CN104902266B - 遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法及装置 - Google Patents
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Abstract
遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法及装置，涉及遥感相机电子学测试领域，解决了对遥感相机电子学响应非线性认识不清、难以判别的问题，通过绘制视频响应曲线和响应非均匀性噪声曲线，判断和区分遥感相机电子学响应中的V/Q非线性和DN/V非线性。遥感相机电子学响应非线性测试与判别装置，包括积分球、光源、电机、电机驱动器、光阑、标准照度计、被测CCD、CCD驱动器、串口控制器、图像采集卡和计算机，其中图像采集需在暗室环境下进行。本发明能够有效区分遥感相机电子学响应的V/Q非线性和DN/V非线性，为有针对性地改进设计和后期校正数据提供理论和方法支持。
Description
技术领域
本发明涉及遥感相机电子学测试领域，具体涉及一种遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法及装置。
背景技术
遥感相机是以CCD(CMOS)为核心成像器件的数字型相机，其信息传递过程如图3所示。光信号到达成像靶面后经光电转换成为电荷量(Q)，然后通过电荷存储、转移、测量形成电压信号(V)，再经过相关双采样、AD转换等过程最终转换为视频码值信号(DN)。此过程包括光子-电子、电子-电压、电压-码值三次转换。理想情况下，三次转换均为线性过程，但实际工作中均存在非线性因素。将电子-电压转换产生的非线性定义为V/Q非线性，电压-码值转换产生的非线性定义为DN/V非线性。
以往，CCD(CMOS)输出响应及处理电路的非线性对相机调制传递函数(MTF)的影响常被忽略，或近似为一个常数(0.95)。但随着对地面像元分辨率、动态范围、信噪比等指标要求的提高，为保证良好的MTF，上述环节的非线性已不能被忽略。David H.Seib和NorlryM.Blouke等人曾先后对表面沟道和埋藏沟道器件的载流子扩散引起的MTF下降做出了分析，但信号转换合传递过程中产生的非线性对MTF的影响还未得到应有的重视，在已公开的文献中未找到有关V/Q非线性和DN/V非线性测试及区分的方法及装置。
军械工程学院的董怡等提出用光电池作为基准器件，使CCD和光电池接收同样的光照度，绘制CCD亮度响应与光电池输出电流值的曲线，作为非线性响应曲线，这种方法仅能绘制视频响应曲线，无法进一步对非线性类型做出区分，且使用的聚光镜、平行光管、半反半透镜光学系统难以保证为CCD和光电池提供均匀、等值的辐照度。现有采用光谱仪作为光源进行非线性测试等方法，都无法避免上述方法所面临的问题。
发明内容
本发明解决现有测试方法对遥感相机电子学响应非线性认识不清、难以判别的问题，提出一种遥感相机电子学响应非线性测试与判别装置及方法。
遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、电机驱动器控制电机调整光阑的孔径，实现对积分球出光口的输出光辐照度的调整；
步骤二、计算机通过标准照度计获得当前光辐照度值，通过图像采集卡及被测CCD获得当前照度下的图像，并将当前照度值及当前照度图像存储到计算机；
步骤三、逐步调整光阑孔径，图像采集卡采集从暗场到饱和状态的不同光辐照度下的图像，获得相对应的不同光辐照度值与图像序列；
步骤四、解析获得不同照度下图像的平均DN值，以光辐照度值为横轴，平均DN值为纵轴，绘制视频响应曲线；
步骤五、判断步骤四绘制视频响应曲线是否存在非线性，如果是，则进一步绘制PRNU噪声曲线，执行步骤六；如果否，进入步骤七；
步骤六、判断PRNU噪声曲线是否为一条水平直线，如果是，则存在DN/V非线性，并进行修正后再绘制视频响应曲线，返回步骤五；如果否，则存在V/Q非线性，或同时存在V/Q非线性和DN/V非线性，对V/Q非线性进行相应修正，再绘制视频响应曲线，返回步骤五；
步骤七、记录此前的判断和修正过程，测试结束。
