韋曉茹，蔡志堅(jiān)，居戩之

（蘇州大學(xué) 信息光學(xué)工程研究所，江蘇 蘇州 215006）

引 言

光譜儀器是利用光的色散、吸收、散射等現(xiàn)象來(lái)對(duì)物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析和測(cè)量的儀器。CCD 由于具有光譜響應(yīng)范圍寬、分辨率高、尺寸小等特點(diǎn)，近年來(lái)隨著CCD 的發(fā)展，采用CCD 作為光電探測(cè)器的光譜儀在眾多的領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用［1］。但是在弱光檢測(cè)的應(yīng)用中，由于有效信號(hào)幅度較小，噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響嚴(yán)重，信噪比很抵，制約了光譜儀的應(yīng)用，因此必須降低光譜儀的噪聲。光譜儀的噪聲大小主要取決于CCD 的噪聲性能，對(duì)CCD 降噪是降低光譜儀噪聲的有效辦法。CCD 的噪聲來(lái)源［2］主要有讀出噪聲、復(fù)位噪聲、量子噪聲和暗電流噪聲等。讀出噪聲和復(fù)位噪聲是由CCD 的信號(hào)輸出電路引起的，這類噪聲可由專用的相關(guān)雙采樣芯片來(lái)處理。量子噪聲和暗電流噪聲屬于隨機(jī)噪聲，對(duì)于此類噪聲的抑制常采用的有探測(cè)器制冷［3－5］和數(shù)學(xué)上的數(shù)據(jù)處理方法［6－7］等。除此之外，Binning也有助CCD 輸出信號(hào)的噪聲抑制［8］，可作為CCD 降噪的一種輔助方法。通過(guò)對(duì)Binning技術(shù)抑制隨機(jī)噪聲的理論推導(dǎo)和仿真，證明了Binning技術(shù)能有效提高信噪比。

1 Binning工作原理

Binning是一種圖像讀出方式，中文有“打包”的意思，即將CCD圖像傳感器相鄰像元中感應(yīng)的電荷加在一起，以一個(gè)像元的模式讀出，可看出Binning可以大大提高光譜的利用率。由于有用信號(hào)和噪聲的不同特性，信號(hào)是直接相加，噪聲則是功率相加，因此Binning可以提高信噪比。Binning分為垂直方向和水平方向，垂直方向Binning是將相鄰列的電荷加在一起讀出，而水平方向Binning是將相鄰行的像元感應(yīng)電荷加在一起讀出。圖1和圖2所示為垂直方向Binning和水平方向Binning的過(guò)程。

圖1是將垂直方向的5×1像元的電荷合并。要完成Binning過(guò)程，垂直方向的驅(qū)動(dòng)脈沖和水平方向驅(qū)動(dòng)脈沖必須滿足一定的相位關(guān)系：當(dāng)垂直方向加上驅(qū)動(dòng)脈沖即進(jìn)行信號(hào)累積的時(shí)候，水平方向的驅(qū)動(dòng)脈沖是停止的；當(dāng)信號(hào)累計(jì)完成后，垂直方向的驅(qū)動(dòng)脈沖停止，水平方向驅(qū)動(dòng)脈沖開(kāi)始工作。垂直方向Binning相當(dāng)于增加了感光面積，提高了光譜的利用率。另外由于垂直方向累積的信號(hào)一起輸出，與單個(gè)像元依次輸出相比減少了信號(hào)讀出的次數(shù)，因此降低了CCD 的讀出噪聲，提高了讀出的速度。

圖2所示的Binning是將相鄰的1×2個(gè)像元的電荷合并。水平方向Binning可以提高信噪比，但是實(shí)際上是用相鄰細(xì)的光譜線合并成1條粗的光譜線，因而降低了光譜的分辨率。對(duì)于線陣CCD，可以將相鄰的1×m 個(gè)像元合并成一個(gè)像元，對(duì)于面陣CCD 可以將相鄰的n×m 個(gè)像元合并成一個(gè)像元，即水平方向Binning與垂直方向Binning相混合。

圖1 垂直方向Binning示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical Binning operation

圖2 水平方向Binning示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal Binning operation

