CN112511771A - 一种高速输出科学级ccd视频信号的数字补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法及系统，包括首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型，基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；根据确定参数的等效电路模型，确立定标方案，通过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表，同时根据CCD成像系统噪声水平，设计了光强量化方法；当读出频率发生改变时，只需根据等效电路模型推导出该读出频率对应的补偿系数列表。本发明可以补偿由于读出时钟频率提升带来的CCD像元数值衰减问题，明确的光强量化方法、校正系数推导方法和数值验证方法，简单高效且具有很高补偿准确性。

Description

一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及高光谱成像技术领域，具体涉及一种高速输出科学级 CCD视频信号的数字补偿方法及系统。

背景技术

电荷耦合器件(CCD)的散粒噪声决定了成像电路的信噪比上限， 而散粒噪声取决于CCD满阱电荷数。因此为了提升成像系统的信噪比 需要选用深势阱的CCD。科学级CCD通常具有较深的势阱，受到读出 电路带宽的限制，这种CCD通常采用慢读出的方式输出CCD视频信 号。然而在有些场合，如星载差分吸收光谱仪(EMI)中使用的数字像 元合并方法，需要快速输出CCD视频信号，这会导致CCD读出数值 出现衰减。

提升CCD视频信号输出速度，通常有四种方式：使用势阱深度较 浅的高帧频CCD、多路输出、多行合并后输出、提升CCD读出时钟频 率。

CCD每个像元的信噪比R_SN(不考虑电路噪声，仅考虑像元)与其 所搜集到的电荷数N的关系如下式所示：

像元搜集到的电荷数上限即为CCD的满阱电荷数，取决于势阱深 度。因此势阱深度较浅的CCD信噪比也更低。通过多路输出的方式可 以成倍提升CCD视频信号输出速率，但是由于每个输出通道的电路不 可避免的存在差异性，因此会使每个通道读出的视频信号存在偏差， 增加CCD像元响应非均匀性(PRNU)。多行合并后读出，即使用多行 Binning方式输出CCD视频信号，将多行CCD先转移到最后一级读出 行中，再进行一次水平读出，这种方式需要最后一级读出行像元势阱 深度多倍与普通像元，否则很可能会发生电荷溢出。

科学级CCD通常具有较深的势阱深度以实现高信噪比成像，另外 为了保证图像的像元响应均匀性通常采用单通道读出的方式输出视频 信号。受到CCD读出电路带宽和读出方式的限制，科学级CCD视频 信号输出较慢，从而导致帧频较低。然而在某些场合需要快速输出CCD 视频信号，如星载差分吸收光谱仪(EMI)需要快速输出CCD视频信 号实现数字像元合并，或者需要提升CCD工作帧频、缩短CCD曝光 时间等场合。

通过提升CCD读出时钟频率可以实现视频信号高速输出。如EMI 正常工作模式下CCD的读出时钟频率为528KHz，数字像元合并模式 下为了快速输出CCD视频信号，CCD的读出时钟频率提升为2.11MHz。 然而提升读出时钟频率会导致CCD视频信号波形发生畸变，经后级信 号处理电路处理后表现为像元数值的衰减。

现有技术有提出将CCD读出电路等效为一阶积分电路，采用一阶 系统分析方法推导出理论补偿系数。该方法未针对不同光强条件提供 测试方法，且使用一阶系统等效CCD读出电路过于简单，校正准确性 无法保证。

发明内容

本发明提出的一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法 及系统，可根据CCD读出电路结构、CCD原理和相关双采样原理，采 用测试定标方法建立校正模型，实现衰减补偿。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，包括：

