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基于EMCCD的AOTF成像光譜儀噪聲分析與信噪比研究

文檔作者：趙慧潔程宣張穎李沖沖文檔來(lái)源：北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院精密光機(jī)電一體化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年04月20日
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第32卷，第12期2 0 1 2年l 2月光譜學(xué)與光譜分析 V01．32，No．12，pp3422—3428Spectroscopy and Spectral Analysis December，2012基于EMCCD的AOTF成像光譜儀噪聲分析與信噪比研究趙慧潔，程 宣’，張 穎，李沖沖北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，精密光機(jī)電一體化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191摘要聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)成像光譜儀是一種新型高光譜成像系統(tǒng)。針對(duì)系統(tǒng)存在的波段間輻射靈敏度差異較大，低照度條件下部分波段信噪較低的問(wèn)題，引入了電子倍增CCD(EMCCD)作為感光器件。對(duì)該原理儀器在普通和電子倍增兩種工作模式下的噪聲進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了信噪比模型，并利用研制的原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，提出了電子倍增模式下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的評(píng)價(jià)方法，給出了以人瞳光譜輻亮度為判據(jù)的工作模式選擇方法。結(jié)果表明，信噪比模型與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，電子倍增模式的合理選擇有效提高了低照度條件下的信噪比，改善波段問(wèn)輻射靈敏度的非一致性。關(guān)鍵詞A10，rF成像光譜儀；EMCCD；噪聲；信噪比；電子倍增模式中圖分類號(hào)：TH74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10．3964／j．issn．1000--0593{2012)12—3422—07引 言成像光譜儀能夠?qū)Φ匚锍上竦耐瑫r(shí)，得到同一地物的光譜特征信息，在遙感探測(cè)領(lǐng)域正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。按照分光原理的不同，成像光譜儀可分為色散型、干涉型和濾光片型。聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)成像光譜儀是近年來(lái)新興的一類成像光譜儀器，屬于濾波片型，相對(duì)于色散型和干涉型系統(tǒng)，具有快速電控波長(zhǎng)可編程調(diào)諧的特點(diǎn)[1]。目前，美國(guó)[1]、歐洲[z]以及日本等[31發(fā)達(dá)國(guó)家在AOTF光譜成像系統(tǒng)方面的研究已取得了一定的研究成果。在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所1“、中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所[5]以及北京航空航天大學(xué)等c6]研究單位也開展了AOTF成像光譜儀原理樣機(jī)的研制。光譜成像系統(tǒng)的應(yīng)用效果非常依賴獲取的圖像信噪比[7]。但在低照度條件下，特別是高光譜成像領(lǐng)域，受入射光能量、光譜分辨率以及分光元件透過(guò)率的影響，儀器的信噪比受到較大的制約。對(duì)于AOTF成像光譜儀而言，其分光原理導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的帶寬差別較大，加上衍射效率、光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率及探測(cè)器光譜響應(yīng)等非均勻性因素的影響，不同波段間的輻射靈敏度存在較大差異，部分波段的信號(hào)很弱。為提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，將用于微光成像的電子倍增CCD探測(cè)器(EMCCD)引入高光譜成像系統(tǒng)是一種有益的嘗試。近年來(lái)，國(guó)外開始將EMCCD用于高光譜成研究。2011年Bosoon Park等采用帶EMCCD的AOTF顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行食品致病菌的檢測(cè)18]；挪威科技大學(xué)的Hernandez-Palacios等[9]利用EMCCD進(jìn)行了低照度高光譜成像實(shí)驗(yàn)，對(duì)EMCCD的增益和積分時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響進(jìn)行了定性分析。