CN104634449B - 微光iccd信噪比测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微光ICCD信噪比测试系统及测试方法，它包括信噪比的测试系统和具体测试方法。本发明将ICCD置于暗箱中，均匀光入射ICCD，给ICCD加工作电压使其正常工作；调节渐变楔形光阑和可变孔径光阑改变光照度，采集ICCD的图像信号，得到平均信号值和均方根噪声值；挡住入射光源，采集暗背景下ICCD的图像信号，得到平均信号值和噪声均方根值；通过数据处理计算ICCD的信噪比值。该测试方法可以科学地评价ICCD的噪声特性，在微光器件的研制和生产中得到广泛应用。

Description

微光ICCD信噪比测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于微光测试技术领域，特别是一种微光ICCD信噪比测试系统及测试方法。

背景技术

微光ICCD的信噪比是评价微光ICCD噪声性能的主要参数。目前，国外拥有ICCD生产技术的公司通常将微光像增强器和CCD的性能指标分开提供，这是因为生产制造微光ICCD的公司主要通过购买像增强器和CCD器件进行耦合得到ICCD，不具备直接测试ICCD性能参数的能力或基于保密原因，所以没有直接给出微光ICCD的性能指标和测试方法。目前国外还没有查到关于微观ICCD性能参数测试的报道，更是没有提及信噪比的检测技术和方法。

在国内，已经有一些单位开展了ICCD性能参数测试的研究工作，但是还没有建立ICCD性能参数的标准，也没有关于微光ICCD信噪比测试方法的相关文献。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种微光ICCD信噪比测试系统及测试方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微光ICCD信噪比测试系统，包括卤钨灯光源、渐变楔形光阑、第一积分球、可变孔径光阑、第二积分球、待测ICCD和计算机；

卤钨灯光源与第一积分球入光面之间设置渐变楔形光阑，第一积分球的出光面与第二积分球的入光面之间设置可变孔径光阑，第二积分球的出光面的后端设置待测ICCD，微光ICCD的后端连接计算机；

卤钨灯光源发出的光线经过渐变楔形光阑对光照度进行衰减，衰减后的光入射到第一积分球内，第一积分球出射的光线通过可变孔径光阑对光照度进行衰减，衰减后的光入射到第二积分球内，第二积分球出射的光线照射在微光ICCD的探测面上，微光ICCD的后端连接计算机进行视频采集和信号处理。

一种基于上述微光ICCD信噪比测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将微光ICCD置于暗箱中，打开卤钨灯光源开关，给微光ICCD加工作电压；

步骤2、调节渐变楔形光阑和可变孔径光阑，采集当前照度下的平均信号值S_i,j和偏离平均值的均方根噪声值N_i,j；

步骤3、挡住卤钨灯光源入射光线，采集信号得到暗背景下的平均信号值S′_i,j和偏离平均值的均方根噪声值N′_i,j；

步骤4、确定当前照度下微光ICCD的信噪比SNR，单位为dB，所用公式为：

$\mathrm{SNR}=\frac{1}{m\×n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[20{\log }_{10}\left(\frac{S_{i,j}-S_{i,j}^{\′}}{N_{i,j}-N_{i,j}^{\′}}\right)\right]$

式中m×n为采样分辨率，m为采样区域的水平像素数，n为采样区域的垂直像素数，S_i,j为有光输入时ICCD的平均信号值，S′_i,j为无光输入时ICCD的平均信号值，N_i,j为有光输入时偏离平均值的均方根噪声值，N′_i,j为无光输入时偏离平均值的均方根噪声值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用楔形渐变光阑和可变孔径光阑实现对输出光源照度的精密调节。楔形渐变光阑可挡住入射光线，通过控制金属薄片移动的距离，实现照度的连续变化和精确控制；更换不同直径的可变孔径光阑控制光照度，再通过楔形渐变光阑进行精密调节，实现色温恒定下照度的连续变化，这种方式避免了传统拨杆式可变光阑的空回现象，具有稳定性和重复性好的特点。2)普通的小功率光源很难将照度值降低至10^-7lx，本发明采用双积分球、楔形渐变光阑和可变孔径光阑组成的双积分球系统，可获得10^-7～10³lx光照度的均匀漫反射光源。3)目前国内没有建立微光ICCD性能参数的标准，也没有关于ICCD信噪比测试方法的报道。本发明以ICCD性能参数中的信噪比作为测试的目标参数，根据信噪比的定义对信噪比的具体测试原理和方法进行研究，建立ICCD的信噪比评价方法和测试标准。本发明为ICCD的噪声特性的评价和ICCD器件的研制提供了理论支持和科学依据，可以广泛应用于军事侦查、微光告警、天文观测和航天航空器件的研制和生产中。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明所述的微光ICCD信噪比测试系统原理示意图。