首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电 荷转移阶段的等效电路模型；

基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；

根据确定参数的等效电路模型，通过实验定标得到CCD成像系统 在不同光强条件下的补偿系数列表；

基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级 量化；

针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并 求解拟合参数；

确定每个能量条件下的校正系数；

基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。

进一步的，所述基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平， 进行光强等级量化，具体包括：

对于不同光强，CCD像元搜集到的电荷量不同，CCD读出电路转移 不同数量的电荷，其参数也会发生变化，则针对不同光强计算其电路 参数进而确定校正系数即：

先求取系统噪声，然后根据系统噪声量级确定光强量化级数；

CCD噪声水平与温度密切相关，因此每次测量需要保证温度恒定， 若工作温度不同，则需要在不同温度下确定校正系数，CCD成像系统噪 声与光强直接相关，不同光强对应不同噪声等级，考虑到系统噪声主 要包括电路噪声和散粒噪声，具体量化方法如下：

其中散粒噪声N_s与像元搜集到的电荷数q的关系为：

1)测试系统搭建：使用积分球+漫反射板系统做成像系统光源，积 分球能量可调；

2)测试CCD电路噪声：将CCD成像电路板AD输入管脚与地短接，此 时成像系统采集到的图像即包含系统偏置和电路噪声，采集M幅图像， M>1000，计算得到系统偏置B和电路噪声N_c，N_c为所有像元噪声平均 值；

3)计算成像系统增益：系统增益η表示CCD像元将搜集到的电荷量 q转换成像素值P的关系，如式(3)所示

P＝ηq+B (3)

4)将CCD接入成像系统，打开测试系统，调整积分球能量，使采集 到的图像像素值P₀在B+N_c，记此时积分球能量为A₀；

5)根据式(1)计算B+N_c对应的电荷量q₀，根据式(2)计算得到 散粒噪声N_s0，调整积分球能量，使采集到的图像像素值P₁在 B+N_c+N_s0左右，记此时积分球能量为A₁；

6)按步骤5)方法，计算得到像素值B+N_c+N_s0对应的散粒噪声 N_s1，调整积分球能量，使采集到的像素值P₂在B+N_c+N_s0+N_s1左右， 记此时积分球能量为A₂；

7)重复步骤6)直到像素值达到系统满量程，同时确保CCD不发生 饱和，此时成像系统采集到的像素值P_N在B+N_c+N_s0+N_s1+N_s2+ …+N_sN，记录此时积分球能量为A_N；

至此，CCD成像系统近饱和光强被量化为A₀～A_N，共N个量化等级。

进一步的，所述针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模 型参数拟合，并求解拟合参数具体步骤包括：

设定拟合模型如下式所示：

y(t)为输出波形在t时刻的幅值，a₀、a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃为 拟合参数；

等效电路模型拟合参数求解方法如下：

a)设定积分球能量为A₀，使用具有数据读出功能的数字示波器采 集M组CCD信号输出波形；

b)导出示波器采集到的波形数据，选择每个周期内最大值向后延 迟固定时间t1和下个周期最大值向前延伸固定时间t2区域内的数据；

c)将截取后的M’组数据进行平均；

d)对平均后的数据，按照式(8)所示拟合模型进行最小二乘法拟 合，求得拟合参数，得到输出波形时域表达式；

e)将CCD成像系统设置为慢速读出模式，记录步骤b)中所述截取 区域波形下降幅值V₀；

f)分别设定积分球能量为A₁、A₂、…、A_N，重复上述步骤，记 录步骤e)中的下降幅值V₁、V₂、…、V_N。

进一步的，所述确定每个能量条件下的校正系数具体包括：

设定CCD视频信号高速输出速率为K pixel/s，即每秒输出K个像 元，则输出单个像元的时间为1/K；

在不同积分球能量A₀、A₁、…、A_N条件下，结合对应的拟合结 果，在波形上确定后采样点的位置，得到其下降幅值即为V′₀、V′₁、…、 V′_N；

则每个能量条件下的校正系数下表所示：

校正系数表

进一步的，所述首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD 读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型具体包括：

CCD成像系统将OS输出的CCD信号经隔直电容、射级跟随器电 路、直流恢复电路、相关双采样电路这些电路转换为数字信号。

进一步的，所述基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效 电路模型参数包括CCD电荷读出阶段的读出电路等效为RC网络模型， 具体包括：