遥感相机电子学响应非线性测试与判别装置，该装置需在暗室环境下操作；包括积分球、多个光源、电机、电机驱动器、光阑、标准照度计、被测CCD、CCD驱动器、串口控制器、图像采集卡和计算机；所述多个光源对称设置在积分球周围；所述电机驱动器设置在积分球上并通过串口控制器与计算机连接；串口控制器与标准照度计连接，所述光阑设置在积分球出光口处，所述电机驱动器驱动电机调整光阑孔径的大小，所述标准照度计及被测CCD均设置在积分球出光口外并与积分球出光口的轴线对称；所述图像采集卡分别与CCD驱动器和计算机连接。
本发明的有益效果：本发明所述的测试方法在理论分析的基础上，提出一种遥感相机电子学响应的V/Q非线性和DN/V非线性的区分方法，解决现有测试对非线性认识不清、难以判别的问题，并给出了具体的测试方法和实施方案。本发明能够有效区分遥感相机电子学响应的V/Q非线性和DN/V非线性，为有针对性地改进设计和后期校正数据提供理论和方法支持。
附图说明
图1为本发明所述的遥感相机电子学响应非线性测试与判别装置的框图；
图2为本发明所述的遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法的流程框图；
图3为遥感相机成像信息传递过程框图；
图4为V/Q非线性曲线图；
图5为PRNU噪声曲线图；
图6为本发明所述的遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法中采用CMOS相机进行测试的视频响应曲线示意图。
图7为本发明所述的遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法中CMOS相机的PRNU噪声曲线示意图。
图中：1、积分球，2、光源，3、电机驱动器，4、电机，5、光阑，6、标准照度计，7、被测CCD，8、CCD驱动器，9、串口控制器，10、图像采集卡，11、计算机。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，遥感相机电子学响应非线性测试与判别装置，包括积分球1、多个光源2、电机4、电机驱动器3、光阑5、标准照度计6、被测CCD7、CCD驱动器8、串口控制器9、图像采集卡10和计算机11；所述的多个光源2对称设置在积分球1周围；电机驱动器3设置在积分球1上，通过串口控制器9与计算机11连接；电机4设置在积分球1出光口处，受电机驱动器3控制；光阑5设置于积分球1出光口处，在电机4带动下调整大小；标准照度计6及被测CCD7均设置在积分球出光口外与光阑5对应处，两者到光阑5的距离相等；被测CCD7安装在CCD驱动器8上；串口控制器9分别与电机驱动器3、标准照度计6和计算机11连接，图像采集卡10分别与CCD驱动器8和计算机11连接。
本实施方式中所述的积分球1用于将光源2的光照转变为各向同性的光辐照度；所述的光源2用于向积分球1提供光照；电机4用于控制光阑5从而调整光阑孔径的大小；电机驱动器3用于驱动电机4运动；光阑5通过改变孔径大小来调整积分球1输出光辐照度的大小；标准照度计6用于提供被测CCD7所处位置的辐照度值；CCD驱动器8用于驱动被测CCD7在特定模式下工作；标准照度计6和被测CCD7到光阑的距离相等；所述的串口控制器9用于将计算机11和相关设备通过串口连接起来；图像采集卡10用于将被测CCD7的图像数据采集到计算机11中；所述的计算机11用于系统控制，图像采集，数据处理、存储及显示。
具体实施方式二、结合图2至图5说明本实施方式，遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法，本实施方式中从遥感相机电信号转换和传递的角度入手，提出了基于视频响应曲线和响应非均匀性(PRNU)噪声曲线相结合的方法，区分V/Q非线性和DN/V非线性的概念并给出了判别方法，为有针对性地改进设计和后期校正数据提供理论和方法支持。
理想条件下遥感相机信号转换和传递模型
光子-电子转换依据光电效应实现，不考虑电荷扩散、热噪声等因素，理想模型如式(1)所示。其中QPIX为像元存储电荷量，R为像元响应度(在固定波长下为常数)，E为幅照度，T为积分时间。
QPIX＝R×E×T (1)