图2是楔形渐变光阑示意图。

图3是可变孔径光阑示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种微光ICCD信噪比测试系统，包括卤钨灯光源1、渐变楔形光阑2、第一积分球3、可变孔径光阑4、第二积分球5、待测ICCD6和计算机7；

卤钨灯光源1与第一积分球3入光面之间设置渐变楔形光阑2，第一积分球3的出光面与第二积分球5的入光面之间设置可变孔径光阑4，第二积分球5的出光面的后端设置待测ICCD6，微光ICCD6的后端连接计算机7；

卤钨灯光源1发出的光线经过渐变楔形光阑2对光照度进行衰减，衰减后的光入射到第一积分球3内，第一积分球3出射的光线通过可变孔径光阑4对光照度进行衰减，衰减后的光入射到第二积分球5内，第二积分球5出射的光线照射在微光ICCD6的探测面上，微光ICCD6的后端连接计算机进行视频采集和信号处理。

所述渐变楔形光阑2是经过氧化发黑处理的金属薄片挡板，金属薄片挡板包括上挡板2-1和下挡板2-2，上挡板2-1是楔形金属薄片，下挡板2-2是与上挡板2-1契合的V型凹槽金属薄片。

所述可变孔径光阑4包括7个挡光薄片，每个挡光薄片的透光孔径均不同。

一种基于上述微光ICCD信噪比测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将微光ICCD6置于暗箱中，打开卤钨灯光源1开关，给微光ICCD6加工作电压；

步骤2、调节渐变楔形光阑2和可变孔径光阑4，采集当前照度下的平均信号值S_i,j和偏离平均值的均方根噪声值N_i,j；

步骤3、挡住卤钨灯光源1入射光线，采集信号得到暗背景下的平均信号值S′_i,j和偏离平均值的均方根噪声值N′_i,j；

步骤4、确定当前照度下微光ICCD的信噪比SNR，单位为dB，所用公式为：

$\mathrm{SNR}=\frac{1}{m\×n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[20{\log }_{10}\left(\frac{S_{i,j}-S_{i,j}^{\′}}{N_{i,j}-N_{i,j}^{\′}}\right)\right]$

式中m×n为采样分辨率，m为采样区域的水平像素数，n为采样区域的垂直像素数，S_i,j为有光输入时ICCD的平均信号值，S′_i,j为无光输入时ICCD的平均信号值，N_i,j为有光输入时偏离平均值的均方根噪声值，N′_i,j为无光输入时偏离平均值的均方根噪声值。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

本发明基于上述结构，测试系统的工作原理为：首先将微光ICCD置于暗箱中，打开卤钨灯光源开关。卤钨灯光源供电电压为24V，功率为50W。在均匀光源入射的情况下，给微光ICCD加工作电压12V。当光源输出电流稳定在2.083A时，光源色温基本稳定在2856K±50K，此时才能进行微光ICCD信噪比测试。

其次，由楔形渐变光阑、可变孔径光阑和两个积分球组成双积分球系统，卤钨灯光源产生的光线入射双积分球系统。以10^-4lx光照度作为微光ICCD的测试条件，通过更换不同直径的可变孔径光阑和移动渐变楔形光阑中楔形金属薄片的距离，对光照度进行精密调节照度，光源经过双积分球的漫反射作用输出均匀光，第二积分球出光面的光照度为10^-4lx。

接着，照度为10^-4lx的均匀光照射在微光ICCD的光敏面上，利用计算机对ICCD输出视频信号进行采集，连续采集50帧图像灰度值信号，图像分辨率为768×576，以768×576作为采样区域，每帧图像中第(i，j)个像素的灰度值分别用S1_i,j～S50_i,j表示，计算50帧图像中第(i，j)个像素的平均信号值S_i,j和偏离平均值的均方根噪声值N_i,j，所用公式为：

$S_{i,j}=\frac{{S1}_{i,j}+{S2}_{i,j}+...+{S50}_{i,j}}{50}---\left(1\right)$

$N_{i,j}=\sqrt{\frac{{({S1}_{i,j}-S_{i,j})}^2+{({S2}_{i,j}-S_{i,j})}^2+...+{({S50}_{i,j}-S_{i,j})}^2}{50}}---\left(2\right)$

挡住卤钨灯光源入射光线，采集暗背景下连续50帧图像灰度值信号，每帧图像中第(i，j)个像素的灰度值分别用S1′_i,j～S50′_i,j表示，计算50帧图像中第(i，j)个像素的平均信号值S′_i,j和偏离平均值的均方根噪声值N′_i,j，所用公式为：

