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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源：北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院精密光機電一體化技術(shù)教育部重點實驗室		點擊數(shù)：	更新時間： 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儀器科學與光電工程學院，精密光機電一體化技術(shù)教育部重點實驗室，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題，引入了電子倍增CCD(EMCCD)作為感光器件。對該原理儀器在普通和電子倍增兩種工作模式下的噪聲進行了分析，推導了信噪比模型，并利用研制的原理樣機進行了實驗驗證。在此基礎(chǔ)上，提出了電子倍增模式下系統(tǒng)動態(tài)范圍的評價方法，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，信噪比模型與實測結(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：TH74 文獻標識碼：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，得到同一地物的光譜特征信息，在遙感探測領(lǐng)域正發(fā)揮越來越重要的作用。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新興的一類成像光譜儀器，屬于濾波片型，相對于色散型和干涉型系統(tǒng)，具有快速電控波長可編程調(diào)諧的特點[1]。目前，美國[1]、歐洲[z]以及日本等[31發(fā)達國家在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，中國科學院上海技術(shù)物理研究所1“、中國科學院西安光學精密機械研究所[5]以及北京航空航天大學等c6]研究單位也開展了AOTF成像光譜儀原理樣機的研制。光譜成像系統(tǒng)的應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率的影響，儀器的信噪比受到較大的制約。對于AOTF成像光譜儀而言，其分光原理導致不同波長的帶寬差別較大，加上衍射效率、光學系統(tǒng)透過率及探測器光譜響應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，部分波段的信號很弱。為提高系統(tǒng)的探測靈敏度，將用于微光成像的電子倍增CCD探測器(EMCCD)引入高光譜成像系統(tǒng)是一種有益的嘗試。近年來，國外開始將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)進行食品致病菌的檢測18]；挪威科技大學的Hernandez-Palacios等[9]利用EMCCD進行了低照度高光譜成像實驗，對EMCCD的增益和積分時間對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響進行了定性分析。但目前尚未見定量化研究EMCCD對光譜成像系統(tǒng)信噪比影響的相關(guān)報道。如何最大化的發(fā)揮EMCCD技術(shù)的優(yōu)勢，對低照度成像光譜探測有著十分重要的現(xiàn)實意義。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進行了信噪比計算和驗證。在此基礎(chǔ)上，提出了電子倍增模式下系統(tǒng)動態(tài)范圍的計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重要參數(shù)，信噪比的計算一般采用兩種方式：比探測率法和等效電子數(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算模型。1．1系統(tǒng)噪聲的相關(guān)性一般認為成像光譜信號中的噪聲是不相關(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基金項目：國家自然科學基金項目(61177008，61107013)資助作者簡介：趙慧沽，女，1966年生，北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教授 e-mail：hjzhao@buaa．edu．crl*通訊聯(lián)系人 e-mail：chengxuan2002@163．corD_萬方數(shù)據(jù)第12期 光譜學與光譜分析 3423關(guān)性需要單獨分析。本文采用“去相關(guān)法”[113對已研制的AOTF光譜成像儀的數(shù)據(jù)進行噪聲提取，并采用相關(guān)系數(shù)法對噪聲分布的相關(guān)性進行評價。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，其余點的互相關(guān)系數(shù)均在零值附近，均值為0．017 1，說明像元間的噪聲不存在相關(guān)性，可以獨立分析。EMCCD同時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，噪聲分析只考慮時域噪聲，儀器的空域噪聲可通過非均勻校正消除[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‘·、復位噪聲Nxw、讀出噪聲^『R以及√虹)C過程中的量化噪聲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，在輻射傳輸過程中伴隨著光譜信號的產(chǎn)生而出現(xiàn)。理想情況下，成像光譜儀的目標輻射可用人瞳處的光譜輻亮度值和儀器參數(shù)計算得到。AOTF成像光譜儀屬于凝視瓔，每個像元能夠獨立的獲取成像光譜的強度．其像面光譜輻照度的分析和色散型一致。中心波長為A，光譜帶寬為從的波段中入射到探測器焦面上的目標輻射的光電子數(shù)S。(A)可由下式計算得到 跚)一揣朦的冰咖㈨膻㈨以(1)式中，Aa為CCD像元面積，廠#為光學系統(tǒng)廠數(shù)，th為積分時間，L(A)為人瞳處光譜輻亮度，r(A)為系統(tǒng)透過率，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，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，且二者問相互獨立，可以將二者合并，設由光電流，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為探測器產(chǎn)生的總信號電子數(shù)，M可表示為N。