CN112217959B - 一种星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

一种星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法及存储介质，本发明基于临边工作模式的CCD，在不同帧转移时间内，获取Smear校准图像，去除Smear噪声的方法。本发明顺势使用了临边的工作模式，在不影响曝光时间和工作模式条件下，通过两幅相邻图像即可完成Smear图像校准，减小处理难度和所耗资源，满足图像信噪比要求。

Description

一种星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法及存储介质

技术领域

本发明涉及探测器Smear噪声技术领域，具体涉及一种星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法。

背景技术

星载临边载荷是一种使用CCD探测器探测地球临边空间大气成分的仪器，该仪器CCD拍摄的目标位置主要在对流层上方和平流层全部。载荷一般工作在705km的轨道，沿着后向切线方通过摆扫方式，从下往上进行扫描大气完成测量，正常工作扫描范围0-50km，一般1分钟内完成一次扫描过程。

扫描过程是由单步组成，电机每转到指定角度，CCD完成拍照。一个扫描周期通常为1分钟，且单步步数在30步左右，因此留给单步拍照的幅数通常不会超过16幅。同时为提高CCD的动态范围，CCD的曝光时间从50毫秒到1秒不等，因此临边探测CCD的工作模式通常为短曝光和多幅累加。但是当CCD的曝光时间较短时，CCD的Smear现象就成为噪声的主要来源，影响气体的反演精度。

星载临边载荷一般使用大面元、深势阱的CCD探测器，用于微弱气体信号探测。深势阱探测器可以带来较强的信号幅度，但同时引入了Smear效应。Smear主要发生在CCD帧转移阶段，当CCD完成曝光时，曝光图像需要从光敏区转移到存储区，我们称为帧转移阶段。假设某科学级CCD面元为1024X1024个像元，则帧转移时间约为5个毫秒。在这5个毫秒时间内，CCD光敏面仍然接收到光粒子产生电荷累加在图像上，我们称之为Smear噪声。而临边载荷为提高痕量气体的测量动态范围，工作模式通常选择短曝光，多幅测量来获得高低浓度的气体。短曝光时间可达50毫秒，这样在帧转移下产生的Smear噪声，占到信号的10％左右，因此Smear噪声的去除不可忽视。

现阶段Smear噪声的去除有以下几种方式，如可在光路上添加机械快门，在帧转移期间关闭快门，可避免额外光信号产生，但该方法主要用于地面慢速拍照，临边载荷摆扫成像速度较快，且空间应用不适合使用低可靠性机械类结构；也有从帧转移原理出发，建立列相关帧转移的曝光和时间模型，建立算法去逐行求解Smear的大小，再在图像中扣除，该方法精度较高，但不能有饱和像元，且实时求解需要消耗较高的资源，通常使用在需要快速反应的场合，不适合临边星上或地面数据处理使用；还有利用CCD的暗参考行只在帧转移期间曝光消除Smear的，该方法简单实用，但是暗参考行只在CCD两端，行数很少，且会漏光污染，因此按行线性结算Smear偏差较大，只适用于长曝光，强信号载荷。

发明内容

本发明提出的一种星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法，本发明通过改变CCD帧转移时间及CCD拍照的时序，获得每帧图像的Smear校正帧，从而实现Smear噪声的消除。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法，用于消除星载临边CCD探测器的Smear噪声，包括以下步骤：

S100、在成像指令到来前，使临边CCD仅进行电荷倾泻时序；

S200、接收到成像指令后，停止电荷倾泻，IΦ、SΦ、DG驱动信号不动作，CCD曝光区进行曝光成像；

S300、每次曝光区后面衔接帧转移区；

S400、在第二幅曝光开始时，进行CCD存储区第一幅成像数据的读出；在图像读出过程中，通过数字逻辑操作产生行读出时钟时序RΦ，逐行读出存储区成像电荷；

S500、完成N幅图像数据读取；CCD驱动模块停止拍摄，等待下次成像指令；

S600、对N幅图像做暗背景和偏置帧背景扣除；

S700、每相邻的偶数图减去奇数图；

S800、获得每相邻两图的Smear图，该相邻两图处于N幅图的X和X+1位置，X位置为奇数图，X+1位置为偶数图，则X奇数图减去1倍的每相邻两图的Smear图，X+1偶数图减去2倍的所述每相邻两图的Smear图，最终完成Smear校准。