$S_{i,j}^{\′}=\frac{S{1}_{i,j}^{\′}+S{2}_{i,j}^{\′}+...+S50_{i,j}^{\′}}{50}---\left(3\right)$

$N_{i,j}^{\′}=\sqrt{\frac{{(S{1}_{i,j}^{\′}-S_{i,j}^{\′})}^2+{(S{2}_{i,j}^{\′}-S_{i,j}^{\′})}^2+...+{(S50_{i,j}^{\′}-S_{i,j}^{\′})}^2}{50}}---\left(4\right)$

计算50帧图像中第(i，j)个像素的信噪比SNR_i,j，单位为dB，所用公式为：

${\mathrm{SNR}}_{i,j}=20{\log }_{10}\left(\frac{S_{i,j}-S_{i,j}^{\′}}{N_{i,j}-N_{i,j}^{\′}}\right)---\left(5\right)$

公式(5)得到第(i，j)个像素的信噪比SNR_i,j，确定10^-4lx光照度下，采样分辨率为768×576的信噪比SNR，单位为dB,所用公式为：

$\mathrm{SNR}=\frac{1}{768\×576}\underset{i=1}{\overset{768}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{576}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SNR}}_{i,j}---\left(6\right)$

最后，通过ICCD信噪比校准软件根据公式(1)～公式(6)，计算得到微光ICCD的信噪比SNR＝13.98dB。ICCD信噪比校准软件采用LabVIEW图形化编程软件，实现信噪比的计算、显示、存储和打印输出。

以上实施例以10^-4lx光照度作为测试条件，计算得出信噪比SNR＝13.98dB。根据本发明提供的微光ICCD信噪比测试系统及测试方法，通过对楔形渐变光阑和可变孔径光阑的精密调节，可获得色温恒定下10^-7～10³lx光照度的均匀漫反射光源，计算得到对应照度下的信噪比值。

Claims (3)

1.一种微光ICCD信噪比测试系统，其特征在于，包括卤钨灯光源[1]、渐变楔形光阑[2]、第一积分球[3]、可变孔径光阑[4]、第二积分球[5]、微光ICCD[6]和计算机[7]；

卤钨灯光源[1]与第一积分球[3]入光面之间设置渐变楔形光阑[2]，第一积分球[3]的出光面与第二积分球[5]的入光面之间设置可变孔径光阑[4]，第二积分球[5]的出光面的后端设置微光ICCD[6]，微光ICCD[6]的后端连接计算机[7]；

卤钨灯光源[1]发出的光线经过渐变楔形光阑[2]对光照度进行衰减，衰减后的光入射到第一积分球[3]内，第一积分球[3]出射的光线通过可变孔径光阑[4]对光照度进行衰减，衰减后的光入射到第二积分球[5]内，第二积分球[5]出射的光线照射在微光ICCD[6]的探测面上，微光ICCD[6]的后端连接计算机进行视频采集和信号处理；

所述的渐变楔形光阑[2]是经过氧化发黑处理的金属薄片挡板，金属薄片挡板包括上挡板[2-1]和下挡板[2-2]，上挡板[2-1]是楔形金属薄片，下挡板[2-2]是与上挡板[2-1]契合的V型凹槽金属薄片。

2.根据权利要求1所述的微光ICCD信噪比测试系统，其特征在于，可变孔径光阑[4]包括7个挡光薄片，每个挡光薄片的透光孔径均不同。

3.一种基于权利要求1所述微光ICCD信噪比测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将微光ICCD[6]置于暗箱中，打开卤钨灯光源[1]开关，给微光ICCD[6]加工作电压；

步骤2、调节渐变楔形光阑[2]和可变孔径光阑[4]，采集当前照度下的平均信号值S_i,j和偏离平均信号值的均方根噪声值N_i,j；

步骤3、挡住卤钨灯光源[1]入射光线，采集信号得到暗背景下的平均信号值S′_i,j和偏离平均信号值的均方根噪声值N′_i,j；

步骤4、确定当前照度下微光ICCD的信噪比SNR，单位为dB，所用公式为：

$SNR=\frac{1}{m\×n}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\[20{\log }_{10}\left(\frac{S_{i,j}-S_{i,j}^{\′}}{N_{i,j}-N_{i,j}^{\′}}\right)\]$

式中m×n为采样分辨率，m为采样区域的水平像素数，n为采样区域的垂直像素数，S_i,j为当前照度下的平均信号值，S′_i,j为暗背景下的平均信号值，N_i,j为当前照度下偏离平均信号值的均方根噪声值，N′_i,j为暗背景下偏离平均信号值的均方根噪声值。