CN102769723B - 快速高精度电子倍增ccd自动增益系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速高精度电子倍增CCD自动增益系统及方法，由EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、增益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCCD芯片相连。本发明是针对高速实时电子倍增CCD微光成像系统，通过AD芯片采集实时图像信号，运用FPGA芯片对图像信号进行快速计算分析得到最佳的增益调整值，由得到的增益值调整电子倍增CCD倍增极上的电压值，实现对不同场景的自动增益，提高成像质量。

Description

快速高精度电子倍增CCD自动增益系统及方法

技术领域

本发明属于针对高速实时电子倍增CCD微光成像系统特点提出的一种快速高精度的电子倍增CCD自动增益控制技术，特别是一种快速高精度电子倍增CCD自动增益系统及方法。

背景技术

电子倍增CCD是采用了电子倍增技术的CCD，所谓电子倍增技术是指信号在传送到读出寄存器前经过采用特殊技术的增益寄存器获得电荷倍增的技术。由于电子倍增CCD对信号进行电荷级别的放大，与普通CCD相比有更高的灵敏度，可以在低照度下清晰成像。目前以电子倍增CCD为核心的电子倍增CCD成像系统在微光监视、航天探测微弱星光、航空及水下探测、复杂设备内部检测、医学和生物等重要国民经济领域得到越来越广泛的应用，应用前景非常广泛。

成像质量的好坏对电子倍增CCD成像系统是至关重要，对于电子倍增CCD成像系统曝光强度的调整，可以通过改变曝光时间，也可以通过信号增益G来实现。但在高速成像系统中，曝光时间受到帧频的限制，如1800帧的高速相机，曝光时间最长就不能超过1/1800s；在某些对系统帧频有特殊要求的情况下，实际的曝光时间可能很短，调整曝光时间就无法满足帧频的需要，这时候就需要通过自动增益技术调整增益值G来得到高质量的图像。

目前，在普通CCD成像系统中有相关的技术来实现增益的控制，但电子倍增CCD成像系统中的增益控制技术还不太成熟。同时电子倍增CCD成像系统的工作环境、成像特点与普通CCD成像系统有很大的区别，针对电子倍增CCD的成像特点，对成像质量的衡量标准需做修正。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速高精度电子倍增CCD自动增益系统及方法，针对高速实时电子倍增CCD微光成像系统，通过AD芯片采集实时图像信号，运用FPGA芯片对图像信号进行快速计算分析得到最佳的增益调整值，由得到的增益值调整电子倍增CCD倍增极上的电压值，实现对不同场景的自动增益，提高成像质量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种快速高精度电子倍增CCD自动增益系统，由EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、增益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCCD芯片相连；EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片，该AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得出下一步调整所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的增倍电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。

一种快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片，该AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得到直接增益调节和逐次逼近增益调节所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的倍增电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)电子倍增CCD成像系统主要在微光环境中使用。成像的光照条件相对简单，所成的微光图像对比度很低，图像灰度范围在直方图上靠近低灰度值区域，随着外界光照强度的降低，得到的微光图像的对比度和亮度也随之下降，直方图的灰度范围随之变小，中心向低灰度值方向偏移。(2)电子倍增CCD使用了片上增益技术，在使用增益时电子倍增CCD 将产生热点噪声，在图像上这些噪声表现为亮点，在直方图上靠近高灰度区域。随着增益值的增大，图像的亮度增大，细节分辨率也随之增加，但噪声也随之增大。噪声的产生将影响图像的质量，有时甚至淹没图像信息。因此在衡量电子倍增CCD成像系统的成像质量时既要考虑图像的亮度，也要考虑图像的噪声。(3)该电子倍增CCD自动增益方法采用增益双调节方式，分别是以加权均值作为调节标准的直接增益调节方式，和以热点总像素比作为调节标准的逐次逼近增益调节方式。由直接增益调节完成增益的粗调节，粗调过后采用逐次逼近的方法完成增益的微调。粗调保证增益调节的快速，微调提高增益调节的精度。