电路中场效应管各电极之间存在寄生参数，将各寄生参数等效为 一个定值电容或电阻；

在电荷读出阶段，CCD读出电路的两个场效应晶体管分别组成两 个源级跟随器，将其等效为同相比例放大电路，使用运放做电路模型；

将各寄生电容和寄生电阻等效为总电容和总电阻；

将CCD读出电路的两个场效应管及其寄生参数等效为两个反相积 分电路，两个反相积分电路用两个同相积分电路代替，即两个RC积分 电路；

C对电荷的搜集过程，也等效为一个积分电路。

另一方面，本发明还公开一种高速输出科学级CCD视频信号的数 字补偿系统，包括以下单元：

等效电路模型确定单元，用于基于CCD原理和内部电路示意图推 导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型；

等效电路模型参数确定单元，用于基于等效电路模型，采用实验 定标方法确定等效电路模型参数；

补偿系数列表确定单元，用于根据确定参数的等效电路模型，通 过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表；

电路模型拟合参数确定单元，基于补偿系数列表，根据CCD成像 系统噪声水平，进行光强等级量化，针对每个光强量化等级，使用波 形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数；

校正系数确定单元用于确定每个能量条件下的校正系数；

校正单元，用于基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。

由上述技术方案可知，本发明针对科学级CCD视频信号在快速输 出(超过正常读出频率时，CCD视频信号发送畸变)时的衰减问题， 提出了一套通用的补偿方法及系统。该方法首先基于CCD原理和内部 电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型，基 于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；根据确 定参数的等效电路模型，确立定标方案，通过实验定标得到CCD成像 系统在不同光强条件下的补偿系数列表，同时根据CCD成像系统噪声 水平，设计了光强量化方法；当读出频率发生改变时，只需根据等效 电路模型推导出该读出频率对应的补偿系数列表。

具体的说，本发明结合CCD读出电路结构、场效应管性质、CCD 时序波形和CCD引脚电平等信息，推导出CCD读出电路原理图，并 根据CCD工作原理得出CCD等效RC网络模型。在等效模型的基础 上，通过数据定标的方式获得了高速输出模式下图像衰减的补偿方法，并提供了补偿结果的验证方法。本发明实详细全面描述了CCD读出电 路高速输出视频信号补偿方法，可扩展科学级CCD工作频率，提升了 成像系统工作帧频。

本发明可以补偿由于读出时钟频率提升带来的CCD像元数值衰减 问题，明确的光强量化方法、校正系数推导方法和数值验证方法，简 单高效且具有很高补偿准确性。

本发明采用数字补偿方法，通过对CCD成像系统进行波形获取、 数值分析，即可实现由于读出电路系统带宽的限制造成的信号幅值衰 减补偿。进行一次实验室定标多次计算即可得到不同输出速率下的校 正系数。该方法可作为CCD成像系统实验室定标的一部分，成本低廉、 快速高效。

