CN114143482A - Tdicmos探测器的暗信号扣除方法 - Google Patents

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Abstract

TDICMOS探测器的暗信号扣除方法，涉及TDICMOS成像技术领域，解决现有暗信号扣除方法，存在导致输出图像的灰度值出现截断，无法显示出细微灰度变化的细节或降低可用的动态范围等问题，在每次摄像前，通过温度传感器的值，更改探测器的ADC偏置值；在摄像中，通过校正系数来进行扣除；首先在预期的工作温度条件下，通过设置探测器的ADC初始值，将输出的DN值的平均值设置为目标值；然后在不同的探测器温度下，测量DN值的变化；根据所使用的行周期长度和积分级数，可以换算出温度变化和总积分时间与DN值变化的映射关系。最终在应用时，根据温度传感器输出的温度值和使用的行周期长度及积分级数，判断输出的DN值变化超过1，才进行输出图像灰度值的整体调整。

Description

TDICMOS探测器的暗信号扣除方法
技术领域
本发明涉及一种TDICMOS的暗信号扣除方法，具体涉及一种航天应用的TDICMOS的暗信号扣除方法。
背景技术
探测器工作时，其暗信号累积的电荷会增加输出的灰度值，形成更高的图像本底，降低可用的动态范围。而探测器在不同的工作状态下，其温度是实时变化的，不能采用的恒定值进行扣除。若暗信号扣除过多，会导致输出图像的灰度值出现截断，无法显示出细微灰度变化的细节。若暗信号扣除过少，又会降低可用的动态范围。
发明内容
本发明为解决现有暗信号扣除方法，存在导致输出图像的灰度值出现截断，无法显示出细微灰度变化的细节或降低可用的动态范围等问题，提供一种TDICMOS探测器的暗信号扣除方法。
TDICMOS的暗信号扣除方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、对探测器的暗信号进行标定，具体标定过程为：
步骤一一、将探测器放入挡光的高低温箱中，在典型的积分级数和增益设置下，测量获得的图像DN值与温度的映射关系；
步骤一二、设置探测器的ADC初始值y1，保证探测器所有像素输出的DN值都高于0；
步骤二、根据步骤一标定后的暗信号扣除；具体扣除过程为：
步骤二一、在预期的工作温度条件下，设置探测器的ADC初始值y2，将输出的DN值的平均值设置为目标值；
步骤二二、在探测器的不同温度下，测量DN值的变化；根据所使用的探测器的行周期长度和积分级数，标定出探测器的温度变化和总积分时间与探测器输出的DN值变化的映射关系；
步骤二三、在应用时，根据温度传感器输出的温度值和探测器使用的行周期长度及积分级数，判断当输出的DN值变化是否超过1，如果是，进行输出图像灰度值的调整，进行暗信号的扣除。
本发明的有益效果：
1、本发明方法通过在摄像前获取的温度值，设置探测器的ADC的初始值，扣除多数的暗信号本底，提高动态范围。
2、本发明方法在摄像过程中，根据温度的变化，实时的调整校正的偏置值，进一步扣除输出图像中的暗信号本底，将暗信号对动态范围的影响降低到最低。
附图说明
图1为本发明所述的TDICMOS探测器的暗信号扣除方法的成像系统原理框图。
具体实施方式
结合图1说明本实施方式，TDICMOS探测器的暗信号扣除方法，图1为暗信号扣除成像系统，包括探测器、温度传感器、驱动及电平转换电路、成像FPGA和2711模块；所述成像FPGA输出的转移及控制电平信号，经外部的驱动及电平转换电路，转换为转移及控制驱动信号后送给探测器进行正常的工作。从探测器输出的串行图像数据，经FPGA输出顺序并行图像数据到2711模块，最终经数传接口输出。同时，与探测器相连的温度传感器，将测量到的温度数据送入成像FPGA，作为图像的辅助数据与感光图像一起输出。
TDICMOS的暗信号扣除方法的具体步骤为：
在每次摄像前，通过温度传感器的值，更改探测器的ADC偏置值；在摄像中，通过校正系数来进行扣除。
首先在预期的工作温度(在轨稳定工作的温度)条件下，通过设置探测器的ADC初始值y2，将输出的DN值的平均值设置为目标值；
然后在探测器的不同温度下，测量DN值的变化；根据所使用的探测器的行周期长度和积分级数，标定出探测器的温度变化和总积分时间与探测器输出的DN值变化的映射关系。
最终在应用时，根据温度传感器输出的温度值和探测器使用的行周期长度及积分级数，判断当输出的DN值变化超过1，才进行输出图像灰度值的调整，进行暗信号的扣除。
在进行暗信号扣除前，进行具体的暗信号标定方法为：
将探测器放入挡光的高低温箱中，在典型的积分级数和增益设置下，测量获得的图像DN值与温度的映射关系；
设置探测器的ADC初始值y1，保证探测器所有像素输出的DN值都高于0；
所述获得的图像DN值与温度的映射关系，具体过程为：
将温度传感器每间隔1s输出的温度值和探测器输出的DN值一起存储，后进行事后判断。以秒为单位，进行图像DN平均值的统计，获取在典型积分级数和增益下的温度系数，进行全工作温度范围内(也就是工作时的最低温度tmin到最高温度tmax，二者在-100℃到125℃以内)拟合。温度i下的拟合系数为：
Figure BDA0003382903890000031
式中，KTDI_typic为典型的积分级数，KPGA_typic为典型的增益，tint_typic为典型的行周期长度，DNi+m为典型参数下温度为i+m下的DN值，DNi为典型参数下温度为i下的DN值。
所述温度i下最终输出的图像灰度值DN值的组成：
DNi＝KTDI×KPGA×(Iinput+Idarki)×tint-DADC-Djiaozhengi
式中，KTDI为当前使用的积分级数，KPGA为当前使用的模拟增益，Iinput为输入的光能量，Idark为探测器与温度相关的暗电流，DADC为在摄像前设置的探测器的ADC初始值(偏置)。
DADC＝Idark_shot_ahead×KTDI×KPGA×tint，式中Idark_shot_ahead为摄像前的暗电流系数。
Djiaozheng为摄像过程中根据实测的温度值和当前使用的模拟增益及当前使用的积分级数进行暗电流扣除的校正值。
Djiaozhengi＝Idarki×KTDI×KPGA×tint-DADC
探测器的ADC初始值设置公式：
ADC初始值为正数时，十进制ADC初始值y的表示方式为：y＝24×(20:10)+2×(9:4)+4
ADC初始值为负数时，十进制ADC初始值y的表示方式为：214+y＝24×(20:10)+2×(9:4)+4
(1)对于负数应用，最高位为1，214+y为负值数据的补码；
将十进制ADC初始值转换为探测器的寄存器值，通用公式为：
第21位的取值(21)＝1
第20到10位的取值(20:10)＝(214+y-52)/24的整数部分；
第9到4位的取值(9:4)＝(214+y-4-(20:10)*24)/2
第3到1位的取值(3:2)＝(1:0)＝10
(2)对于正整数应用，最高位为0；
通用公式：
第21位的取值(21)＝0；
第20到10位的取值(20:10)＝(y-52)/24的整数部分；
第9到4位的取值(9:4)＝(y-4-(20:10)*24)/2；
第3到1位的取值与第1位到第0位的取值相同，(3:2)＝(1:0)＝10。
本实施方式中，探测器采用长光辰芯公司的TDICMOS探测器；2711模块采用TLK2711芯片；驱动及电平转换电路主要基于电平转换芯片54AC164245；温度传感器采用TI公司的TMP461芯片；成像FPGA采用Xilinx公司的XQ5VFX100T。

