CN112672141B

CN112672141B - 一种tdi ccd非感光区域漏光率检测系统及方法

Info

Publication number: CN112672141B
Application number: CN202011484644.4A
Authority: CN
Inventors: 白芸; 张雷; 贺小军; 陈茂胜; 邹吉炜; 姜健; 曹金彦; 李瑞峰
Original assignee: Chang Guang Satellite Technology Co Ltd
Current assignee: Chang Guang Satellite Technology Co Ltd
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-01-07
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: CN112672141A

Abstract

本发明公开了一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统及方法。包括：编写FPGA信号处理模块的驱动时序单元和图像数据整合单元，搭建图像采集平台；调整FPGA中各谱段的驱动时序，将TDI CCD各谱段有效感光像元紧邻的无效像元一并输出，并在PC机图像采集模块中和有效像元同时显示并存储；将TDI CCD置于均匀光源下，设置TDI CCD成像参数，并在同一参数下分别进行暗场和亮场成像；选取相同成像参数下的暗场和亮场图像，比对处理；判定TDI CCD非感光区域是否存在漏光现象，并通过计算漏光率判定漏光现象的严重程度。本发明能够解决TDI CCD非感光区域不易发觉微漏光现象的问题。

Description

一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统及方法，属于CCD漏光检测技术领域。

背景技术

CCD传感器作为光电成像器件，可以将所接收的光子转换为电荷，并在积分时间内积累、存储、转移，最终转变为电压输出。TDI CCD(时间延迟积分ccd图像传感器)因其具有灵敏度高、动态范围大、寿命长、可靠性高等特点，被广泛地应用于光学遥感相机中。

目前国产TDI CCD尚未发展到成熟阶段，成熟型号较少，定制类型号均需大量的应用验证以确保其较优的成像质量，其中对像质影响较大的一类问题即为非感光区域漏光现象。部分新型TDI CCD因设计局限，如部分谱段缺少隔离行等，极易出现非感光区域微漏光现象，该现象会直接影响TDI CCD相机的信噪比和传递函数等指标。针对漏光现象，通常采用转移效率等光电参数测试来表征；但当漏光程度较弱，且CCD像元较多时，常规的光电参数测试无法发现异常，不易发觉微漏光问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统及方法，以解决当TDI CCD非感光区域漏光程度较弱，且CCD像元较多时，常规的光电参数测试不易发觉非感光区域漏光现象的问题。

一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统，所述系统包括电源模块、TDI CCD、驱动模块、FPGA信号处理模块、视频处理模块、接口模块和PC机图像采集模块，所述FPGA信号处理模块通过驱动模块与所述TDI CCD连接，所述TDI CCD通过所述视频处理模块与所述FPGA信号处理模块连接，所述FPGA信号处理模块还通过所述接口模块与所述PC机图像采集模块双向连接，所述电源模块为所述检测系统提供适配的电压。

进一步的，所述电源模块，用于将+30V一次电压转换为测试系统所需的各种电压，并输出至各个所需的功能模块中；

所述驱动模块，用于对所述FPGA信号处理模块产生的各种时序信号进行驱动放大和调整，为所述TDI CCD提供所需的时序信号；

所述FPGA信号处理模块，用于时序信号控制、成像参数配置以及视频数字信号整合缓存及输出；

所述视频处理模块，用于对所述TDI CCD输出的视频信号进行低噪声放大和传输，并通过双采样及模数转换转换为数字信号；

所述接口模块，包括数传接口和通信接口，所述数传接口，用于将图像数据采用高速串行的LVDS发送至所述PC机图像采集模块；所述通信接口，用于接收所述PC机图像采集模块发送的控制信号和配置参数信息，并将配置后状态反馈至所述PC机图像采集模块；

所述PC机图像采集模块，用于配置TDI CCD成像参数并显示配置后状态，配置成功后将接收到的图像数据以约定格式按照谱段进行分离和整合，并在所述PC端实时显示存储和数据处理。

一种TDI CCD非感光区域漏光率检测方法，基于上述的一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统，所述检测方法包括以下步骤：

步骤一、按所采用TDI CCD的使用要求，编写FPGA信号处理模块的驱动时序单元和图像数据整合单元，搭建图像采集平台；

步骤二、在步骤一的基础上，调整FPGA中各谱段的驱动时序，将TDI CCD各谱段有效感光像元紧邻的无效像元一并输出，并在PC机图像采集模块中和有效像元同时显示并存储；