附图说明

图1a为包含CCD电荷读出阶段所有引脚的电路原理图；

图1b为忽略CCD行读出前的图像转移时钟脉冲I

和复位脉冲

仅考虑电荷读出阶段的电路原理图；

图2为CCD输出信号波形；图2(a)为不考虑寄生参数的理想波形， 图2(b)wei为快速输出时波形，图2(c)为慢速输出时波形。

图3为CCD读出电路原理图(a，包含寄生参数的读出电路；b， 源级跟随器等效为理想运放等效电路；c，寄生参数等效电路；d，RC 网络等效模型)；

图4为本发明实施例飞系统激励信号设定为矩形波的波形图；

图5为本发明实施例数字补偿方法流程图。

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。

本实施例所述的高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法， 包括：

首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电 荷转移阶段的等效电路模型；

基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；

根据确定参数的等效电路模型，通过实验定标得到CCD成像系统 在不同光强条件下的补偿系数列表；

基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级 量化；

针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并 求解拟合参数；

确定每个能量条件下的校正系数；

基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。

以下通过举例说明：

图1是CCD读出电路模型，图1(a)为包含CCD电荷读出阶段所有 引脚的电路原理图；图1(b)为忽略CCD行读出前的图像转移时钟脉 冲I

和复位脉冲

仅考虑电荷读出阶段的电路原理图；C1为电荷 搜集电容，T1、T2、T3和T4为场效应管，C2为级间电容，各引脚定义 如表1所示。

引脚	定义	幅值	类型
				IΦ3	图像转移时钟(第三相)	12V	时钟
OD	输出晶体管漏极	30V	直流
				RD	复位晶体管漏极	18V	直流
ΦR	复位脉冲	12V	时钟
				SS	衬底电压	9V	直流
OS	输出晶体管漏极	—	交流
				RΦ3	读出时钟(第三相)	12V	时钟

根据表1所示电压值和定义结合CCD读出时序，可知晶体管T1、T3 工作于截止区，T2、T4工作于饱和区，即T1、T3工作于开关模式，T2、 T4工作于信号放大模式。

电容C1用于搜集RΦ3时钟信号转移过来的电荷，并将其转换为电 压信号，这一电压信号即作为整个读出电路系统的初始信号。

在进行行转移之前，直流恢复电路需要一个脉冲信号，该脉冲信 号可通过图像转移时钟IΦ3导通T3，将RD信号加到T4栅极上。在此仅 分析行转移(即每行电荷的读出)过程，因此可忽略这一过程。

在行转移过程中，没进行一次电荷读出时，需要对读出电路进行 复位。复位脉冲ΦR导通T1，将RD信号加到T2栅极上。此阶段记为P1。

之后开始进行电荷转移，电荷在RΦ3的驱动下转移至电容C1，并 转化为电压信号，转移来的电荷会降低T2栅极上的电压幅值。此阶段 记为P2。T2、T4组成两个源极跟随器，将C1搜集的电荷信号转换为电 压信号并输出到后级电路。CCD成像系统将OS输出的CCD信号经隔直 电容、射级跟随器电路、直流恢复电路、相关双采样电路等转换为数 字信号。

由上述分析可知，CCD输出信号波形如图2所示。图2(a)为不 考虑寄生参数的理想波形，图2(b)wei为快速输出时波形，图2(c) 为慢速输出时波形。S1、S2为相关双采样的采样点。S1采样点位置在 复位脉冲下降沿和转移脉冲RΦ3上升沿之间，S2采样点为下一转移周 期复位脉冲上升沿前一个系统周期t_T。

由于晶体管寄生电容等原因，当工作频率提高时，获取的CCD输 出信号波形中电平的变换会缓慢进行。为了研究这一变化的过程，需 要明确读出电路在高频信号下的电路模型。

场效应管各电极之间存在寄生参数，包含寄生参数的场效应管等 效模型如图3所示，Cgd(Cgd2)、Cgs(Cgs2)、Cds(Cds2)分别为 栅极和漏极、栅极和源级、栅极和漏极之间的寄生电容，T1’和T2’为 理想场效应管，Rd(Rd2)、Rg(Rg2)、Rs(Rs2)为各极寄生电阻。 场效应管的寄生参数并非定常参数，晶体管内部载流子密度不同，即 通过不同的电流时，寄生参数数值不同。考虑到本电路中场效应管工 作在饱和区，漏极电流不随漏源级之间的电压变化。且此处仅讨论， 电荷转移期间电路的充放电效应，因此可将各寄生参数等效为一个定 值电容或电阻。在电荷读出阶段，CCD读出电路的两个场效应晶体管 分别组成两个源级跟随器，可将其等效为同相比例放大电路(放大倍 数为1)，使用运放做电路模型，如图3(b)所示。将各寄生电容和寄 生电阻等效为总电容C’和总电阻R’，可将电路简化，如图3(c)所示。 由图可见，CCD读出电路的两个场效应管及其寄生参数可等效为两个 反相积分电路，两个反相积分电路可用两个同相积分电路代替，即两 个RC积分电路；C1对电荷的搜集过程，也可等效为一个积分电路， Rcharge为等效充电电阻；综上，CCD电荷读出阶段的读出电路可等效 为RC网络模型，如图3(d)所示。

