RU2480717C1

RU2480717C1 - Способ обработки видеосигнала в пзс-контроллере для матричных приемников изображения

Info

Publication number: RU2480717C1
Application number: RU2011145225/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Мурзин; Сергей Викторович Маркелов; Валерий Иванович Ардиланов; Ирина Викторовна Афанасьева; Николай Григорьевич Иващенко; Анатолий Николаевич Борисенко
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Специальная астрофизическая обсерватория (САО РАН)
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-04-27

Abstract

Изобретение относится к области фотоники и может найти применение в оптической астрономии, биологии и медицине для регистрации слабых световых потоков. Способ заключается в том, что видеосигнал ПЗС-приемника усиливают предварительным усилителем, преобразуют в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и затем обрабатывают в устройстве цифровой обработки сигналов (ЦОС). При этом посредством АЦП выполняют многократное квантование видеосигнала в каждом пикселе, фильтруют массив отсчетов для каждого пикселя, коэффициенты фильтра предварительно вычисляют путем обратного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) дискретного спектра. Результатом фильтрации является значение полезного сигнала для данного пикселя. Далее в устройстве ЦОС с целью линеаризации сквозной передаточной характеристики «свет-сигнал» производят коррекцию полезного сигнала в каждом пикселе посредством корректирующего многочлена, полученного по результатам предварительного измерения нелинейности сквозного канала, затем в устройстве ЦОС с целью стабилизации передаточной характеристики «заряд-сигнал» производят цифровую коррекцию нестабильности нулевого уровня сигнала путем вычитания из полезного сигнала средней величины сигнала в пересканированных не содержащих светового сигнала пикселях в каждой строке. Изобретение позволяет получить полезный сигнал с наименьшим возможным шумом, а также повысить точность измерений.

Description

Изобретение относится к области фотоники и может найти применение в оптической астрономии, биологии и медицине для регистрации слабых световых потоков.

В качестве прототипа данного изобретения приведен способ обработки видеосигнала в ПЗС-контроллере для матричных приемников изображения, (смотри J.-L.Gach, D.Darson, С.Guillaume, С.Goillandeau, С.Cavadore, О.Boissin and J.Boulesteix, Zero Noise CCD: A New Readout Technique for Extremely Low Light Levels, ESO Astrophysics Symposia, Scientific Drivers for ESO Future VLT/VLTI Instrumentation, 2002, p.247-250), состоящий в том, что видеосигнал ПЗС-приемника усиливают предварительным усилителем, преобразуют в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и затем обрабатывают в устройстве цифровой обработки сигналов (ЦОС), а фильтрацию видеосигнала в каждом пикселе выполняют цифровым фильтром, весовые коэффициенты которого определяются эмпирическим, а не теоретически обоснованным способом. При этом для определения величины сигнала авторы используют формулу:

где S_i - i-й отсчет АЦП;

α_i - весовой коэффициент для этого i-го отсчета.

Применяемые весовые коэффициенты изменяют по кривой Гаусса, центрированной на момент времени перехода от опорного к сигнальному уровню. Изменяя эмпирически ширину гауссианы, измеряют шум считывания и определяют при какой ширине шум принимает некоторое минимальное значение. Определив опытным путем зависимость, дающую самый низкий шум, используют компьютерную программу, моделирующую на основе этой зависимости различные формы кривых для весовых коэффициентов, и подбирают наилучшую форму, которая необязательно является гауссианой.

Существенным недостатком указанного способа является то, что способ не обеспечивает получения полезного сигнала с наименьшим возможным шумом, а также измерения светового излучения с высокой точностью.

Целью заявляемого изобретения является получение полезного сигнала с наименьшим возможным шумом, а также измерение светового излучения с высокой точностью.