2 Binning技術(shù)的效果分析

對(duì)于垂直方向Binning，設(shè)用相鄰m×1個(gè)像元合并成一個(gè)像元，合并前每個(gè)像元的信號(hào)為s（i，j），每個(gè)像元的隨機(jī)噪聲的均方根值為n（i，j），i，j是像元的位置坐標(biāo)。用S（j）表示合并后的信號(hào)，用N（j）表示合并后的噪聲均方根值，假定m 個(gè)像元的信號(hào)均相同，m 個(gè)像元噪聲的均方根值相同。信號(hào)是線性疊加，噪聲則是按照噪聲功率相加，噪聲功率即噪聲的均方值n2（i，j）。則有：

Binning前的信噪比為：

Binning后信噪比為：

對(duì)于水平方向Binning，設(shè)用相鄰1×m 個(gè)像元合并成一個(gè)像元，信噪比同樣提高了倍，信號(hào)也增強(qiáng)了m 倍，但是實(shí)際上是用相鄰的m 條細(xì)的光譜線合并成1條粗的光譜線，因而降低了光譜的分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)要求來(lái)確定采用水平方向Binning還是垂直方向Binning。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

針對(duì)垂直方向Binning，利用MATLAB 軟件來(lái)仿真Binning技術(shù)對(duì)于信噪比提高的效果。取沒(méi)有Binning前的3行像元光譜信號(hào)為：

噪聲信號(hào)為：

x 表示像元序數(shù)，噪聲和光譜信號(hào)的單位都是mV。在這里假定3行像元的有效信號(hào)相等，3行像元的噪聲信號(hào)的均方根值相等。但是3行像元的噪聲都是互不相關(guān)的隨機(jī)噪聲。圖3給出了垂直Binning仿真的結(jié)果，圖中m 表示垂直方向Binning的像元個(gè)數(shù)。

圖3 不同m 值時(shí)垂直Binning的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of vertical Binning operation at different mvalues

圖3中的（a）圖是1行像元輸出波形，圖（b）和（d）分別是圖（a）波形的2倍和3倍，因此圖（b）、圖（d）與圖（a）的信噪比是一樣的。圖（c）是2行像元垂直Binning后的輸出波形，圖（e）是3行像元垂直Binning后的輸出結(jié)果。比較圖3中的圖（b）與（c）可以直觀地看出垂直Binning提高了信噪比，比較圖（d）與（e）同樣可以看出Binning后信噪比的提高。經(jīng)過(guò)計(jì)算得m＝2時(shí)圖（c）波形的信噪比比圖（a）波形的信噪比提高了1.209，理論值是（即1.414）；m＝3時(shí)圖（e）波形的信噪比比圖（a）波形的信噪比提高了1.807，理論值是（即1.732）。計(jì)算值和理論值有一定的誤差，這是由于仿真時(shí)取樣點(diǎn)有限引起的。

4 結(jié) 論

介紹利用Binning提高信噪比的方法，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明該方法能實(shí)現(xiàn)信噪比的提高，為Binning技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。Binning在實(shí)際的CCD 的應(yīng)用中是通過(guò)改變CCD 的驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但值得注意的是Binning后的像元電荷量可能會(huì)超出CCD 勢(shì)阱的容量，從而引起飽和，造成信息失真。遇到這種情況，通過(guò)減少Binning的像元個(gè)數(shù)就可以消除飽和。

［1］ 林煒衛(wèi)，李濱言，蔣庭佳，等.基于ARM 的光譜檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)儀器，2011，33（3）：82－85.

［2］ 王慶有.光電技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［3］ 江孝國(guó).高穩(wěn)定度的CCD冷卻控制系統(tǒng)研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（2）：200－201.

［4］ 金偉其，張加深，劉廣榮，等.一種基于工業(yè)級(jí)CCD器件的高性能制冷CCD成像組件［J］.應(yīng)用光學(xué)，2008，29（1）：1－4.

［5］ 陳芳，孫利群，章恩耀.CCD制冷技術(shù)在小型光譜儀降噪中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用光學(xué)，2008，29（6）：854－858.

［6］ 王京港，程明霄，林錦國(guó)，等.拉曼光譜CCD信號(hào)的小波包去噪方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（6）：4－7.

［7］ 朱麗麗，何光宏，王銀峰，等.基于尺度相關(guān)的CCD圖像小波去噪方法研究［J］.半導(dǎo)體光電，2008，29（2）：286－287.

［8］ 周望，沈?yàn)槊?，周健康，?Binning技術(shù)在光譜儀中的實(shí)驗(yàn)研究［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2010，47（4）：96－100.