2补偿方法

根据推导出的CCD读出电路理论模型，求解其电路参数可得到电 路的阶跃响应时域波形，根据波形可计算得到CCD视频信号经相关双 采样后的像素值，将该像素值与慢速读出时波形对应的像素值进行比 较即可得到校正系数。

科学级CCD在水平读出期间，每次转移电荷之前都会进行复位操 作以清除前一像元电荷，可认为此时图3(d)所示的等效系统处于零 状态，求取其零状态阶跃响应即可。根据图3(d)所示模型，可知该 模型为四阶系统，直接求解其电路参数较困难，可使用数据拟合最小 二乘法求解其电路参数。根据电路模型，可得到其S域系统函数，从而 推测其时域表达式形式，即拟合模型，再结合实际观测数据通过计算 机拟合反演得到拟合模型参数，具体方法如下。

2-1光强等级量化

对于不同光强，CCD像元搜集到的电荷量不同，CCD读出电路转 移不同数量的电荷，其参数也会发生变化，因此需要针对不同光强计 算其电路参数进而确定校正系数。对于科学级CCD而言，其满阱电荷 数通常有几十万，不可能针对所有电荷量做定标，为此，可先求取系 统噪声，然后根据系统噪声量级确定光强量化级数。通常需要进行几 百次量化。针对每级做参数标定即可。

CCD噪声水平与温度密切相关，因此每次测量需要保证温度恒定。 若工作温度不同，则需要在不同温度下确定校正系数。CCD成像系统 噪声与光强直接相关，不同光强对应不同噪声等级，考虑到系统噪声 主要包括电路噪声和散粒噪声，确立了如下量化方法。其中散粒噪声N_s与像元搜集到的电荷数q的关系为：

1)测试系统搭建：使用积分球+漫反射板系统做成像系统光源，积 分球能量可调；

2)测试CCD电路噪声：将CCD成像电路板AD输入管脚与地短接， 此时成像系统采集到的图像即包含系统偏置和电路噪声，采集M (M＞1000)幅图像，计算得到系统偏置B和电路噪声N_c(所有像元噪 声平均值)；

3)计算成像系统增益：系统增益η表示CCD像元将搜集到的电荷 量q转换成像素值P的关系，如式(3)所示

P＝ηq+B (3)

4)将CCD接入成像系统，打开测试系统，调整积分球能量，使采 集到的图像像素值P₀在B+N_c左右，记此时积分球能量为A₀；

5)根据式(1)计算B+N_c对应的电荷量q₀，根据式(2)计算得到 散粒噪声N_s0，调整积分球能量，使采集到的图像像素值P₁在 B+N_c+N_s0左右，记此时积分球能量为A₁；

6)按步骤5)方法，计算得到像素值B+N_c+N_s0对应的散粒噪声 N_s1，调整积分球能量，使采集到的像素值P₂在B+N_c+N_s0+N_s1左右， 记此时积分球能量为A₂；

7)重复步骤6)直到像素值达到系统满量程左右，同时确保CCD不 发生饱和，此时成像系统采集到的像素值P_N在B+N_c+N_s0+N_s1+ N_s2+…+N_sN左右，记录此时积分球能量为A_N；