一^／盟(J+fdafk)一／Sp+Sd一~／s， 后—————一一一 (4)光子噪聲是目標輻射通過光學系統(tǒng)時引起的，當目標光譜信號在CCD上形成光譜圖像時，受Smear效應影響，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效應很弱，但在t砒較小時，該現(xiàn)象仍然不可忽略，并且有r凈1‰“卜{驀知㈣≤i≤N ∞’I臺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行像元的光譜信號強度，t。為垂直幀轉(zhuǎn)移時聞，fn為積分時間。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)進行轉(zhuǎn)換，量綱為e一·ADU～，此時總噪聲NAovF表示為NAOVF一~／A-2[N。2(s。)+N蠢+腿1℃+Nk(i)]+№(6)對于波段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“，但主要面向噪聲機理分析。針對AOTF成像光譜儀的噪聲特點，討論電子倍增機制引入的新噪聲源及對原有噪聲源的影響，獲得了電子倍增模式下系統(tǒng)噪聲的解析表達式。(1)額外噪聲因子電子倍增過程中碰撞電離出的新電荷數(shù)具有隨機性，這萬方數(shù)據(jù)3424 光譜學與光譜分析 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推導了F與倍增增益g以及倍增寄存器N之間的數(shù)值計算關(guān)系，如下 F=缸j話啊 (8)但該方法基于一個近似：倍增電荷服從二項式分布，單次倍增發(fā)生概率P在所有倍增級數(shù)中保持不變。而實際的碰撞電離過程存在“反饋效應，，[】“，當光生電荷達到一定程度時，P值會有所降低。同時，不同CCD芯片的I反饋效應也有所不同。因此，令F=厄的簡化并不準確，需要結(jié)合倍增噪2．22．0100 101 102Electron-multiplying gainrig．3 Measurement and estimation of the P似九)聲的測量加以修正。通過測量得到g對應的F值，以式(8)為擬合函數(shù)，采用Levenber乎Marquardt算法進行曲線擬合，得到N與g的對應關(guān)系，圖3為擬合結(jié)果。此時P可用1．1％簡化代替，如下g一(1+0．011)N (9)(2)時鐘感生電荷噪聲時鐘感生電荷是電荷轉(zhuǎn)移特別是垂直轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的偽電荷。該噪聲不受工作溫度和積分時間的影響，相比于倍增噪聲影響很小，實際計算中可以忽略。(3)對原有噪聲的影響倍增噪聲的存在使得經(jīng)過倍增區(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)合電子倍增過程對系統(tǒng)噪聲的影響，得到電子倍增模式下的信噪比模型。設第J行像元光譜信號的數(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時動態(tài)范圍反而會大大降低。圖9為電子倍增模式下系統(tǒng)的可探測動態(tài)范圍曲線，可以看出，在g≤4時，可測動態(tài)范圍隨著g的增大而升高，當g>4時則相反。在實際應用中，應根據(jù)動態(tài)范圍的設計指標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，利用信噪比模型計算出原理樣機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，這與電子倍增的機理吻合。因此，可以利用兩種模式信噪比相等時的人瞳處光譜輻亮度值Lo(|=【)作為判據(jù)，當L(A)Lo(A)時則選擇普通模式?！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，當增益g>10時，信噪比變化很小，而從前文的分析可知，當g>a時，系統(tǒng)的可探測動態(tài)范圍會逐漸降低，為∞如柏∞∞mO∞p／D∞蠹Ho鼉高曼A萬方數(shù)據(jù)第12期 光譜學與光譜分析 3427302520復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)局部過飽和，可以根據(jù)儀器動態(tài)范圍的需求設計g的上限。利用本文提出的工作模式選擇方法，采用原理樣機進行了實驗驗證。選用低照度的鎢燈作為環(huán)境光，并假設電子倍增模式下系統(tǒng)的動態(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算結(jié)果。可以看出，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，有效補償了波段間的輻射響應差異。^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，推導出兩種模式下的信噪比模型，實驗驗證結(jié)果與理論計算基本吻合，最大誤差約為11．2％，證明f『信噪比模裂的正確性。通過建立電子倍增模式下系統(tǒng)動態(tài)范圍的評價方法，設計了以入瞳光譜輻亮度為閾值的探測器工作模式選擇方法，確定了模式的最佳切換點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成像光譜儀中的應用提供了理論依據(jù)，對其他分光原理系統(tǒng)也有借鑒意義。盆一醴Z∽々SII∞E-oZ萬方數(shù)據(jù)3428 光譜學與光譜分析 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(光學學報)，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，等)．Journal of Remote SensingG噩感學報)，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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