不能動(dòng)態(tài)抑制暗電流，無法消除暗電流隨溫度升高而增大所帶來的影響。

另一種方法是檢測(cè)圖像灰度，將圖像數(shù)據(jù)和暗場(chǎng)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行采集，在圖像數(shù)據(jù)中扣除暗場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)暗場(chǎng)數(shù)字扣除。數(shù)字扣除損失了傳感器的真實(shí)動(dòng)態(tài)范圍，暗電平水平越高，損失的動(dòng)態(tài)范圍越大，不利于圖像信息保存。

3 反饋式暗場(chǎng)扣除

視頻處理器LM98640的暗電流抑制電路，在相關(guān)雙采樣(CDS)模式下，對(duì)暗電流校正效果較差。因此，需要設(shè)計(jì)數(shù)字反饋式暗場(chǎng)扣除方法，實(shí)現(xiàn)暗電流抑制。

LM98640內(nèi)部共有64個(gè)寄存器，與視頻信號(hào)處理相關(guān)的寄存器有精調(diào)偏置寄存器FDAC、粗調(diào)偏置寄存器CDAC、增益寄存器PGA。視頻信號(hào)從采樣到輸出的處理鏈路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理框圖Fig.3 Diagram of image signal processing

暗電流經(jīng)過CDS后，進(jìn)行偏置調(diào)整，然后通過PGA放大，最后進(jìn)入ADC單元完成AD轉(zhuǎn)換，獲得14 bits量化的圖像數(shù)據(jù)。

CDS模式下可設(shè)置1倍增益或2倍增益，當(dāng)設(shè)置為1倍增益時(shí)，偏置設(shè)置值與輸出碼值關(guān)系如表1所示。

表1偏置參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)關(guān)系表Tab.1 Relationship between the offset parameters and the actual voltages

PGA增益碼值與增益倍數(shù)之間的關(guān)系如式(1)所示。式中，G表示增益，Gbin表示增益的二進(jìn)制碼值。

G=180/(277-Gbin)

，

(1)

當(dāng)CCD探測(cè)器的滿阱電壓大于視頻處理器的最大輸入電壓時(shí)，通過設(shè)置LM98640偏置寄存器實(shí)現(xiàn)暗場(chǎng)扣除，并不損失探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍。

反饋式暗場(chǎng)扣除的工作框圖如圖4所示。

圖4 反饋式暗場(chǎng)扣除工作原理Fig.4 Principle of the dark-field offset reduction with feedback type

首先，在當(dāng)前的增益和偏置參數(shù)下，統(tǒng)計(jì)暗場(chǎng)圖像的灰度均值；然后，通過逆運(yùn)算，去除增益和偏置影響，估算真實(shí)的暗電流水平；最后，通過設(shè)置LM98640的偏置值，抑制暗電平。

當(dāng)設(shè)置新的增益和偏置參數(shù)后，需要根據(jù)當(dāng)前增益和偏置參數(shù)重新估算暗電流水平，并實(shí)時(shí)更新偏置參數(shù)設(shè)置。反饋式暗場(chǎng)扣除能夠記錄暗電流的變化過程，對(duì)于后期的圖像數(shù)據(jù)恢復(fù)及處理、系統(tǒng)的暗噪聲分析等具有良好的應(yīng)用。該算法以圖像幀為單位進(jìn)行偏置參數(shù)設(shè)置，也有利于圖像細(xì)節(jié)的保持。

4 算法設(shè)計(jì)與分析

4.1 自適應(yīng)偏置調(diào)整算法

圖5 自適應(yīng)算法流程圖Fig.5 Self-adaptive algorithm flow-chart

LM98640的偏置參數(shù)區(qū)間(000～1FF)包括2部分，其中，000～0FF表示負(fù)偏置，100～1FF表示正偏置。在負(fù)偏置參數(shù)中，將00～60作為暗場(chǎng)扣除參數(shù)范圍；將00～9F作為加載負(fù)偏置參數(shù)范圍。所以，最終加載的參數(shù)值為二者之和。自適應(yīng)偏置調(diào)整的算法流程如圖5所示。首先，定義256行CCD圖像為一幀，在每行圖像中選取4個(gè)暗像元，進(jìn)行暗場(chǎng)灰度均值統(tǒng)計(jì)，計(jì)算方法如式2所示，其中，Gij表示i行j列暗像元灰度，Dk表示第k幀的暗場(chǎng)灰度均值。

，

(2)

然后，判斷初始暗場(chǎng)扣除偏置P1與第k幀的調(diào)整扣除偏置Pk,A的累加和是否達(dá)到暗場(chǎng)扣除最大值PTH。如果沒有，則更新暗場(chǎng)扣除偏置參數(shù)P1，如式(3)所示，否則保持為當(dāng)前值；

P1=P1+Pk,A

，

(3)

最后，將系統(tǒng)加載的偏置參數(shù)P0和暗場(chǎng)扣除偏置參數(shù)P1累加后加載。

暗電流逆運(yùn)算過程如式(4)所示，其中，DP0表示與P0對(duì)應(yīng)的圖像灰度值，G0表示當(dāng)前增益值，Dk,a表示新增暗電流對(duì)應(yīng)的灰度值。

調(diào)整扣除偏置的計(jì)算公式如式(5)所示，根據(jù)Dk,a的值，通過設(shè)定閾值以及雙向調(diào)整的方式，實(shí)現(xiàn)暗電平微調(diào)功能，使暗電平處于合理有效的范圍內(nèi)。

Dk,A=(Dk-DP0)/G0

，

(4)

.