步骤三、将TDI CCD置于均匀光源下，设置TDI CCD成像参数，并在同一参数下分别进行暗场和亮场成像；

步骤四、选取相同成像参数下的暗场和亮场图像，进行比对处理；通过处理后有效感光像元和无效像元状态判定TDI CCD非感光区域是否存在漏光现象，并通过计算漏光率判定漏光现象的严重程度。

进一步的，在步骤一中，具体的，FPGA信号处理模块按TDI CCD时序要求输出驱动信号，经驱动模块放大、调整及电平转换后，为TDI CCD提供工作所需的驱动时序，此外，FPGA信号处理模块通过接口模块中的通信接口接收PC机图像采集模块的指令，对视频处理模块中的视频处理器的参数或TDI CCD的各项成像参数进行配置；并将配置后的状态反馈回PC机图像采集模块，

TDI CCD输出的模拟信号，在视频处理模块中，经射随电路进行低噪声放大后传输，由视频处理器完成对模拟信号的双采样、增益放大和模数转换后，转换为数字信号并传输至FPGA信号处理模块，

FPGA信号处理模块按约定的量化位数对数字图像信号进行采集，并将各个谱段的图像数据按照约定格式进行整合后，传输至接口模块中的数传接口，数传接口将图像数据采用高速串行的LVDS发送至PC机图像采集模块，

PC机图像采集模块将TDI CCD各谱段的图像数据进行分离并重新整合，按照约定规则同步显示各谱段图像，并将图像进行存储便于后续数据处理。

进一步的，在步骤二中，具体的，TDI CCD除输出有效像元外，将信号输出方向上有效像元紧邻的无效像元继续输出；且FPGA信号处理模块同时将无效像元接收，按照和有效像元相同的方式处理并输出，最终在PC机图像采集模块中，按像元输出顺序同时显示并存储。

进一步的，在步骤三中，具体包括以下步骤：

步骤三一：关闭积分球，并确保无杂光影响；设置TDI CCD成像参数，拍摄并存储暗场图像；

步骤三二：打开光源，令TDI CCD在相同参数下成像，并在PC机图像采集模块实时显示；根据显示图像中有效像元灰度值，调整积分球亮度，使有效像元灰度值处于饱和值的1/2至3/4区间后，存储图像；

步骤三三：遍历积分级数，重复上述步骤。

进一步的，在步骤四中，具体包括以下步骤：

步骤四一：选取同组成像参数下的暗场和亮场图像，分别提取图像数据为矩阵A和矩阵B；对矩阵A和矩阵B分别求取列均值，可得行向量a和行向量b；

步骤四二：令c＝b-a，判断行向量c中无效像元所在列的数值；若所有无效像元均为零值左右，则TDI CCD无漏光现象；若无效像元为非零数值，则TDI CCD的水平区存在漏光现象；

步骤四三：若无效像元为非零数值，则TDI CCD的漏光率可表达为下式，

其中，c_i为扣除暗场后各像元灰度值，n为图像列数；m为有效感光像元个数；L为当前图像的积分级数；

步骤四四：对多光谱TDI CCD的其他谱段重复上述步骤，判断其他谱段的漏光情况。

本发明的主要优点是：本发明的一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统及方法，该方法可直观且清晰的显示TDI CCD是否存在漏光，特别是水平区漏光问题；可对多光谱TDI CCD的多个谱段同步处理；且通过计算漏光率，可在一定程度上表征TDI CCD非感光区域漏光的严重程度。可应用于TDI CCD传感器成像质量的评估和验证，避免因TDI CCD非感光区域漏光对成像系统传递函数和信噪比等指标的影响。

附图说明

图1为本发明的一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统的结构框图；

图2为本发明的一种TDI CCD非感光区域漏光率检测方法的原理框图；

图3为本发明的一种TDI CCD非感光区域漏光率检测方法的时序信号图；

图4为本发明的一种TDI CCD非感光区域漏光率检测方法的图像分布示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统及方法，尤其适用于判定TDICCD非感光水平区域是否存在漏光现象，可应用于TDI CCD传感器成像质量的评估和验证，避免因TDI CCD非感光区域漏光对成像系统传递函数和信噪比等指标的影响。本发明通过调整TDI CCD驱动时序和输出像元，将有效像元及其紧邻无效像元同时输出后，按约定规则显示并存储图像；通过比对有效像元和无效像元灰度值，可判定TDI CCD非感光水平区域是否存在漏光现象。该方法直观、有效，可对多光谱TDI CCD的多个谱段同步处理；且通过计算漏光率，可在一定程度上表征TDI CCD非感光区域漏光的严重程度。