但目前尚未見定量化研究EMCCD對(duì)光譜成像系統(tǒng)信噪比影響的相關(guān)報(bào)道。如何最大化的發(fā)揮EMCCD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)低照度成像光譜探測(cè)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文分析了基于EMCCD的A()TF成像光譜儀的系統(tǒng)噪聲，推導(dǎo)了普通模式和電子倍增模式下的信噪比模型，并利用已研制的原理樣機(jī)進(jìn)行了信噪比計(jì)算和驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，提出了電子倍增模式下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算方法和最佳工作模式的定量化選擇方法。1基于EMCCD的AOTF成像光譜儀噪聲分析信噪比(SNR)是成像光譜儀的一個(gè)重要參數(shù)，信噪比的計(jì)算一般采用兩種方式：比探測(cè)率法和等效電子數(shù)法。由于后者更適合面陣CCD系統(tǒng)，本文采用等效電子數(shù)法分析系統(tǒng)噪聲，建立AOTF成像光譜儀的信噪比計(jì)算模型。1．1系統(tǒng)噪聲的相關(guān)性一般認(rèn)為成像光譜信號(hào)中的噪聲是不相關(guān)的，但Roger發(fā)現(xiàn)AVIRIS中的噪聲在像素間存在相關(guān)性[1…。由于系統(tǒng)噪聲跟成像原理和器件類型息息相關(guān)，不同類型系統(tǒng)的噪聲相收稿日期：2012—05-04。修訂日期：2012-08-20基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61177008，61107013)資助作者簡(jiǎn)介：趙慧沽，女，1966年生，北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教授 e-mail：hjzhao@buaa．edu．crl*通訊聯(lián)系人 e-mail：chengxuan2002@163．corD_萬(wàn)方數(shù)據(jù)第12期 光譜學(xué)與光譜分析 3423關(guān)性需要單獨(dú)分析。本文采用“去相關(guān)法”[113對(duì)已研制的AOTF光譜成像儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲提取，并采用相關(guān)系數(shù)法對(duì)噪聲分布的相關(guān)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖l為其中100×i00像元區(qū)域數(shù)據(jù)噪聲的相關(guān)系數(shù)圖。圖中顯示，除了同一像元的自；||；l ：薹。；鋪Fig．1 Correlation coefficient diagram of the noise相關(guān)系數(shù)為l外，其余點(diǎn)的互相關(guān)系數(shù)均在零值附近，均值為0．017 1，說(shuō)明像元間的噪聲不存在相關(guān)性，可以獨(dú)立分析。EMCCD同時(shí)具備普通讀出寄存器和倍增寄存器，具有普通和電子倍增兩種讀出模式，在噪聲分析中將分別討論。由于像元間的噪聲不存在相關(guān)性，噪聲分析只考慮時(shí)域噪聲，儀器的空域噪聲可通過(guò)非均勻校正消除[121。1．2普通模式下的噪聲分析圖2為AOTF成像光譜儀光電轉(zhuǎn)換原理圖，可以將系統(tǒng)噪聲分為常規(guī)CCD噪聲和輻射傳輸中引入的光譜數(shù)據(jù)噪聲兩類。CCD噪聲主要指器件工作中產(chǎn)生的噪聲，包括：暗電流噪聲N‘·、復(fù)位噪聲Nxw、讀出噪聲^『R以及√虹)C過(guò)程中的量化噪聲NQ等。CCD噪聲分析已有較多的研究[1“，此處不再贅述。輻照度 ‘- 一。喋戶I R(¨。成像囂 讀出電荷epreJE 囂存區(qū)水平讀出LFig．2 Principle of photoelectric conversion in AOTF imaging spectrometer光譜數(shù)據(jù)噪聲屬于系統(tǒng)噪聲，在輻射傳輸過(guò)程中伴隨著光譜信號(hào)的產(chǎn)生而出現(xiàn)。理想情況下，成像光譜儀的目標(biāo)輻射可用人瞳處的光譜輻亮度值和儀器參數(shù)計(jì)算得到。AOTF成像光譜儀屬于凝視瓔，每個(gè)像元能夠獨(dú)立的獲取成像光譜的強(qiáng)度．其像面光譜輻照度的分析和色散型一致。中心波長(zhǎng)為A，光譜帶寬為從的波段中入射到探測(cè)器焦面上的目標(biāo)輻射的光電子數(shù)S。(A)可由下式計(jì)算得到 跚)一揣朦的冰咖㈨膻㈨以(1)式中，Aa為CCD像元面積，廠#為光學(xué)系統(tǒng)廠數(shù)，th為積分時(shí)間，L(A)為人瞳處光譜輻亮度，r(A)為系統(tǒng)透過(guò)率，刀(A)為CCD量子效率，DE(A)為AOTF衍射效率，h為普朗克常數(shù)，C為光速。越較小時(shí)，式(1)中的積分形式可用乘積代替。由于人射光子產(chǎn)生的光電流具有不確定性，會(huì)在光譜數(shù)據(jù)中加入光子噪聲。該噪聲屬于散粒噪聲，服從泊松分布。光子噪聲和CCD暗電流噪聲均屬于散粒噪聲，且二者問(wèn)相互獨(dú)立，可以將二者合并，設(shè)由光電流，引入的光子散粒噪聲為i：，并轉(zhuǎn)換為等效電子數(shù)N，，如下i：=2P[卜卜瓦rk]△， (2)式中，i。