Указанная цель достигается тем, что в способе обработки видеосигнала в ПЗС-контроллере для матричных приемников изображения видеосигнал ПЗС-приемника усиливают предварительным усилителем, преобразуют в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и затем обрабатывают в устройстве цифровой обработки сигналов (ЦОС), при этом посредством АЦП выполняют многократное квантование видеосигнала в каждом пикселе с частотой дискретизации АЦП f_d=n·f_p, где n - целое ≥4, a f_p - частота считывания пикселей, в устройстве ЦОС с целью минимизации шумов фильтруют массив отсчетов для каждого пикселя размерностью n цифровым фильтром с конечной импульсной характеристикой размерностью n, при этом коэффициенты фильтра предварительно вычисляют путем обратного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) дискретного спектра, являющегося частным от деления двух дискретных спектров, делимым является спектр в полосе частот от -f_d/2 до +(f_d/2-f_d/n), полученный в результате ДПФ равномерно дискретизированного в n точках усредненного измеренного видеосигнала, умноженного на весовое окно Блэкмана для сглаживания разрыва на краях периода пикселя, делителем является равномерно дискретизированный в n точках усредненный измеренный спектр плотности мощности шума видеоканала в полосе частот от -f_d/2 до +(f_d/2-f_d/n), результатом фильтрации является значение полезного сигнала для данного пикселя, далее в устройстве ЦОС с целью линеаризации сквозной передаточной характеристики «свет-сигнал» производят коррекцию полезного сигнала в каждом пикселе посредством корректирующего многочлена, полученного по результатам предварительного измерения нелинейности сквозного канала, затем в устройстве ЦОС с целью стабилизации передаточной характеристики «заряд-сигнал» производят цифровую коррекцию нестабильности нулевого уровня сигнала путем вычитания из полезного сигнала средней величины сигнала в пересканированных не содержащих светового сигнала пикселях в каждой строке.

Способ обработки видеосигнала в ПЗС-контроллере для матричных приемников изображения осуществляют следующим образом. Сначала видеосигнал с выхода ПЗС-приемника усиливают предварительным усилителем и подают на вход АЦП. Посредством АЦП выполняют многократное квантование видеосигнала в каждом пикселе с частотой дискретизации АЦП f_d=n·f_p, где n - целое ≥4, а f_p - частота считывания пикселей, в результате чего для каждого пикселя формируется массив отсчетов сигнала размерностью n, который поступает в устройство ЦОС для последующей цифровой фильтрации.

Цифровая обработка сигнала используется по следующей причине. Шум, генерируемый выходным устройством ПЗС-детектора, имеет кроме теплового шума дополнительную компоненту - шум типа 1/f. Шум типа 1/f является сильно коррелированным и общеупотребительными методами двойной коррелированной выборки (ДКВ) подавляется неэффективно. В случае, когда сигнал представляет собой смесь полезного сигнала с шумом сложного состава с известным спектром наиболее эффективным является применение согласованного (оптимального) фильтра. Однако построить такой фильтр на основе аналоговых методов обработки сигнала представляется технически очень сложной задачей. Построение согласованного фильтра практически возможно только на основе метода многократной дискретизации видеосигнала в каждом пикселе и последующей цифровой фильтрации массива полученных отсчетов.

Таким образом, в устройстве ЦОС с целью минимизации шумов фильтруют массив отсчетов для каждого пикселя согласованным цифровым фильтром с конечной импульсной характеристикой размерностью n.

Из теории оптимальной фильтрации следует, что спектральная плотность оптимальной функции выборки должна быть пропорциональна спектральной плотности сигнала и обратно пропорциональна спектральной плотности мощности шума:

S(ω)=K·V(ω)/|N(ω)|²,

где S(ω) - преобразование Фурье оптимальной функции выборки;

К - некоторая константа;

V(ω) - преобразование Фурье формы сигнала;

|N(ω)|² - спектральная плотность мощности шума.

В данном изобретении нахождение коэффициентов согласованного цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой (т.е. функции выборки) осуществляется на основе данной теоретической зависимости и исходя из конкретных измеренных спектра мощности шумов всего видеоканала и формы конкретного видеосигнала.

Коэффициенты согласованного фильтра предварительно вычисляют путем обратного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) дискретного спектра, являющегося частным от деления двух дискретных спектров. Делимым является спектр в полосе частот от -f_d/2 до +(f_d/2-f_d/n), полученный в результате ДПФ равномерно дискретизированного в n точках усредненного измеренного видеосигнала, умноженного на весовое окно Блэкмана для сглаживания разрыва на краях периода пикселя. Делителем является равномерно дискретизированный в n точках усредненный измеренный спектр плотности мощности шума видеоканала в полосе частот от -f_d/2 до +(f_d/2-f_d/n). Результатом фильтрации является значение полезного сигнала для данного пикселя.