参照图1所示，一种TDI CCD非感光区域漏光率检测系统，所述系统包括电源模块、TDI CCD、驱动模块、FPGA信号处理模块、视频处理模块、接口模块和PC机图像采集模块，所述FPGA信号处理模块通过驱动模块与所述TDI CCD连接，所述TDI CCD通过所述视频处理模块与所述FPGA信号处理模块连接，所述FPGA信号处理模块还通过所述接口模块与所述PC机图像采集模块双向连接，所述电源模块为所述检测系统提供适配的电压。

所述PC机图像采集模块，用于配置TDI CCD成像参数并显示配置后状态；配置成功后将接收到的图像数据以约定格式按照谱段进行分离和整合，并在所述PC端实时显示存储和数据处理。

步骤三、将TDI CCD置于均匀光源，如积分球下成像，设置TDI CCD成像参数，并在同一参数下分别进行暗场和亮场成像。其中增益设置为最小值；行转移时间不做特殊要求，需确保所需有效和无效像元正常输出即可；积分级数可遍历测试；

步骤四、选取相同成像参数下的暗场和亮场图像，进行比对处理；通过处理后有效感光像元和无效像元状态判定TDI CCD非感光区域是否存在漏光现象，并计算漏光率判定漏光现象的严重程度。

进一步的，在步骤一中，具体的，FPGA信号处理模块按TDI CCD时序要求输出驱动信号，经驱动模块放大、调整及电平转换后，为TDI CCD提供工作所需的驱动时序，此外，FPGA信号处理模块通过接口模块中的通信接口接收PC机图像采集模块的指令，对视频处理器参数或TDI CCD的各项成像参数进行配置，按配置要求调整时序；并将配置后的状态反馈回PC机图像采集模块，

进一步的，在步骤二中，具体的，在步骤一的基础上，调整FPGA中各谱段的驱动时序，将TDI CCD各谱段有效感光像元紧邻的无效像元一并输出，并在PC机图像采集模块中和有效像元同时显示并存储。具体为：

常规操作中，在TDI CCD的行转移时间内，水平转移驱动信号的脉冲个数为有效感光像元个数即可，即只需将有效感光像元输出，FPGA也只对有效像元进行采集。本发明中，TDI CCD垂直转移的驱动时序保持不变，在行转移时间的允许范围内，需延展水平转移驱动信号的脉冲个数，如CR、RST信号等。则TDI CCD除输出有效像元外，会将信号输出方向上有效像元紧邻的无效像元继续输出；且FPGA信号处理模块同时将无效像元接收，按照和有效像元相同的方式处理并输出，最终在PC机图像采集模块中，按像元输出顺序同时显示并存储。

由于不同CCD型号间的构造差异，有效感光像元的紧邻像元可能为哑像元、暗像元或无效像元，像元类型不影响本发明的处理效果。

进一步的，在步骤三中，具体包括以下步骤：

步骤三三：遍历积分级数，重复上述步骤。

进一步的，在步骤四中，具体包括以下步骤：

步骤四一：选取同组积分级数下的暗场和亮场图像，分别提取图像数据为矩阵A和矩阵B；对矩阵A和矩阵B分别求取列均值，可得行向量a和行向量b；

其中，n为图像列数；m为有效感光像元个数；L为当前图像的积分级数；

以下为本发明的具体实施例：

信号流可参照图2所示，具体为：

步骤一：FPGA信号处理模块通过接口模块中的通信接口接收PC机图像采集模块的指令，明确TDI CCD的各项成像参数配置。按TDI CCD时序要求和配置要求输出驱动时序信号和级数选择信号，经驱动模块放大、调整及电平转换后，为TDI CCD提供工作所需的驱动时序并配置积分级数。并将配置后的状态反馈回PC机图像采集模块确认；

步骤二：TDI CCD在驱动时序下输出图像模拟信号，在视频处理模块中，经射随电路进行低噪声放大后传输，由视频处理模块完成对模拟信号的双采样、增益放大和模数转换后，转换为数字信号并传输至FPGA信号处理模块；

步骤三：FPGA信号处理模块按约定的量化位数对数字图像信号进行采集，并将各个谱段的图像数据按照约定格式进行整合后，传输至接口模块中的数传接口；数传接口将图像数据采用高速串行的LVDS发送至PC机图像采集模块；

步骤四：PC机图像采集模块将TDI CCD各谱段的图像数据进行分离并重新整合，按照约定规则同步显示各谱段图像，并将图像进行存储便于后续数据处理；

在上述步骤中，调整FPGA信号处理模块中各谱段的驱动时序，将TDI CCD各谱段有效感光像元紧邻的无效像元一并输出，并在PC机图像采集模块中和有效像元同时显示并存储。以本发明中采用的具体实施例进行说明，具体为：