电子-电压转换以测量电容为媒介，在电荷测量环节完成。理想情况下电容C为常数，该过程模型如式(2)。其中VREF为的参考电压，VTE为信号输出电压，VPIX为对应像元有效输出电压。
电压-码值过程在放大和AD转换环节实现。理想情况下，放大电路和AD转换均为线性，设信号放大过程增益为GA，AD转换系数为GAD，并设G＝GA×GAD，该过程数学模型如式(3)。
DNPIX＝GA×GAD×VPIX＝G×VPIX (3)
综上，理想条件下，传输型相机输入辐照度E到输出码值DNPIX的数学模型如式(4)所示，即为线性传递过程。但实际由于半导体工艺、电路设计等因素影响，电子-电压和电压-码值转换过程均会出现一定程度的非线性，严重时会对成像性能造成很大影响。
DNPIX＝R×T×E×G/C (4)
V/Q非线性和DN/V非线性
V/Q非线性发生在电子-电压转换过程。根据半导体PN结的C-V特性，测量电容C并非恒定不变，而是随着两端加载电压V的增大而减小，该现象尤其在CMOS传感器中较为明显。为了简化模型，不妨假设C、V成反比例关系(实际应用中可拟合更准确的函数关系，下述推导过程同样适用)，即
C＝k/V (5)
其中，k为半导体介电常数，将式(5)代入(2)的积分环节并进一步推导，可得出V/Q非线性的数学模型如式(6)所示，两者不再成线性关系。在直角坐标系中描述V/Q的非线性关系，其结果如图4所示，其中横轴为像元存储电荷量QPIX，纵轴为对应像元有效输出电压VPIX。
DN/V非线性发生在电压-码值转换过程。实际工作时，因芯片性能不理想、电路设计缺陷及温度环境变化等因素影响，在动态范围内对应不同的输入信号幅值，GA×GAD会发生变化，且变化具有较大随机性，基本表现为在低幅值区受电路本底噪声影响GA×GAD偏大，伴随幅值增大GA×GAD随机波动并呈现总体变小趋势，在接近饱和区时GA×GAD偏小。
系统存在电子学响应非线性可以通过视频响应曲线(其横轴为相机所探测的均匀光照度，纵轴为相应的平均DN值)得到直观体现，但是仅依靠视频响应曲线无法区分V/Q非线性和DN/V非线性。为了解决这一问题，本发明提出一种基于视频响应曲线结合PRNU噪声曲线的非线性判别方法。
PRNU噪声曲线
对于CCD(CMOS)的单个像元而言，在动态范围内其响应度可认为是常数。但不同像元间存在着响应度差异，该差异作为一种噪声定义为PRNU噪声。PRNU噪声采用噪声因子Ф来评价，根据式(4)可得出理想线性系统中Ф数学模型如式(7)所示，其中DNAV和б分别为消除光子霰粒噪声和暗电平校正后的所有像元DN的均值和标准偏差，n为像元数。PRNU噪声因子Ф随照度变化的曲线称为PRNU噪声曲线，理想条件下，PRNU噪声因子Ф只与像元间响应度差异有关，不随输入照度的改变而改变，因此PRNU噪声曲线应为一条水平直线。
V/Q非线性和DN/V非线性的判别
当系统中存在V/Q非线性和DN/V非线性中的任何一种时，视频响应曲线均会产生非线性。
若仅存在DN/V非线性，其体现为在输出信号幅值不同的区间内增益G不同，与各像元的响应度因素无关；又PRNU噪声曲线的斜率Ф的测试是在均匀图像下完成的，一幅图像中所有输出像元处于同一幅度水平，其增益G相同，在计算过程中作为公共量被抵消，因此PRNU曲线不受影响，仍为一条水平直线。
若存在V/Q非线性时，结合式(3)和式(6)可以得出PRNU曲线的斜率Ф，结合式(8)：
在响应度Ri和积分时间T固定时，随着入射幅照度E的变化，PRNU曲线如图5所示。可见系统存在V/Q非线性时，PRNU噪声曲线不再保持水平，而表现为PRNU噪声因子Ф随照度提高而下降。
综上，由DN/V非线性和V/Q非线性产生机理出发，通过视频响应曲线和PRNU噪声曲线相结合的测试方法可以有效区分两种非线性。
V/Q非线性和DN/V非线性产生机理不同，补偿和校正方法也不同。为了有效定位非线性的产生原因。
本实施方式中所述的方法包括以下步骤：
步骤1、开启测试装置，利用计算机11并通过电机驱动器3，控制电机4调整光阑5孔径的大小，从而调整积分球1输出光辐照度；
步骤2、计算机11通过标准照度计6获得当前照度值，通过图像采集卡10及被测CCD7获得当前照度下的图像，并分别存储到计算机11；