Сложность получения спектра сигнала состоит в том, что сигнал, имея одинаковую форму в разных пикселях, не является истинно периодическим, потому что имеет разную амплитуду от пикселя к пикселю. Поэтому получают усредненную реализацию сигнала на протяжении одного пикселя и искусственно конструируют периодический сигнал с учетом того, что он имеет разрыв на краях периода пикселя, связанный со сбросом сигнала. Для того чтобы разрыв сигнала на границах периода не создавал искажения спектра сигнала, умножают усредненный сигнал на весовое окно, которое полностью подавляло бы сигнал на границах периода пикселя и в то же время минимально влияло как на сам полезный сигнал, который располагается по центру периода, так и на его спектр, в данном случае для этого используют окно Блэкмана. Далее форму сигнала дискретизируют. Чем больше отсчетов сигнала приходится на период сигнала, тем более точным будет форма его спектра и тем более эффективным полученный фильтр. На практике количество отсчетов на пиксел ограничивается быстродействием АЦП и требуемой скоростью считывания пикселей.

Спектр мощности шумов видеоканала получают либо посредством обработки данных шумовой дорожки, считанных непосредственно с АЦП видеоканала, либо посредством внешнего анализатора спектра при отсутствующем видеосигнале. Далее спектр шума дискретизируют таким же количеством отсчетов, как и спектр сигнала, и представляют в двусторонней форме, симметричной относительно нулевой частоты (за исключением точки +fd/2, относящейся к следующему частотному периоду, где fd - частота дискретизации сигнала).

Дискретный спектр согласованного фильтра вычисляют путем деления дискретного спектра сигнала на дискретизированный спектр шумов, имеющих одинаковую размерность n. Из полученного спектра путем обратного дискретного преобразования Фурье находят согласованную функцию выборки в виде коэффициентов цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой. Посредством устройства ЦОС реализуют фильтрацию сигнала в каждом пикселе цифровым фильтром с полученными коэффициентами и вычисляет результирующее значение сигнала для данного пикселя.

Далее в устройстве ЦОС с целью линеаризации сквозной передаточной характеристики «свет-сигнал» производят коррекцию полезного сигнала в каждом пикселе посредством корректирующего многочлена, полученного по результатам предварительного измерения нелинейности сквозного канала. Нелинейность должна измеряться на стендовом оборудовании, обеспечивающем высокостабильную генерацию светового потока. Результатом коррекции является уточненное значение полезного сигнала для данного пикселя.

Затем в устройстве ЦОС с целью стабилизации передаточной характеристики «заряд-сигнал» производят цифровую коррекцию нестабильности нулевого уровня сигнала. Для этого вычитают из полезного сигнала в каждом пикселе отдельной строки кадра среднюю величину сигнала в пересканированных, не содержащих светового сигнала, пикселях, считанных в этой же строке кадра. Результатом коррекции является окончательное значение полезного сигнала для данного пикселя.

Применение заявляемого способа обработки видеосигнала в ПЗС-контроллере для матричных приемников изображения позволит получить полезный сигнал ПЗС-матрицы с наименьшим возможным шумом, а также измерить световое излучение с высокой точностью.

Claims

Способ обработки видеосигнала в ПЗС-контроллере для матричных приемников изображения, заключающийся в том, что видеосигнал ПЗС-приемника усиливают предварительным усилителем, преобразуют в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и затем обрабатывают в устройстве цифровой обработки сигналов (ЦОС), отличающийся тем, что посредством АЦП выполняют многократное квантование видеосигнала в каждом пикселе с частотой дискретизации АЦП f_d=n·f_p, где n - целое ≥4, a f_p - частота считывания пикселей, в устройстве ЦОС с целью минимизации шумов фильтруют массив отсчетов для каждого пикселя размерностью n цифровым фильтром с конечной импульсной характеристикой размерностью n, при этом коэффициенты фильтра предварительно вычисляют путем обратного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) дискретного спектра, являющегося частным от деления двух дискретных спектров, делимым является спектр в полосе частот от -f_d/2 до +(f_d/2-f_d/n), полученный в результате ДПФ равномерно дискретизированного в n точках усредненного измеренного видеосигнала, умноженого на весовое окно Блэкмана для сглаживания разрыва на краях периода пикселя, делителем является равномерно дискретизированный в n точках усредненный измеренный спектр мощности шума видеоканала в полосе частот от -f_d/2 до +(f_d/2-f_d/n), результатом фильтрации является значение полезного сигнала для данного пикселя, далее в устройстве ЦОС с целью линеаризации сквозной передаточной характеристики «свет-сигнал» производят коррекцию полезного сигнала в каждом пикселе посредством корректирующего многочлена, полученного по результатам предварительного измерения нелинейности сквозного канала, затем в устройстве ЦОС с целью стабилизации передаточной характеристики «заряд-сигнал» производят цифровую коррекцию нестабильности нулевого уровня сигнала путем вычитания из полезного сигнала средней величины сигнала в пересканированных, несодержащих светового сигнала пикселях в каждой строке.