(5)

暗電流計(jì)算結(jié)束后，等待16行，執(zhí)行偏置參數(shù)加載，然后開始下一幀圖像統(tǒng)計(jì)。

4.2 數(shù)據(jù)誤差分析

暗電流計(jì)算時(shí)，誤差源主要有以下幾點(diǎn)：

(1)偏置參數(shù)與圖像灰度的映射關(guān)系。根據(jù)表1所示，粗調(diào)偏置的調(diào)整步長(zhǎng)為1 mV，參數(shù)的二進(jìn)制碼值為001，在12 bits AD量化下，對(duì)應(yīng)2個(gè)灰度值；因此，映射誤差為±1 LSB。

(2)AD量化誤差。LM98640產(chǎn)生14 bits量化數(shù)據(jù)，最大的量化誤差為±2 LSB。對(duì)于12 bits系統(tǒng)，量化誤差為±0.5 LSB。

(3)逆運(yùn)算誤差。根據(jù)式(1)和式(5)，可得到式(6)，逆運(yùn)算轉(zhuǎn)換為乘加運(yùn)算。所以，運(yùn)算誤差可以通過數(shù)據(jù)量化精度控制，在總體誤差中可忽略。

Dk,A=(Dk-DP0)/G0=
(Dk-DP0)×(277-Gbin)/180

.

(6)

綜上，在12 bits量化下，該算法的總誤差為±1.5 LSB。

4.3 算法硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

此算法在FPGA硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，通過RS422串行通訊傳遞LM98640視頻參數(shù)，并返回LM98640遙測(cè)參數(shù)和暗場(chǎng)數(shù)據(jù)扣除信息。通過SPI接口加載LM98640視頻參數(shù)。在上電時(shí)，對(duì)LM98640的64個(gè)配置寄存器進(jìn)行初始化，對(duì)每片視頻處理器進(jìn)行定制化參數(shù)設(shè)計(jì)。FPGA邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 反饋式暗場(chǎng)扣除FPGA邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.6 Logic structure of the feedback type algorithm in FPGA

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該算法主要根據(jù)暗場(chǎng)圖像灰度，對(duì)暗電流進(jìn)行負(fù)反饋式控制調(diào)整方法。在試驗(yàn)中，通過采集暗場(chǎng)圖像并計(jì)算均值，評(píng)估算法可行性和可靠性。某相機(jī)在焦平面無散熱措施條件下，成像10 min，過程中焦平面溫度共上升15 ℃左右。每30 s采集暗場(chǎng)圖像一次，并計(jì)算全視場(chǎng)暗電平平均值的實(shí)際情況，如圖 7所示。

圖7 全視場(chǎng)暗電平均值變化情況Fig.7 Changes of the average dark gray values in the whole field of view

10 min內(nèi)，各片CCD相應(yīng)通道的暗電平對(duì)應(yīng)的累計(jì)偏置扣除值如表2所示。從表中看出，隨著TDI-CCD探測(cè)器溫度升高，各通道暗電平的變化情況不同，其差別產(chǎn)生的主要來源在于暗電流產(chǎn)生的原理和不同通道的溫度差異。

表2 不同通道的偏置累積扣除值
Tab.2 Total offset deduction values of differentchannels

CCD通道偏置累積扣除值/Hex 暗場(chǎng)灰度值/LSB 12F9423410433711043198

在計(jì)算信噪比時(shí)，為更好地表示信號(hào)電平，需要扣除暗電平信號(hào)，得到真實(shí)信噪比，如式(7)所示。其中，uy表示圖像均值，uy，dark表示暗場(chǎng)圖像均值，σy表示噪聲方差。

.

(7)

暗場(chǎng)扣除前后的圖像最大信噪比指標(biāo)(圖像灰度在飽和值的50%)如表3所示。由表3可知，暗場(chǎng)扣除后，圖像信噪比能夠得到提升。

表3 暗場(chǎng)扣除前后的信噪比對(duì)比
Tab.3 Before and after SNR comparison of the dark-field reduction algorithm dB

6 結(jié) 論

基于反饋式數(shù)字暗場(chǎng)扣除方法，集成了模擬暗場(chǎng)扣除和數(shù)字暗場(chǎng)扣除的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)試驗(yàn)表明，該方法能有效保證圖像的暗電流水平，不影響探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)噪聲的抑制有一定的作用。采用FPGA實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，系統(tǒng)量化誤差和運(yùn)算誤差在允許范圍內(nèi)，不影響實(shí)際的暗場(chǎng)扣除效果。利用LM98640的偏置參數(shù)進(jìn)行偏置扣除，在模擬端扣除的同時(shí)，復(fù)用了偏置參數(shù)功能。該方法在工程實(shí)踐中得到了有效的應(yīng)用。