步骤3、逐步调整光阑5，使图像采集卡10从暗场到饱和状态的不同照度下的图像，从而获得相对应的照度与图像序列；
步骤4、解析获得不同照度下图像的平均DN值，以照度值为横轴，平均DN值为纵轴，绘制视频响应曲线；
步骤5、判断步骤四绘制视频响应曲线是否存在非线性，如果是，则进一步绘制PRNU噪声曲线，执行步骤6；如果否，进入步骤7；
步骤6、判断PRNU噪声曲线是否为一条水平直线，如果是，则存在DN/V非线性，并进行修正后再绘制视频响应曲线，返回步骤5；如果否，则存在V/Q非线性，或同时存在V/Q非线性和DN/V非线性，对V/Q非线性进行相应修正，再绘制视频响应曲线，返回步骤5；
步骤7、记录此前的判断和修正过程，测试结束。
具体实施方式三、结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式三的实施例，对某CMOS相机成像电子学系统进行测试：首先利用光源控制和图像采集系统，从暗场至饱和输出照度分梯度进行图像采集，每个照度采集若干幅面阵图像并计算图像均值，绘制视频响应曲线如图6所示，可见视频响应曲线出现了明显的非线性。此时可以判断该相机存在某种非线性因素。为了确定非线性的类型，进一步完成CMOS相机的PRNU噪声曲线测试，结果如图7所示。PRNU噪声因子随着照度增加逐渐降低，由此判断相机存在V/Q非线性。为解决V/Q非线性问题，更换一片CMOS传感器，然后重新采集图像并绘制视频响应曲线和PRNU噪声曲线。此时PRNU噪声曲线基本呈现为水平直线，表明新的CMOS传感器没有V/Q非线性；并且视频响应曲线具有良好的线性度(98.75％)，可由此判断系统没有DN/V非线性因素，而改进前的相机仅包括V/Q非线性因素。
Claims (3)
1.遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、电机驱动器(3)控制电机(4)调整光阑(5)的孔径，实现对积分球(1)出光口的输出光辐照度的调整；
步骤二、计算机(11)通过标准照度计(6)获得当前光辐照度值，通过图像采集卡(10)及被测CCD(7)获得当前照度下的图像，并将当前照度值及当前照度图像存储到计算机(11)；
步骤三、逐步调整光阑(5)孔径，图像采集卡(10)采集从暗场到饱和状态的不同光辐照度下的图像，获得相对应的不同光辐照度值与图像序列；
步骤四、解析获得不同照度下图像的平均DN值，以光辐照度值为横轴，平均DN值为纵轴，绘制视频响应曲线；
步骤五、判断步骤四绘制视频响应曲线是否存在非线性，如果是，则进一步绘制PRNU噪声曲线，执行步骤六；如果否，进入步骤七；
步骤六、判断PRNU噪声曲线是否为一条水平直线，如果是，则存在DN/V非线性，并进行修正后再绘制视频响应曲线，返回步骤五；如果否，则存在V/Q非线性，或同时存在V/Q非线性和DN/V非线性，对V/Q非线性进行相应修正，再绘制视频响应曲线，返回步骤五；所述DN为视频码值信号，Q为电荷量，V为电压信号；
步骤七、记录此前的判断和修正过程，测试结束。
2.一种执行根据权利要求1所述的遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法的装置，该装置需在暗室环境下操作；包括积分球(1)、多个光源(2)、电机、电机驱动器(3)、光阑(5)、标准照度计(6)、被测CCD(7)、CCD驱动器(8)、串口控制器(9)、图像采集卡(10)和计算机(11)；所述多个光源(2)对称设置在积分球(1)周围；所述电机驱动器(3)设置在积分球(1)上并通过串口控制器(9)与计算机(11)连接；串口控制器(9)与标准照度计(6)连接，所述光阑(5)设置在积分球(1)出光口处，所述电机驱动器(3)驱动电机(4)调整光阑(5)孔径的大小，所述标准照度计(6)及被测CCD(7)均设置在积分球(1)出光口外并与积分球(1)出光口的轴线对称；所述图像采集卡(10)分别与CCD驱动器(8)和计算机(11)连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的标准照度计及被测CCD到光阑的距离相等。
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