下面结合图对本发明作进一步详细描述。

图说明

图1是电子倍增CCD自动增益成像系统设计框图。

图2是直接增益调节流程图。

图3是逐次逼近增益调节流程图。

图4是整个系统自动增益流程图。

图5增益值与倍增极电压关系图。

图6增益电阻查找表。

图7采用本技术得到的图像。

图8未采用自动增益得到的图像1。

图9未采用自动增益得到的图像2。

具体实施方式

图1为电子倍增CCD自动增益成像系统设计框图。整个系统由EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、增益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCCD芯片相连。

EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片；AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片；FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得出下一步调整所需的增益值，将增益值传送 给增益电阻查找表。除了计算增益值，FPGA芯片还产生AD芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号(采样信号以及配置信号、数字图像信号、时序信号是分别在FPGA芯片芯片内通过写入相应的模块实现，具体的实现的方法为本领域技术人员的常规技术)；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的增倍电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。

作为系统的控制核心FPGA芯片内部主要由时序发生模块、AD配置模块、增益调节模块以及数字图像输出模块组成。时序发生模块用于产生驱动EMCCD芯片的时序信号以及AD采集时序信号；AD配置模块用于产生AD采集芯片所需的配置信息；增益调节模块用于增益值计算以及增益值的调节；数字图像输出模块将图像数字信号输出给外部的图像输出电路。

EMCCD芯片的增益值由加载到EMCCD芯片倍增极上的电压值决定，图5为TI公司生产的TC253系列EMCCD芯片增益值与倍增极电压关系图，图中CMG为倍增极电压，CCM Gain为增益值。倍增极电压CMG与增益值CCM Gain一一对应，倍增极电压CMG的大小决定了增益值CMG Gain的大小。通过改变EMCCD芯片倍增极电压可改变EMCCD芯片的增益值。倍增电压产生电路产生加载到EMCCD芯片倍增极上的电压，电压值的大少由接入电路中的电阻值决定，通过改变电阻值的大小就可改变倍增极电压，从而改变EMCCD芯片的增益值。

整个增益调节可分为两大步骤，第一步直接增益调节，第二步为逐次逼近增益调节。

第一步直接增益调节

直接增益调节是在EMCCD芯片采集完一帧的图像数据后，系统中FPGA芯片对采集的图像数据进行处理，得到当前帧的加权平均亮度值Y_n；计算出G_n+1，即系统需要调整到的增益值，计算出G_n+1后，FPGA芯片将G_n+1值发送到增益电阻查找表中得到倍增电路电阻值，系统按照电阻值调整电路参数改变系 统的增益值，具体过程为：

采用加权灰度均值Y作为自动增益整体亮度的衡量标准，对于成像系统图像的平均灰度Y_a为：

$Y_a=\frac{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}$ (k＝0，1，2，...，2^m)(1)

式中Y_j代表图像中第j级灰度，n_j是Y_j的数量，m是成像系统的图像数据位数；

以Y_a为图像灰度值的分界点，计算出高于Y_a的平均灰度值Y_aH，低于Y_a的平均灰度值Y_aL，a为Y_aH和Y_aL的分界点：

$Y_{\mathrm{aH}}=\frac{\underset{j=k}{\overset{2^m}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=k}{\overset{2^m}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}$ (k＝a+1，a+2，...，2^m)(2)

$Y_{\mathrm{aL}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}$ (k＝0，1，2，...，a-1)(3)

图像的加权灰度均值Y表示为：

Y＝t_LY_aL+t_aY_a+t_HY_aH (4)

其中t_L、t_a、t_H分别为Y_aL、Y_a、Y_aH的权重系数，t_L、t_a和t_H的值由环境因素决定，其满足关系如下：

tL+t_a+t_H＝1(5)

电子倍增CCD的曝光函数可表示为：

Y＝k×L×G×T (6)

式中Y为图像加权灰度均值，k为系统常数，L为入射光强度，G为增益值，T为曝光时间；

对上式取对数简化运算得：

logY＝logk+logL+logG+logT (7)