h表示引入的光子噪聲有效值，e為電子電荷數(shù)，af為系統(tǒng)的噪聲等效帶寬?！?，與th滿足如下關(guān)系[7]Ⅳ一赤 (3)令sI為探測(cè)器產(chǎn)生的總信號(hào)電子數(shù)，M可表示為N。一^／盟(J+fdafk)一／Sp+Sd一~／s， 后—————一一一 (4)光子噪聲是目標(biāo)輻射通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)引起的，當(dāng)目標(biāo)光譜信號(hào)在CCD上形成光譜圖像時(shí)，受Smear效應(yīng)影響，將產(chǎn)生拖尾噪聲疊加在光譜圖像上。雖然幀轉(zhuǎn)移型CCD的Smear效應(yīng)很弱，但在t砒較小時(shí)，該現(xiàn)象仍然不可忽略，并且有r凈1‰“卜{驀知㈣≤i≤N ∞’I臺(tái)f。。'N，“‘—’‘、“其中，N～，(i)表示CCD第i行像元的拖尾噪聲，N為行數(shù)，J。為第k行像元的光譜信號(hào)強(qiáng)度，t。為垂直幀轉(zhuǎn)移時(shí)聞，fn為積分時(shí)間。1．3普通模式下的信噪比模型根據(jù)上述分析可以得到系統(tǒng)噪聲總的等效電子數(shù)。由于系統(tǒng)輸出為AD變換后的量化值，用A表示系統(tǒng)增益，將噪聲的等效電子數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，量綱為e一·ADU～，此時(shí)總噪聲NAovF表示為NAOVF一~／A-2[N。2(s。)+N蠢+腿1℃+Nk(i)]+№(6)對(duì)于波段A，系統(tǒng)的信噪比可以表示為 SNR(爐鑼一”2Sp(A) ，"杉F口函西可可雨F麗品干疋：=麗r雨吾 …1．4 電子倍增模式下的噪聲源分析電子倍增CCD的噪聲分析已有一些研究成果[1“，但主要面向噪聲機(jī)理分析。針對(duì)AOTF成像光譜儀的噪聲特點(diǎn)，討論電子倍增機(jī)制引入的新噪聲源及對(duì)原有噪聲源的影響，獲得了電子倍增模式下系統(tǒng)噪聲的解析表達(dá)式。(1)額外噪聲因子電子倍增過(guò)程中碰撞電離出的新電荷數(shù)具有隨機(jī)性，這萬(wàn)方數(shù)據(jù)3424 光譜學(xué)與光譜分析 第32卷種增益的不確定性引入新的噪聲源，采用額外噪聲因子F表征。Robbins等[153推導(dǎo)了F與倍增增益g以及倍增寄存器N之間的數(shù)值計(jì)算關(guān)系，如下 F=缸j話啊 (8)但該方法基于一個(gè)近似：倍增電荷服從二項(xiàng)式分布，單次倍增發(fā)生概率P在所有倍增級(jí)數(shù)中保持不變。而實(shí)際的碰撞電離過(guò)程存在“反饋效應(yīng)，，[】“，當(dāng)光生電荷達(dá)到一定程度時(shí)，P值會(huì)有所降低。同時(shí)，不同CCD芯片的I反饋效應(yīng)也有所不同。因此，令F=厄的簡(jiǎn)化并不準(zhǔn)確，需要結(jié)合倍增噪2．22．0100 101 102Electron-multiplying gainrig．3 Measurement and estimation of the P似九)聲的測(cè)量加以修正。通過(guò)測(cè)量得到g對(duì)應(yīng)的F值，以式(8)為擬合函數(shù)，采用Levenber乎Marquardt算法進(jìn)行曲線擬合，得到N與g的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖3為擬合結(jié)果。此時(shí)P可用1．1％簡(jiǎn)化代替，如下g一(1+0．011)N (9)(2)時(shí)鐘感生電荷噪聲時(shí)鐘感生電荷是電荷轉(zhuǎn)移特別是垂直轉(zhuǎn)移過(guò)程中產(chǎn)生的偽電荷。該噪聲不受工作溫度和積分時(shí)間的影響，相比于倍增噪聲影響很小，實(shí)際計(jì)算中可以忽略。(3)對(duì)原有噪聲的影響倍增噪聲的存在使得經(jīng)過(guò)倍增區(qū)域后的光譜圖光子噪聲、smear噪聲以及暗電流噪聲被放大，跟額外噪聲因子滿足乘性關(guān)系。讀出噪聲、復(fù)位噪聲以及量化噪聲的等效輸出變?yōu)樵性肼暸c倍增增益的比值。1．4．1 電子倍增模式下信噪比模型結(jié)合電子倍增過(guò)程對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響，得到電子倍增模式下的信噪比模型。設(shè)第J行像元光譜信號(hào)的數(shù)字輸出值為D(j，|=【)，A為波段，可得 D(j，A)={[(Sp(A)+Ns(A)+k(A))幻(1+F)+NR+NKTC)A-1+NQ (10)式(10)所描述的系統(tǒng)模型如圖4所示。M <九)NQ>Ot時(shí)動(dòng)態(tài)范圍反而會(huì)大大降低。圖9為電子倍增模式下系統(tǒng)的可探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍曲線，可以看出，在g≤4時(shí)，可測(cè)動(dòng)態(tài)范圍隨著g的增大而升高，當(dāng)g>4時(shí)則相反。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)計(jì)指標(biāo)合理的選擇倍增增益，在條件允許的情況下盡可能的選擇較低的倍增增益。101EMGain4．2工作模式的選擇在信噪比分析的基礎(chǔ)上，利用信噪比模型計(jì)算出原理樣機(jī)信噪比隨人瞳處光譜輻亮度值的變化，圖10為467．