本发明中采用了5谱段TDI CCD，其中全色谱的有效像元个数为6144，以全色谱为例，其他谱段的处理方式基本一致。常规操作中，在TDI CCD的行转移时间内，水平转移时钟满足6144个脉冲即可，即只需将有效感光像元输出，FPGA信号处理模块也只对有效像元进行采集。

本发明中，参照图3所示，TDI CCD垂直转移的驱动时序保持不变，在行转移时间的允许范围内，需延展水平转移驱动信号(CR、RST等)的脉冲个数，如将水平转移时钟由原6144个脉冲延展至6144+20个，则前6144个脉冲输出均为有效感光像元，后20个脉冲为该信号输出方向上有效感光像元紧邻的无效像元。

同时，参照图4所示，FPGA信号处理模块将全色谱中6144+20个像元同时采集，并输出至PC机图像采集模块中。PC机图像采集模块将全色谱6144个有效感光像元和20个无效像元按图4中每行的顺序依次排列显示，该顺序和TDI CCD中各像元的物理排序保持一致，各像元数值即为该像元的图像灰度值。按此规律，重复采集3000行作为全色谱的一帧图像显示并存储；其余谱段均类似处理并独立存储。

在上述基础上，将TDI CCD置于均匀光源，如积分球下成像，设置TDI CCD中各谱段的成像参数，在同一参数下分别进行暗场和亮场成像。其中增益设置为最小值；行转移时间不做特殊要求，需确保所需有效和无效像元正常输出即可；积分级数可遍历测试。具体为：

步骤一：关闭积分球，并确保无杂光影响；按照上述要求设置TDI CCD成像参数，拍摄并存储暗场图像。

步骤二：打开光源，令TDI CCD在相同参数下成像，并在PC机实时显示；根据显示图像中有效像元灰度值，调整积分球亮度，使有效像元灰度值处于饱和值的1/2至3/4区间后，存储图像。

步骤三：更换测试谱段，重复上述步骤。

获取各谱段的图像数据后，选取相同积分级数下的暗场和亮场图像，进行比对处理；通过处理后有效感光像元和无效像元状态判定TDI CCD是否存在漏光现象。具体为：

步骤一：选取同一谱段在同组积分级数下的暗场和亮场图像，分别提取图像数据为矩阵A和矩阵B。以本发明具体实施例中全色谱为例，参考图4可知，A、B矩阵大小均为3000×6164，其中每一列均为同一像元经3000次推扫成像所得灰度值。

步骤二：分别对矩阵A和B求取列均值，可得行向量a和行向量b，即：

则a和b均为1×n行向量，其中m和n分别为A矩阵和B矩阵的行数和列数。向量a和向量b分别为暗场和亮场条件下，各像元的灰度均值；均值算法可消除同一像元在不同成像时刻引入的随机噪声。在本发明的具体实施例中，参照如4可知，向量a和b均为6164列，其中前6144列为有效感光像元，后20列为有效感光像元紧邻的无效像元。

步骤三：令c＝b-a，观察向量c中无效像元所在列的数值。若TDI CCD无漏光现象，则暗场和亮场条件下，无效像元均为系统电路噪声，数值相近，即向量c中无效像元所在列的数值均为零值左右。反之，若TDI CCD存在漏光现象，则暗场条件下无效像元为系统电路噪声，亮场条件下无效像元对应水平区漏光引入的微弱光信号；此外，由于图像灰度值为饱和值的1/2至3/4区间，即均匀光源亮度较强，在本发明中漏光引入的光信号响应相对较为明显，且无效像元的明显数值可排除是由过曝信号溢出引起；因此，若向量c中无效像元所在列的数值为非零数值，则TDI CCD存在漏光现象。

步骤四：若TDI CCD存在漏光现象，向量c中各像元为当前光强和成像参数下，有效感光像元和无效像元在扣除暗场后的实际感光数值。由于在均匀光源下成像，可分别求取行向量c中，有效感光像元和无效像元的像元灰度均值，分别表征实际成像和漏光引起的感光程度，均值算法可消除因像元非均匀性引入的影响，漏光率可表达为下式：