对前后两帧图像有：

logY_n＝logk+logL_n+logG_n+logT_n (8)

logY_n+1＝logk+logL_n+1+logG_n+1+logT_n+1(9)

Y_n、L_n、G_n和T_n分别为当前帧图像的加权灰度均值、入射光强度、增益值和曝光时间，Y_n+1、L_n+1、G_n+1和T_n+1为下一帧图像的平均亮度、入射光强度、 增益值和曝光时间；

对于高帧频成像系统，在前后两帧图像的成像过程中入射光强度不发生变化，即L_n＝L_n+1，积分时间相同，即T_n＝T_n+1；

由公式(8)、(9)可得

logL_n+1＝logL_n＝logY_n-logk-logG_n-logT_n(10)

将式(10)代入(9)得

logY_n+1＝logk+logY_n-logk-logG_n-logT_n+logG_n+1+logT_n (11)

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1(12)

图像的理想亮度值Y₀，即经过增益调节后下一帧图像加权灰度均值Y_n+1所要达到的亮度值：

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1(13)

化简得：

$G_{n+1}=\frac{Y_0}{Y_n}{G}_n---\left(14\right)$

G_n+1就是下一步调整的增益值。

针对电子倍增CCD成像的特点，该方法采用加权灰度均值Y作为自动增益整体亮度的衡量标准。对于成像系统图像的平均灰度Y_a为(下面以8bit成像系统为例进行说明)：

$Y_a=\frac{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}$ (k＝0，1，2，...，255)

式中Y_j代表图像中第j级灰度，n_j是Y_j的数量。

为真实的反应图像，以Y_a为图像灰度值的分界点，计算出高于Y_a的平均灰度值Y_aH，低于Y_a的平均灰度值Y_aL，a为Y_aH和Y_aL的分界点。

$Y_{\mathrm{aH}}=\frac{\underset{j=k}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=k}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}$ (k＝a+1，a+2，...，255)

$Y_{\mathrm{aL}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}$ (k＝0，1，2，...，a-1)

图像的加权灰度均值Y表示为：

Y＝t_LY_aL+t_aY_a+t_HY_aH

其中t_L、t_a、t_H分别为Y_aL、Y_a、Y_aH的权重系数，t_L、t_a和t_H的值由环境因素决定，其满足关系如下：

t_L+t_a+t_H＝1

采用加权灰度均值作为自动增益整体亮度的衡量标准，较大的低灰度区域权重系数t_L、t_a提高了图像有效信号在整个图像中贡献；较小的高灰度区域权重系数t_H有效的抑制了倍增噪声对图像质量的影响。经过分析大量实验数据可知当t_L为0.92，t_a为0.07，t_H为0.01时，增益控制达到最佳效果。

电子倍增CCD的曝光函数可表示为：

Y＝k×L×G×T

式中Y为图像加权灰度均值，k为系统常数，L为入射光强度，G为增益值，T为曝光时间。

对上式取对数简化运算得：

logY＝logk+logL+logG+logT

对前后两帧图像有：

logY_n＝logk+logL_n+logG_n+logT_n

logY_n+1＝logk+logL_n+1+logG_n+1+logT_n+1

Y_n、L_n、G_n和T_n分别为当前帧图像的加权灰度均值、入射光强度、增益值和曝光时间，Y_n+1、L_n+1、G_n+1和T_n+1为下一帧图像的平均亮度、入射光强度、增益值和曝光时间。

对于高帧频成像系统，可认为在前后两帧图像的成像过程中入射光强度不发生变化(即L_n＝L_n+1)，积分时间相同(即T_n＝T_n+1)。

由公式(8)、(9)可得

logL_n+1＝logL_n＝logY_n-logk-logG_n-logT_n

将式(10)代入(9)得

logY_n+1＝logk+logY_n-logk-logG_n-logT_n+logG_n+1+logT_n

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1

图像的理想亮度值Y₀，即经过增益调节后下一帧图像加权灰度均值Y_n+1所要达到的亮度值。

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1

化简得：

$G_{n+1}=\frac{Y_0}{Y_n}{G}_n$

G_n+1就是下一步调整的增益值。

直接增益调节过程参考图1。在电子倍增CCD成像采集完一帧的图像数据后，系统中FPGA芯片芯片对采集的图像数据进行处理，得到当前帧的加权平均亮度值Y_n；在通过公式(14)计算出G_n+1，即系统需要调整到的增益值。计算出G_n+1后，FPGA芯片将G_n+1值发送到增益电阻查找表中得到倍增电路电阻值，系统按照电阻值调整电路参数改变系统的增益值。