至此，CCD成像系统近饱和光强被量化为A₀～A_N，共N个量化等级。

2-2电路模型参数拟合

针对每个光强量化等级，使用波形法求取一组电路参数。根据图3 (d)所示模型，求解其系统方程如下式所示：

k₁＝C₂C′₂R_g

k₀＝C₂+C′₂

l₃＝C′C₂C′₂R_gR_g1R_chargeC₁

l₂＝C′C₂C′₂R_g(R_charge+R_g1)+R_g1R_chargeC₁(C₂C′₂+C′C₂+C′C′₂) +R_chargeC₁C₂C₂R_g

l₁＝(C₂C′₂+C′C₂+C′C′₂)(R_charge+R_g1)+R_chargeC₁C₂C′₂+C₂C′₂R_g

l₀＝C₂C′₂

系统激励信号设定为矩形波，其波形如图4所示：

其时域表达式和拉普拉斯变换为：

因此系统的响应函数S域表达式为：

根据拉普拉斯变换性质，只需求解式(7)前半部分，然后再进行 平移相加即可。结合响应函数S域表达式，设定拟合模型如下式所示：

y(t)为输出波形在t时刻的幅值，a₀、a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃为拟 合参数。

等效电路模型拟合参数求解方法如下：

a)设定积分球能量为A₀，使用具有数据读出功能的数字示波器采集 M组CCD信号输出波形；

b)导出示波器采集到的波形数据，按图2(b)中虚线框所示区域截 取数据，为确保一致性，选择每个周期内最大值向后延迟固定时间t1 和下个周期最大值向前延伸固定时间t2区域内的数据；

c)将截取后的M’组数据进行平均；

d)对平均后的数据，按照式(8)所示拟合模型进行最小二乘法拟 合，求得拟合参数，得到输出波形时域表达式；

e)将CCD成像系统设置为慢速读出模式(确保CCD读出波形下降 到水平)，CCD读出波形如图2(c)所示。记录步骤2)中所述截取区 域波形下降幅值V₀；

f)分别设定积分球能量为A₁、A₂、…、A_N，重复上述步骤，记录 步骤5)中的下降幅值V₁、V₂、…、V_N；

2-3高速输出视频信号数字补偿方法

设定CCD视频信号高速输出速率为K pixel/s，即每秒输出K个像 元，则输出单个像元的时间为1/K。在不同积分球能量A₀、A₁、…、A_N条 件下，结合对应的拟合结果，在波形上确定后采样点S2的位置，得到 其下降幅值即为V′₀、V′₁、…、V′_N。则每个能量条件下的拟合系数如表 2所示：

表2校正系数表

快速输出的CCD视频信号结果经模数转换后变为数字图像信号， 针对每个像素值可根据图5所示的流程图进行补偿。

2-4补偿结果验证方法

本发明所述方法得到的校正系数适用特定温度下CCD成像系统在 不同输出速率下的科学级CCD视频信号高速输出补偿。在特定输出速 率下，可用下述方法验证补偿结果。

1)在使用上述测试系统，保持CCD温度恒定，设定积分球亮度为 量化等级之一；

2)在特定高速输出速率模式下输出CCD视频信号，得到图像I₁；

3)使用数字补偿方法进行计算，得到图像I₂；

4)慢速读出模式下输出CCD视频信号，得到图像I₃；

5)比较图像I₂和图像I₃进行验证。

综上可知，本发明实施例从CCD读出电路结构和工作原理出发， 推导得到等效读出电路模型，并以此为依据得到一系列校正系数。该 方法进行一次实验室定标多次计算即可得到不同输出速率下的校正系 数。

实施例2：

同时在具体实施时也可忽略CCD读出电路结构，直接按照2-4节所 述验证方法直接得到校正系数。此方法得到的系数仅适用特定读出速 率，改变输出速率需要重新进行实验定标。具体步骤如下：