Claims (5)

1.TDICMOS探测器的暗信号扣除方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、对探测器的暗信号进行标定，具体标定过程为：
步骤一一、将探测器放入挡光的高低温箱中，在典型的积分级数和增益设置下，测量获得的图像DN值与温度的映射关系；
步骤一二、设置探测器的ADC初始值y1，保证探测器所有像素输出的DN值都高于0；
步骤二、根据步骤一标定后的暗信号扣除；具体扣除过程为：
步骤二一、在预期的工作温度条件下，设置探测器的ADC初始值y2，将输出的DN值的平均值设置为目标值；
步骤二二、在探测器的不同温度下，测量DN值的变化；根据所使用的探测器的行周期长度和积分级数，标定出探测器的温度变化和总积分时间与探测器输出的DN值变化的映射关系；
步骤二三、在应用时，根据温度传感器输出的温度值和探测器使用的行周期长度及积分级数，判断当输出的DN值变化是否超过1，如果是，进行输出图像灰度值的调整，进行暗信号的扣除。
2.根据权利要求1所述的TDICMOS探测器的暗信号扣除方法，其特征在于：步骤一一中，获得的图像DN值与温度的映射关系，具体过程为：
将温度传感器每间隔1s输出的温度值和探测器输出的DN值进行存储，后进行事后判断；以秒为单位，进行图像DN平均值的统计，获取在典型积分级数和增益下的温度系数，进行全工作温度范围内拟合；获得温度i时的拟合系数为：
Figure FDA0003382903880000021
式中，KTDI_typic为典型的积分级数，KPGA_typic为典型的增益，tint_typic为典型的行周期长度，DNi+m为典型参数下温度为i+m时的DN值，DNi为典型参数下温度为i时的DN值。
3.根据权利要求2所述的TDICMOS探测器的暗信号扣除方法，其特征在于：所述典型参数下温度为i时的DN值DNi用下式表示为：
DNi＝KTDI×KPGA×(Iinput+Idarki)×tint-DADC-Djiaozhengi
式中，KTDI为当前使用的积分级数，KPGA为当前使用的模拟增益，Iinput为输入的光能量，Idark为探测器与温度相关的暗电流，DADC为在摄像前设置的探测器的ADC初始值；
DADC＝Idark_shot_ahead×KTDI×KPGA×tint
式中，Idark_shot_ahead为摄像前的暗电流系数，Djiaozheng为摄像过程中根据实测的温度值和当前使用的模拟增益及当前使用的积分级数进行暗电流扣除的校正值；
Djiaozhengi＝Idarki×KTDI×KPGA×tint-DADC
式中，tint为积分时间。
4.根据权利要求2所述的TDICMOS探测器的暗信号扣除方法，其特征在于：所述全工作温度范围指的是工作时的最低温度tmin到最高温度tmax，二者在-100℃到125℃以内。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的TDICMOS探测器的暗信号扣除方法，其特征在于：还包括暗信号扣除成像系统，该成像系统包括探测器、温度传感器、驱动及电平转换电路、成像FPGA和2711模块；
所述成像FPGA输出的转移及控制电平信号，经驱动及电平转换电路转换为转移及控制驱动信号后送给探测器进行正常的工作；从探测器输出的串行图像数据，经FPGA输出顺序并行图像数据到2711模块，最终经数传接口输出；同时，与探测器连接的温度传感器，将测量到的温度数据送入成像FPGA，作为图像的辅助数据与感光图像一起输出。
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