第二步逐次逼近增益调节

经过直接增益调节后，电子倍增CCD成像系统在当前增益下，成像的平均亮度达到图像的理想亮度值Y₀。但是此时的成像效果只是达到了图像的理想亮度值，图像的噪声并没有达到最佳水平，故采用逐次逼近增益调节的方法，寻找最佳的增益值，使热点总像素比N值最小。

在电子倍增CCD所成图像中最主要的噪声是由倍增引起的热点噪声，在直方图中位于高灰度级的部分，可通过计算直方图中高灰度级部分像素数占总像素数的比例(热点总像素比，又称为倍增噪声比)作为衡量电子倍增CCD成像噪声的标准。

热点总像素比： $N=\frac{\underset{j=h_1}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}{\underset{j=0}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}---\left(15\right)$

式中j为图像的灰度级，n_j是第j个灰度级上的像素数量，系数h₁由器件决定， 代表在倍增工作模式下热点噪声所能达到的灰度级，对于8bit成像系统一般为250。

把热点总像素比N作为自动增益的一个衡量标准，在自动增益的过程中可有效的控制噪声对成像质量的影响。

通过对电子倍增CCD噪声产生原因的分析可知，合适的增益值可有效的降低噪声。因此在当前增益的基础上适当调整增益值是减少图像噪声的可行办法。电子倍增CCD噪声与倍增值之间的关系比较复杂，无法通过直接调节方法得到最佳的增益值。本发明采用逐次逼近的方法，寻找最佳的增益值，使热点总像素比N值最小。

逐次逼近增益调节过程参考图3。流程图中N_n和N_n-1分别为图像当前帧的热点总像素比和前一帧图像的热点总像素比，G_n为当前帧的增益值，G_n+1为微调过程中的下一帧增益值，ΔG为倍增微调中增益的最小分度值，G为系统最终增益值。逐次逼近增益调节步骤如下：

1)算法计算出当前帧的倍增噪声比N_n，

2)与前一帧N_n-1作比较：如果N_n＜N_n-1，转到步骤3)，否则转到步骤5)；

3)N_n＜N_n-1表明当前帧的倍增噪声比前一帧要小，可认为系统抑制了噪声，调整G_n+1＝G_n+ΔG，转到步骤4)；

4)调整系统增益值，转到步骤1)；

5)N_n＞N_n-1表明当前的噪声抑制效果没有前一增益值下效果好，即前一增益值是这组增益值中抑制噪声效果最好的增益值，调整为前一增益值即G_n+1＝G_n-ΔG；

6)调整系统的最终增益G。

直接增益调节和逐次逼近增益调节构成了整个电子倍增CCD成像系统的增益调节方式。整个系统增益调节流程参考图4，系统经过一次直接增益调节后进入逐次逼近增益调节，通过逐次调节方式得到最优的增益值G。其中步骤4)和6)的调整系统增益值的方法和过程如下。

在调节增益之前必须找到增益值与电阻值之间的对应关系，将增益值转换为电阻值，通过调节电阻值来实现对增益值的控制。系统采用增益电阻查找表实现增益值与电阻值之间的转换，增益电阻查找表中存放着与增益值相对应的电阻值。在FPGA芯片内部建立一张增益电阻查找表，将系统增益值和与之相对应的电阻值存放在查找表中。系统计算出增益值后，通过查找增益电阻查找表得到电阻值，按照得到的电阻值改变接入倍增电压产生电路的电阻，调整体统的增益G。