1)按照2节所述方法将光源亮度进行量化，结果为A′₀、A′₁、……、 A′_N；

2)将光源亮度调整为A′₀，将CCD成像电路设定为慢速读出模式， 求取有效像元像素值的平均值，记为P′₀；

3)将CCD成像电路设定为高速输出，速率为F；

4)求取有效像元像素值的平均值，记为P″₀；

5)得到校正系数μ′₀＝P′₀/P″₀；

6)分别设定光源亮度为A′₁、A′₂、……、A′_N，重复步骤2)～5)， 得到校正系数μ′₁、μ′₂、、μ′_N；

7)按照图5所示流程图，实现对输出速率为F时的CCD视频信号衰 减数字补偿。

本实施例提出了简易替代方案，即针对每个读出频率做一次上述 实验标定，也可得到补偿系数列表，但工作量大大增加，此方案适用 于读出频率单一或较少的CCD成像系统。

不同类型CCD工作原理有所不同，本专利针对采用相关双采样电 路的帧转移型CCD进行了方法的具体描述，其他类型CCD可参照这 一方法对高速输出带来的幅值衰减进行校正。

综上所述，本发明实施例结合CCD读出电路结构、场效应管性质、 CCD时序波形和CCD引脚电平等信息，推导出CCD读出电路原理图， 并根据CCD工作原理得出CCD等效RC网络模型。在等效模型的基 础上，通过数据定标的方式获得了高速输出模式下图像衰减的补偿方 法，并提供了补偿结果的验证方法。本发明实施例详细全面描述了CCD 读出电路高速输出视频信号补偿方法，可扩展科学级CCD工作频率， 提升了成像系统工作帧频。本发明提供的一种高速输出科学级CCD视 频信号数字补偿方法，可以补偿由于读出时钟频率提升带来的CCD像 元数值衰减问题。本发明明确的光强量化方法、校正系数推导方法和 数值验证方法，简单高效且具有很高补偿准确性。

另一方面本发明实施例还公开一种高速输出科学级CCD视频信号 的数字补偿系统，其特征在于：包括以下单元：

等效电路模型确定单元，用于基于CCD原理和内部电路示意图推 导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型；

等效电路模型参数确定单元，用于基于等效电路模型，采用实验 定标方法确定等效电路模型参数；

补偿系数列表确定单元，用于根据确定参数的等效电路模型，通 过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表；

电路模型拟合参数确定单元，基于补偿系数列表，根据CCD成像 系统噪声水平，进行光强等级量化，针对每个光强量化等级，使用波 形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数；

校正系数确定单元用于确定每个能量条件下的校正系数；

校正单元，用于基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方 法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的 相应部分。

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 (7)

1.一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：

首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型；

基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；

根据确定参数的等效电路模型，通过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表；

基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级量化；

针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数；

确定每个能量条件下的校正系数；

基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。

2.根据权利要求1所述的高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：所述基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级量化，具体包括：

对于不同光强，CCD像元搜集到的电荷量不同，CCD读出电路转移不同数量的电荷，其参数也会发生变化，则针对不同光强计算其电路参数进而确定校正系数即：

先求取系统噪声，然后根据系统噪声量级确定光强量化级数；

CCD噪声水平与温度密切相关，因此每次测量需要保证CCD温度恒定，若工作温度不同，则需要确定在不同温度下的校正系数，CCD成像系统噪声与光强直接相关，不同光强对应不同噪声等级，考虑到系统噪声主要包括电路噪声和散粒噪声，具体量化方法如下：

其中散粒噪声N_s与像元搜集到的电荷数q的关系为：

1)测试系统搭建：使用积分球+漫反射板系统做成像系统光源，积分球能量可调；

2)测试CCD电路噪声：将CCD成像电路板AD输入管脚与地短接，此时成像系统采集到的图像即包含系统偏置和电路噪声，采集M幅图像，M＞1000，计算得到系统偏置B和电路噪声N_c，N_c为所有像元噪声平均值；

3)计算成像系统增益：系统增益η表示CCD像元将搜集到的电荷量q转换成像素值P的关系，如式(3)所示

P＝ηq+B (3)

4)将CCD接入成像系统，打开测试系统，调整积分球能量，使采集到的图像像素值P₀在B+N_c，记此时积分球能量为A₀；

5)根据式(1)计算B+N_c对应的电荷量q₀，根据式(2)计算得到散粒噪声N_s0，调整积分球能量，使采集到的图像像素值P₁在B+N_c+N_s0左右，记此时积分球能量为A₁；