1 nnl處和508 nln處的變化曲線?？梢钥闯?，隨著目標(biāo)光譜輻亮度值的增大，相比于普通模式，電子倍增模式下的信噪比呈現(xiàn)先大后小的趨勢(shì)，這與電子倍增的機(jī)理吻合。因此，可以利用兩種模式信噪比相等時(shí)的人瞳處光譜輻亮度值Lo(|=【)作為判據(jù)，當(dāng)L(A)Lo(A)時(shí)則選擇普通模式?！袒自袴成像光譜儀不同波段間的輻射靈敏度存在較大差異，不同波段A下的L。(A)差別較大，圖11顯示了原理樣機(jī)在不同波段所選Lo(A)的差別。該差別表明，在低照度條件下工作模式的選擇十分重要，能夠在一定程度上改善波段間輻射靈敏度的失配，提高儀器的信噪比。系統(tǒng)選用電子倍增工作模式時(shí)還需確定倍增增益g。從圖10中不同增益下的信噪比曲線可以發(fā)現(xiàn)，在電子倍增模式區(qū)間中，當(dāng)增益g>10時(shí)，信噪比變化很小，而從前文的分析可知，當(dāng)g>a時(shí)，系統(tǒng)的可探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍會(huì)逐漸降低，為∞如柏∞∞mO∞p／D∞蠹Ho鼉高曼A萬(wàn)方數(shù)據(jù)第12期 光譜學(xué)與光譜分析 3427302520復(fù)15 ∽105O353025配20Z∽15lO5O0 0．02 0．04 0．06 0．08 0 l 0．12 0 14 0．16 0．18 0．2 0 0 02 0．04 0 06 0．08 0．1 0 12Special radiance／(mw·cm'Lsr一·nm 1) Spectral radiance／(mw·cm-2．sr。．nm‘11Fig．10 SNR curvls with spectral radiance of object(a)：467．I m band；(b)：508 nlTl band為防止數(shù)據(jù)局部過(guò)飽和，可以根據(jù)儀器動(dòng)態(tài)范圍的需求設(shè)計(jì)g的上限。利用本文提出的工作模式選擇方法，采用原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。選用低照度的鎢燈作為環(huán)境光，并假設(shè)電子倍增模式下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍不低于30 dB，根據(jù)圖9的結(jié)果選取倍增增益g=100。圖1z為兩種工作模式下不同波段的光譜圖像，圖13為圖中綠葉的信噪比計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，518 nnl之前的波段選擇電子倍增模式，之后的波段選擇普通模式可使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。電子倍增模式的使用使得前端的數(shù)據(jù)質(zhì)量有了明顯的提高，信噪比提高了約l倍，有效補(bǔ)償了波段間的輻射響應(yīng)差異。^昌0,065j o．060。參0,055’g 0．050；0．045量o．0408 0．035骶：(a)467．I nm(Normal) (b)467．1 nm(EM) (c)508 nm(Normal) (d)508 nm(EM)(e)607．2 nm(Normal) (D 607．2 nm(EM) (g)733．7 nm(Normal)№12 Spectral jIl|嘲蘆of several bands in experimentWavelength／nm晦13 Contribution of optimmn operationmode to improvement of SNR5結(jié)論深入分析了基于EMCCD的AOTF成像光譜儀在普通和電子倍增模式下的儀器噪聲，推導(dǎo)出兩種模式下的信噪比模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合，最大誤差約為11．2％，證明f『信噪比模裂的正確性。通過(guò)建立電子倍增模式下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的評(píng)價(jià)方法，設(shè)計(jì)了以入瞳光譜輻亮度為閾值的探測(cè)器工作模式選擇方法，確定了模式的最佳切換點(diǎn)和倍增增益的選擇依據(jù)，有效提高了低照度條件下的信噪比，為EMCCD技術(shù)在AOTF成像光譜儀中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，對(duì)其他分光原理系統(tǒng)也有借鑒意義。盆一醴Z∽々SII∞E-oZ萬(wàn)方數(shù)據(jù)3428 光譜學(xué)與光譜分析 第32卷[1]David A Ghnar，Diana L Blaney．John J HillmarL Acta Astronautica，2003，52：389．[2]Joan Vila，Javier Calpe，F(xiàn)iliberto Pla，et a1．Real-Time Imaging，2005，11：85．[3]Inoue Y，Penuelas J．International Journal of Remote Sensing，2001。22(18)：3883．[4]Tong Qingxi，Xue Yongqi，Wang Jinnian，et a1．Journal of Remote Sensing，2010，14：409．[5]CHANGLing-ying，ZHAOBao-chang，QIUYue-hong(常凌穎，趙葆常，邱躍洪)．