进一步的，所述S100阶段的CCD时钟操作方式是：通过电荷积分区转移时钟IΦ和电荷储存区转移时钟SΦ的作用，将电荷积分区的残余电荷向下转移，同时打开CCD的倾泻门极DG，使得电荷在倾泻通道进行倾泻。

进一步的，所述S200中曝光时间由主控发送给出，所有N幅图像成像曝光时间相同。

进一步的，所述S300具体为“帧转移”阶段驱动电荷积分区转移时钟IΦ和电荷储存区的转移时钟SΦ，将电荷积分区电荷垂直转移到电荷储存区。

进一步的，所述S300具体为：

设帧转移行数为1024行，则IΦ、SΦ需要产生1024个行转移脉冲，转移曝光区电荷；

设置帧转移计数时钟Cnt1周期为5微秒，则帧转移时间为：1024×5微秒＝5.12毫秒；

设置帧转移计数时钟Cnt2周期为10微秒，则帧转移时间为：1024×10微秒＝10.24毫秒；

N幅图像帧转移以Cnt1和Cnt2轮换计数。

另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明的星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法，基于临边工作模式的CCD，在不同帧转移时间内，获取Smear校准图像，去除Smear噪声的方法。本发明顺势使用了临边的工作模式，在不影响曝光时间和工作模式条件下，通过两幅相邻图像即可完成Smear图像校准，减小处理难度和所耗资源，满足图像信噪比要求。

附图说明

图1是本发明实施例驱动时序以CCD三相驱动时钟为例，CCD成像区为1024×1024像元；

图2是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为临边CCD转动到设定角度后，单步成像连续拍摄时序图。主要包括“电荷倾泻”、“帧转移”以及“图像曝光&行读出”。工作过程为主控向CCD驱动模块发送成像指令，包括积分时间和拍照幅数(设成像幅数总为N幅)，CCD驱动模块根据指令要求产生CCD驱动时序进行连续拍照，拍照结束后，等待电机转动到下一个拍摄角度，重新接收指令进行拍摄，如此往复。图1驱动时序以CCD三相驱动时钟为例，CCD成像区为1024×1024像元。

如图2所示，具体消除步骤如下：

1、当成像指令到来前，临边CCD仅进行电荷倾泻时序。“电荷倾泻”阶段对残留在CCD电荷积分区的电荷进行清除，从而保证尽量减小成像时CCD的背景噪声。该阶段的CCD时钟操作方式是：通过电荷积分区转移时钟IΦ和电荷储存区转移时钟SΦ的作用，将电荷积分区的残余电荷向下转移，同时打开CCD的倾泻门极DG，使得电荷在倾泻通道进行倾泻。

2、接收到成像指令后，停止电荷倾泻，IΦ、SΦ、DG驱动信号不动作，CCD曝光区进行曝光成像。曝光时间由主控发送给出，所有N幅图像成像曝光时间相同。

3、如图1所示，每次曝光区后面衔接帧转移区。“帧转移”阶段驱动电荷积分区转移时钟IΦ和电荷储存区的转移时钟SΦ，将电荷积分区电荷垂直转移到电荷储存区。

设帧转移行数为1024行，则IΦ、SΦ需要产生1024个行转移脉冲，转移曝光区电荷。

设置帧转移计数时钟Cnt1周期为5微秒，则帧转移时间为：1024×5＝5.12毫秒。

设置帧转移计数时钟Cnt2周期为10微秒，则帧转移时间为：1024×10＝10.24毫秒。

Cnt2周期为Cnt1两倍。Cnt2和Cnt1不仅限于两倍关系。帧转移计数时钟周期需要根据CCD手册设置合理值，太小不能保证电荷转移效率，太大降低成像效率，影响临边摆扫速率。