增益电阻查找表参考图6，增益电阻查找表以直接调节增益值G_n作为查找表的地址，系统将直接调节增益值分为N档，分别为G0、G1......GN，对应的直接调节电阻值也分为N档，分别为R0、R1......RN。逐次逼近增益调节将直接增益调节电阻值Rn作为起始电阻，以ΔR作为电阻最小分度值，将电阻分为M档，分别为Rn、Rn+ΔR......Rn+M×ΔR。

直接增益计算得到下一步调整的增益值G_n+1，通过查找增益电阻查找表得到直接调节电阻值R_n+1，以R_n+1调整接入倍增电压产生电路的电阻值，使系统增益达到G_n+1；直接增益完成后进入逐次逼近增益调节，在逐次逼近增益调节过程中，从R_n+1、R_n+1+ΔR......R_n+1+M×ΔR逐次增加接入倍增电压产生电路的电阻值，通过比较当前帧的N_n与上一帧的N_n-1，得到最佳的增益值。经逐次逼近增益调节得到的最佳增益值就是系统最终的增益值G。

图7为采用本自动增益方法得到的图像，图像亮度适中细节清晰，系统增益值适合；图8为未采用自动增益得到的图像，图像整体偏暗无法分辨细节，系统的增益值过小；图9未采用自动增益得到的图像，图像整体偏两无法分辨细节，系统的增益值过大。

Claims (5)

1.一种快速高精度电子倍增CCD自动增益系统，其特征在于由EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、增益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCCD芯片相连；EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD数据采集芯片，该AD数据采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得出下一步调整所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD数据采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益电阻查找表在接收到FPGA芯片计算的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益电阻查找表传输的增倍电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。

2.一种快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD数据采集芯片，该AD数据采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得到直接增益调节和逐次逼近增益调节所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD数据采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益电阻查找表在接收到FPGA芯片计算的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益电阻查找表传输的倍增电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。

3.根据权利要求2所述的快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于直接增益调节是在EMCCD芯片采集完一帧的图像数据后，系统中FPGA芯片对采集的图像数据进行处理，得到当前帧的加权平均亮度值Y_n；计算出G_n+1，即系统需要调整到的增益值，计算出G_n+1后，FPGA芯片将G_n+1值发送到增益电阻查找表中得到倍增电路电阻值，系统按照电阻值调整电路参数改变系统的增益值，具体过程为：

采用加权灰度均值Y作为自动增益整体亮度的衡量标准，对于成像系统图像的平均灰度Y_a为：

$Y_a=\frac{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}(k=\mathrm{0,1,2},...,2^m)---\left(1\right)$

式中Y_j代表图像中第j级灰度，n_j是Y_j的数量，m是成像系统的图像数据位数；

以Y_a为图像灰度值的分界点，计算出高于Y_a的平均灰度值Y_aH，低于Y_a的平均灰度值Y_aL，a为Y_aH和Y_aL的分界点：

$Y_{\mathrm{aH}}=\frac{\underset{j=k}{\overset{2^m}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=k}{\overset{2^m}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}(k=a+1,a+2,...,2^m)---\left(2\right)$

$Y_{\mathrm{aL}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j\×Y_j}{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j}(k=\mathrm{0,1,2},...,a-1)---\left(3\right)$

图像的加权灰度均值Y表示为：

Y＝t_LY_aL+t_aY_a+t_HY_aH (4)

其中t_L、t_a、t_H分别为Y_aL、Y_a、Y_aH的权重系数，t_L、t_a和t_H的值由环境因素决定，其满足关系如下：

t_L+t_a+t_H＝1 (5)

电子倍增CCD的曝光函数可表示为：

Y＝k×L×G×T (6)

式中Y为图像加权灰度均值，k为系统常数，L为入射光强度，G为增益值，T为曝光时间；

对上式取对数简化运算得：

logY＝logk+logL+logG+logT (7)

对前后两帧图像有：

logY_n＝logk+logL_n+logG_n+logT_n (8)

logY_n+1＝logk+logL_n+1+logG_n+1+logT_n+1 (9)