ActaOpticaSinica(光學(xué)學(xué)報(bào))，2010，30(10)：3021．[6]ZHAO Hui-jie，ZHOU Peng-wei，ZHANG Ying(趙慧沽，周鵬威，張穎)。Infrared and Laser Engineering(紅外與激光工程)，2009，38(2)：189．[7]WANG Jian-yu，WANG Yue-ming，LI Chun-lai，et alCE建宇，王躍明，李春來(lái)，等)．Journal of Remote SensingG噩感學(xué)報(bào))，2010，14(4)：614．[8]Bosoon Park，Sengdae Lee。Seung-Chul Yoon，et aL Proceedings of SPIE，2011，8027：07．[9]Hemandez-Palacios j，Randeberg LL Proceedings of SPIE，2012，8215：82150QE103 Roger R E．Arnold J F．International Journal of Remote Sensing，1996，17：1951．[11]Ekl哪L R International Journal of Remote Sensing，1995，15：2955．[12]Joan Vila-Franc6s，Javier Calpe-Maravilla，Luis G6mez—Chova，et aL Journal of Electronic Imaging，2010，19(4)：85．[13]Kenji Irie，Alan E McKinnon，Keith Unsworth，et a1．IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2008，18(2)：280．[[[[4]ZHANG Wen-wen，CHEN Qian(張聞文。陳錢)．Optics and Precision Engineering(光學(xué)精密工程)，2008，16；1977．5]Robbins M S，Hadwen B J．IEEE Trans．Electron Devices，2003，50(5)：1227．6]Jaroslav Hynecek，Takahiro NishiwakL IEEE Transactions on Electron Devices，2003，50(1)：339．7]Gerald C JCD Publishing，Winter Park，F(xiàn)L 2003．105．Analysis of the Noise and Signal--to-Noise of AOTF Imaging SpectrometerBased on EMCCDZHAO Hui-jie，CHENG Xuan。，ZHANG Ying，LI Chong-chongKey Laboratory of Precision Opto-mechatronics Technology，Ministry of Education，School of Instrumentation Science&amp;amp;Optoelectronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，ChinaAbstract Imaging spectrometer based on acousto-optic tunable filter(A()1、F)is a novel hyperspectral imaging system．In orderto rectify the non-uniformity of radiation sensitivity on different waveband，especially the low signal-to-noise(SNR)in low-lightconditions，the electron-multiplying CCD(EMCCD)sensor was proposed．The noise of AOTF imaging spectrometer wasanalyzed in both nol'mfll and EM modes of the CCD sensor with derived SNR calculating model which has been experimentallyvalidated．On that basis，a new evaluation method of the dynamic range in EM Inode and a hovel method of calculating spectralradiance at the entrance aperture were adopted．The experimental result shows that the theoretic SNR models are fit．a(chǎn)nd betterselection of EM mode is effective to improve the SNR and non-uniformity of radiation sensitivity in low light level conditions．Keywards AOTF imaging spectrometer；EMCCD；Noise；Signal-to-noise(SNR)；EM mode*Corresponding author(Received May 4，2012；accepted Aug．20，2012)

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