N幅图像帧转移以Cnt1和Cnt2轮换计数。

4、从第二幅曝光开始的同时，进行CCD存储区第一副成像数据的读出。读出通过产生RΦ时序，逐行读出存储区成像电荷。

5、按照图1完成N幅图像数据读取。CCD驱动模块停止拍摄，等待下次成像指令。

6、对N幅图像做暗背景和偏置帧背景扣除。

7、每相邻的偶数图减去奇数图，例如图2减去图1，图4减去图3，以此类推。

8、获得每相邻两图的Smear图，如上假设的5.12毫秒Smear图，共N/2个Smear图。获得每相邻两图的Smear图的用意是，临边载荷时处于在轨飞行状态，由于曝光时间短，相邻两图在帧转移时的探测目标变化较小，也就是Smear基本不会变化。

9、设相邻两图为处于N幅图的X和X+1位置，X位置为奇数图，X+1位置为偶数图，则X奇数图减去1倍的每相邻两图的Smear图，X+1偶数图减去2倍的所述每相邻两图的Smear图，最终完成Smear校准。

由上可知，临边载荷工作通过电机摆扫，单步走动拍摄。每个单步可拍摄N幅短曝光图像，本发明基于该工作模式特征，间隔设置每幅图像的帧转移时间不同，例如从第一幅图开始，奇数帧帧转移时间为5毫秒，偶数帧帧转移时间为10毫秒，以此交叉拍摄，相邻帧偶数帧减去奇数帧可获得5毫秒下的Smear偏置值，然后每幅图减去Smear偏置值可获得校准后的图像。该方法只需精确设置奇数图和偶数图的帧转移时的CCD驱动时序，后期处理方法也较为简单，满足临边气体测量的精度需求。

另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法，用于消除星载临边CCD探测器的Smear噪声，其特征在于包括以下步骤：

S100、在成像指令到来前，使临边CCD仅进行电荷倾泻时序；

S200、接收到成像指令后，停止电荷倾泻，电荷积分区转移时钟IΦ、电荷储存区转移时钟SΦ、CCD的倾泻门极DG驱动信号不动作，CCD曝光区进行曝光成像；

S300、每次曝光区后面衔接帧转移区；

S400、在第二幅曝光开始时，进行CCD存储区第一幅成像数据的读出；在图像读出过程中，通过数字逻辑操作产生行读出时钟时序RΦ，逐行读出存储区成像电荷；

S500、完成N幅图像数据读取；CCD驱动模块停止拍摄，等待下次成像指令；

S600、对N幅图像做暗背景和偏置帧背景扣除；

S700、每相邻的偶数图减去奇数图；

S800、获得每相邻两图的Smear图，该相邻两图处于N幅图的X和X+1位置，X位置为奇数图，X+1位置为偶数图，则X奇数图减去1倍的每相邻两图的Smear图，X+1偶数图减去2倍的所述每相邻两图的Smear图，最终完成Smear校准。

2.根据权利要求1所述的星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法，其特征在于：所述S100阶段的CCD时钟操作方式是：通过电荷积分区转移时钟IΦ和电荷储存区转移时钟SΦ的作用，将电荷积分区的残余电荷向下转移，同时打开CCD的倾泻门极DG，使得电荷在倾泻通道进行倾泻。

3.根据权利要求2所述的星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法，其特征在于：所述S200中曝光时间由主控发送给出，所有N幅图像成像曝光时间相同。

4.根据权利要求3所述的星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法，其特征在于：所述S300具体为“帧转移”阶段驱动电荷积分区转移时钟IΦ和电荷储存区的转移时钟SΦ，将电荷积分区电荷垂直转移到电荷储存区。

5.根据权利要求3所述的星载临边CCD探测器的Smear噪声消除方法，其特征在于：所述S300具体为：

设帧转移行数为1024行，则IΦ、SΦ需要产生1024个行转移脉冲，转移曝光区电荷；

设置帧转移计数时钟Cnt1周期为5微秒，则帧转移时间为：1024×5微秒＝5.12毫秒；

设置帧转移计数时钟Cnt2周期为10微秒，则帧转移时间为：1024×10微秒＝10.24毫秒；

N幅图像帧转移以Cnt1和Cnt2轮换计数。

6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。

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