Y_n、L_n、G_n和T_n分别为当前帧图像的加权灰度均值、入射光强度、增益值和曝光时间，Y_n+1、L_n+1、G_n+1和T_n+1为下一帧图像的平均亮度、入射光强度、增益值和曝光时间；

对于高帧频成像系统，在前后两帧图像的成像过程中入射光强度不发生变化，即L_n＝L_n+1，积分时间相同，即T_n＝T_n+1；

由公式(8)、(9)可得

logL_n+1＝logL_n＝logY_n-logk-logG_n-logT_n (10)

将式(10)代入(9)得

logY_n+1＝logk+logY_n-logk-logG_n-logT_n+logG_n+1+logT_n (11)

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1 (12)

图像的理想亮度值Y₀，即经过增益调节后下一帧图像加权灰度均值Y_n+1所要达到的亮度值：

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1 (13)

化简得：

$G_{n+1}=\frac{Y_0}{Y_n}{G}_n---\left(14\right)$

G_n+1就是下一步调整的增益值。

4.根据权利要求2所述的快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于经过直接增益调节后，电子倍增CCD成像系统在当前增益下，成像的平均亮度达到图像的理想亮度值Y₀，然后采用逐次逼近增益调节的方法，寻找最佳的增益值，使热点总像素比N值最小，逐次逼近增益调节步骤如下：

1)计算出当前帧的倍增噪声比N_n，n_j是第j个灰度级上的像

素数量，h₁是系数，m是成像系统的图像数据位数；

2)与前一帧N_n-1作比较：如果N_n<N_n-1，转到步骤3)，否则转到步骤5)；

3)N_n<N_n-1表明当前帧的倍增噪声比前一帧要小，认为系统抑制了噪声，调整G_n+1＝G_n+△G，转到步骤4)；

4)调整系统增益值，转到步骤1)；

5)N_n>N_n-1表明当前的噪声抑制效果没有前一增益值下效果好，即前一增益值是这组增益值中抑制噪声效果最好的增益值，调整为前一增益值即G_n+1＝G_n-△G；

6)调整系统的最终增益值G；

上述N_n和N_n-1分别为图像当前帧的热点总像素比和前一帧图像的热点总像素比，G_n为当前帧的增益值，G_n+1为微调过程中的下一帧增益值，△G为倍增微调中增益的最小分度值，G为系统最终增益值。

5.根据权利要求2所述的快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于在调节增益之前必须找到增益值与电阻值之间的对应关系，将增益值转换为电阻值，通过调节电阻值来实现对增益值的控制，采用增益电阻查找表实现增益值与电阻值之间的转换，增益电阻查找表中存放着与增益值相对应的电阻值，在FPGA芯片内部建立一张增益电阻查找表，将增益值和与之相对应的电阻值存放在查找表中，所述的增益电阻查找表是以直接调节增益值Gn作为查找表的地址，系统将直接调节增益值分为N+1档，分别为G0、G1……GN，对应的直接调节电阻值也分为N+1档，分别为R0、R1……RN，逐次逼近增益调节将直接增益调节电阻值Rn作为起始电阻，以ΔR作为电阻最小分度值，将电阻分为M+1档，分别为Rn、Rn+ΔR……Rn+M×ΔR；直接增益计算得到下一步调整的增益值G_n+1，通过查找增益电阻查找表得到直接调节电阻值R_n+1，以R_n+1调整接入倍增电压产生电路的电阻值，使系统增益达到G_n+1；直接增益完成后进入逐次逼近增益调节，在逐次逼近增益调节过程中，从R_n+1、R_n+1+ΔR……R_n+1+M×ΔR逐次增加接入倍增电压产生电路的电阻值，通过比较当前帧的N_n与上一帧的N_n-1，得到最佳的增益值，经逐次逼近增益调节得到的最佳增益值就是系统最终的增益值G，N_n和N_n-1分别为图像当前帧的热点总像素比和前一帧图像的热点总像素比。