6)按步骤5)方法，计算得到像素值B+N_c+N_s0对应的散粒噪声N_s1，调整积分球能量，使采集到的像素值P₂在B+N_c+N_s0+N_s1左右，记此时积分球能量为A₂；

7)重复步骤6)直到像素值达到系统满量程，同时确保CCD不发生饱和，此时成像系统采集到的像素值P_N在B+N_c+N_s0+N_s1+N_s2+…+N_sN，记录此时积分球能量为A_N；

至此，CCD成像系统近饱和光强被量化为A₀～A_N，共N个量化等级。

3.根据权利要求2所述的高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：所述针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数具体步骤包括：

设定拟合模型如下式所示：

y(t)为输出波形在t时刻的幅值，a₀、a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃为拟合参数；

等效电路模型拟合参数求解方法如下：

a)设定积分球能量为A₀，使用具有数据读出功能的数字示波器采集M组CCD信号输出波形；

b)导出示波器采集到的波形数据，选择每个周期内最大值向后延迟固定时间t1和下个周期最大值向前延伸固定时间t2区域内的数据；

c)将截取后的M’组数据进行平均；

d)对平均后的数据，按照式(8)所示拟合模型进行最小二乘法拟合，求得拟合参数，得到输出波形时域表达式；

e)将CCD成像系统设置为慢速读出模式，记录步骤b)中所述截取区域波形下降幅值V₀；

f)分别设定积分球能量为A₁、A₂、…、A_N，重复上述步骤，记录步骤e)中的下降幅值V₁、V₂、…、V_N。

4.根据权利要求3所述的高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：所述确定每个能量条件下的校正系数具体包括：

设定CCD视频信号高速输出速率为Kpixel/s，即每秒输出K个像元，则输出单个像元的时间为1/K；

在不同积分球能量A₀、A₁、...、A_N条件下，结合对应的拟合结果，在波形上确定后采样点的位置，得到其下降幅值即为V′₀、V′₁、...、V′_N；

则每个能量条件下的校正系数下表所示：

校正系数表

5.根据权利要求1所述的高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：所述首先基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型具体包括：

CCD成像系统将OS输出的CCD信号经隔直电容、射级跟随器电路、直流恢复电路、相关双采样电路这些电路转换为数字信号。

6.根据权利要求1所述的高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿方法，其特征在于：所述基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数包括CCD电荷读出阶段的读出电路等效为RC网络模型，具体包括：

电路中场效应管各电极之间存在寄生参数，将各寄生参数等效为一个定值电容或电阻；

在电荷读出阶段，CCD读出电路的两个场效应晶体管分别组成两个源级跟随器，将其等效为同相比例放大电路，使用运放做电路模型；

将各寄生电容和寄生电阻等效为总电容和总电阻；

将CCD读出电路的两个场效应管及其寄生参数等效为两个反相积分电路，两个反相积分电路用两个同相积分电路代替，即两个RC积分电路；

C对电荷的搜集过程，也等效为一个积分电路。

7.一种高速输出科学级CCD视频信号的数字补偿系统，其特征在于：包括以下单元：

等效电路模型确定单元，用于基于CCD原理和内部电路示意图推导出CCD读出电路在电荷转移阶段的等效电路模型；

等效电路模型参数确定单元，用于基于等效电路模型，采用实验定标方法确定等效电路模型参数；

补偿系数列表确定单元，用于根据确定参数的等效电路模型，通过实验定标得到CCD成像系统在不同光强条件下的补偿系数列表；

电路模型拟合参数确定单元，基于补偿系数列表，根据CCD成像系统噪声水平，进行光强等级量化，针对每个光强量化等级，使用波形法进行电路模型参数拟合，并求解拟合参数；

校正系数确定单元用于确定每个能量条件下的校正系数；

校正单元，用于基于校正系数，对CCD读出的图像进行校正。

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