其中：n为图像列数；k为有效感光像元个数；L为当前图像的积分级数；该公式可在一定程度上表征TDI CCD漏光现象的严重程度。

步骤五：对多光谱TDI CCD的其他谱段重复上述步骤，判断其他谱段的漏光情况。

本发明可应用于TDI CCD传感器成像质量的评估和验证，避免因TDI CCD非感光区域漏光对成像系统传递函数和信噪比等指标的影响。

Claims

1.一种TDICCD非感光区域漏光率检测方法，基于一种TDICCD非感光区域漏光率检测系统，所述系统包括电源模块、TDICCD、驱动模块、FPGA信号处理模块、视频处理模块、接口模块和PC机图像采集模块，所述FPGA信号处理模块通过驱动模块与所述TDICCD连接，所述TDICCD通过所述视频处理模块与所述FPGA信号处理模块连接，所述FPGA信号处理模块还通过所述接口模块与所述PC机图像采集模块双向连接，所述电源模块为所述检测系统提供适配的电压，

所述电源模块，用于将+30V一次电压转换为测试系统所需的各种电压，并输出至各个所需的功能模块中；

所述驱动模块，用于对所述FPGA信号处理模块产生的各种时序信号进行驱动放大和调整，为所述TDICCD提供所需的时序信号；

所述视频处理模块，用于对所述TDICCD输出的视频信号进行低噪声放大和传输，并通过双采样及模数转换转换为数字信号；

所述PC机图像采集模块，用于配置TDICCD成像参数并显示配置后状态，配置成功后将接收到的图像数据以约定格式按照谱段进行分离和整合，并在所述PC端实时显示存储和数据处理，

其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

步骤一、按所采用TDICCD的使用要求，编写FPGA信号处理模块的驱动时序单元和图像数据整合单元，搭建图像采集平台；

步骤二、在步骤一的基础上，调整FPGA中各谱段的驱动时序，将TDICCD各谱段有效感光像元紧邻的无效像元一并输出，并在PC机图像采集模块中和有效像元同时显示并存储；

步骤三、将TDICCD置于均匀光源下，设置TDICCD成像参数，并在同一参数下分别进行暗场和亮场成像；

步骤四、选取相同成像参数下的暗场和亮场图像，进行比对处理；通过处理后有效感光像元和无效像元状态判定TDICCD非感光区域是否存在漏光现象，并通过计算漏光率判定漏光现象的严重程度，

在步骤四中，具体包括以下步骤：

步骤四二：令c＝b-a，判断行向量c中无效像元所在列的数值；若所有无效像元均为零值，则TDICCD无漏光现象；若无效像元为非零数值，则TDICCD的水平区存在漏光现象；

步骤四三：若无效像元为非零数值，则TDICCD的漏光率可表达为下式，

步骤四四：对多光谱TDICCD的其他谱段重复上述步骤，判断其他谱段的漏光情况。

2.根据权利要求1所述的一种TDICCD非感光区域漏光率检测方法，其特征在于，在步骤一中，具体的，FPGA信号处理模块按TDICCD时序要求输出驱动信号，经驱动模块放大、调整及电平转换后，为TDICCD提供工作所需的驱动时序，此外，FPGA信号处理模块通过接口模块中的通信接口接收PC机图像采集模块的指令，对视频处理模块中的视频处理器的参数或TDICCD的各项成像参数进行配置；并将配置后的状态反馈回PC机图像采集模块，

TDICCD输出的模拟信号，在视频处理模块中，经射随电路进行低噪声放大后传输，由视频处理器完成对模拟信号的双采样、增益放大和模数转换后，转换为数字信号并传输至FPGA信号处理模块，

PC机图像采集模块将TDICCD各谱段的图像数据进行分离并重新整合，按照约定规则同步显示各谱段图像，并将图像进行存储便于后续数据处理。

3.根据权利要求1所述的一种TDICCD非感光区域漏光率检测方法，其特征在于，在步骤二中，具体的，TDICCD除输出有效像元外，将信号输出方向上有效像元紧邻的无效像元继续输出；且FPGA信号处理模块同时将无效像元接收，按照和有效像元相同的方式处理并输出，最终在PC机图像采集模块中，按像元输出顺序同时显示并存储。

4.根据权利要求1所述的一种TDICCD非感光区域漏光率检测方法，其特征在于，在步骤三中，具体包括以下步骤：

步骤三一：关闭积分球，并确保无杂光影响；设置TDICCD成像参数，拍摄并存储暗场图像；

步骤三二：打开光源，令TDICCD在相同参数下成像，并在PC机图像采集模块实时显示；根据显示图像中有效像元灰度值，调整积分球亮度，使有效像元灰度值处于饱和值的1/2至3/4区间后，存储图像；

步骤三三：遍历积分级数，重复上述步骤。