作者：合肥中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與應(yīng)用物理系謝小權(quán) 霍劍青 來(lái)源：《電子技術(shù)應(yīng)用》

摘 要: 介紹電荷耦合器件ccd，及其在低照度條件下的噪聲影響機(jī)制，并從圖像預(yù)處理的角度分析噪聲消除的可能性，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程器件fpga從硬件上實(shí)現(xiàn)低照度條件下ccd圖像采集的實(shí)時(shí)噪聲消除預(yù)處理。

關(guān)鍵詞： 低照度圖像 實(shí)時(shí)噪聲處理 電荷耦合器件（ccd） 可編程器件（fpga）

　八十年代后期，ccd器件進(jìn)入實(shí)用階段，得到廣泛的應(yīng)用。但直接用在低照度下的監(jiān)測(cè)和識(shí)別時(shí)，信噪比急劇下降。在軍事和天文觀測(cè)中可采用專用的像增強(qiáng)器，但在普通的應(yīng)用中，為降低成本一般通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理提高信噪比。本文提供一種折衷的方案，通過(guò)分析ccd的特點(diǎn)，采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)，為計(jì)算機(jī)后端減少了大量復(fù)雜的運(yùn)算，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性創(chuàng)造了條件。

１ ccd 的原理

ccd 的圖像捕捉過(guò)程分為三個(gè)子過(guò)程，即：光電轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，電荷轉(zhuǎn)移，電荷讀出。

ccd器件是有許多光敏像元組成的，每個(gè)像元可看成是一個(gè)兩極加有反向偏壓的光敏二極管。當(dāng)一個(gè)光子入射到光敏二極管的耗盡層時(shí)，如果其能量ｈｖ大于半導(dǎo)體的禁帶eg，半導(dǎo)體的價(jià)電子將越遷到導(dǎo)帶形成光生電子－空穴對(duì)。由于空間電荷區(qū)對(duì)光生電子是一個(gè)低勢(shì)能的勢(shì)阱，光生電子將被收集在勢(shì)阱中，這樣就完成了一次光電轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存。

六十年代末，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，電荷通過(guò)半導(dǎo)體勢(shì)阱會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。這樣，如果把一系列的光敏二極管排列起來(lái)，通過(guò)電荷在勢(shì)阱中的轉(zhuǎn)移，就有可能在一定的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下讀出儲(chǔ)存在每個(gè)光敏二極管勢(shì)阱的光電信息。圖1是典型的三相ccd的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。

雖然用同一組ccd光敏二極管就可以完成攝像器件的光電轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移，但是，由于復(fù)雜的控制光點(diǎn)極不利于提高ccd器件的量子效率。同時(shí)在ccd電荷轉(zhuǎn)移時(shí)各個(gè)光敏單元還正在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這將使輸出信號(hào)產(chǎn)生拖影。所以，實(shí)際的ccd器件的光敏單元和轉(zhuǎn)移單元是分開(kāi)的，通過(guò)一定的時(shí)序控制可以實(shí)現(xiàn)光敏單元向轉(zhuǎn)移單元的整體轉(zhuǎn)移，然后再由轉(zhuǎn)移單元串行地往外部輸出。

ccd的信號(hào)讀出通常采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)，圖2是三相ccd的電荷讀出原理：其中cs是反向偏置二極管d的結(jié)電容。當(dāng)待讀出電荷到達(dá)勢(shì)阱時(shí)，t1在短脈沖的作用下快速導(dǎo)通使cs充電到高電位。接著下一相時(shí)鐘到達(dá)，待讀出電荷轉(zhuǎn)移到勢(shì)阱，待讀出電荷將對(duì)cs充電使其電壓下降，電壓的下降幅度與待讀出電荷量成正比，最后由t2驅(qū)動(dòng)輸出。

２ ccd 的噪聲分析

在低照度圖像實(shí)時(shí)噪聲處理采集卡研制過(guò)程中，我們所遇到的噪聲主要有以下幾種。

暗電流噪聲：復(fù)合——產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是某些單元位置上缺陷密集形成暗電流峰。由于信號(hào)的讀出路徑各異，這些暗電流峰對(duì)各個(gè)電荷包的電荷貢獻(xiàn)也不等，因而形成背景的很大起伏。另外，耗盡層熱激發(fā)（符合泊松分布）對(duì)背景起伏也有貢獻(xiàn)。

因暗電流大小與位置基本固定，故可用電子學(xué)方法消除。但當(dāng)器件工作在長(zhǎng)時(shí)間積分的弱信號(hào)觀測(cè)時(shí)，暗電流的影響將是主要因素。在這種情況下，器件應(yīng)工作于人工制冷狀態(tài)（在液氮溫度下，暗電流可比常溫下減小三個(gè)數(shù)量級(jí)）。

光響應(yīng)非均勻性：當(dāng)ccd的各個(gè)像元在均勻光源照射下,ccd器件具有光響應(yīng)非均勻性（prnu）它主要與器件的制造工藝有關(guān)，由于近紅外光在硅中的穿透能力較強(qiáng)，prnu還受襯底材料的非均勻性影響。prnu沒(méi)有一定的規(guī)律，因器件而異，具有很大隨機(jī)性。因此，對(duì)于弱信號(hào)的應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，然后加以補(bǔ)償以達(dá)到均勻響應(yīng)。

散粒噪聲：光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號(hào)電荷的過(guò)程可看作隨機(jī)過(guò)程，單位時(shí)間產(chǎn)生的光生電荷數(shù)目在平均值上做微小波動(dòng)，即形成散粒噪聲。散粒噪聲與頻率無(wú)關(guān)，在所有頻率范圍內(nèi)有均勻的功率分布（白噪聲特性）。散粒噪聲在低照度，低反差條件應(yīng)用時(shí)，當(dāng)其它噪聲用各種方法抑制后，散粒噪聲成為主要噪聲，決定了一個(gè)器件的極限噪聲水平。

雜波噪聲：主要來(lái)源于傳輸通道及各種器件，多為無(wú)規(guī)則隨機(jī)信號(hào)，頻譜較寬，幅度不等。圖像信號(hào)相鄰像素、相鄰行、相鄰幀具有較大相關(guān)性，而雜波噪聲具有隨機(jī)性，據(jù)此可設(shè)計(jì)出積分平均器以改善雜波噪聲。

實(shí)驗(yàn)表明相鄰