寧永慧，郭漢洲，余 達，趙慶磊

(1. 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130031；2. 長春國科醫(yī)工科技發(fā)展有限公司，吉林 長春 130031 )

1 引 言

科學級TDI-CCD是航天遙感領域主要應用的一種光電探測器。影響TDI-CCD成像性能的重要參數(shù)，如信噪比(SNR)、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、圖像動態(tài)范圍(DR)等，是空間遙感系統(tǒng)設計領域重要的研究內(nèi)容。此外，TDI-CCD暗場下的成像性能直接影響圖像的動態(tài)范圍和景物層次的分辨能力，也受到越來越多的關注，成為空間相機的重要設計參數(shù)之一。

優(yōu)化暗場噪聲抑制方法，對提升低照度下的景物細節(jié)，實現(xiàn)陰影區(qū)域、云層下景物的實時成像監(jiān)測具有重要作用。為了更好地實現(xiàn)對暗場噪聲的抑制，研究人員對暗電流的產(chǎn)生機理[1]、信噪比[2]、電路結構[3-4]進行了分析，通過模擬偏置扣除或圖像處理[5-7]的方法抑制暗場響應。這些方法重點對系統(tǒng)設計原理和噪聲進行了分析，對暗電流的處理方法討論尚不夠深入。

本文基于視頻處理器LM98640，設計了一種數(shù)字負反饋的模擬處理方法。通過統(tǒng)計暗場下的圖像灰度，實時調(diào)整LM98640的偏置參數(shù)，將模擬扣除和數(shù)字處理相結合，實現(xiàn)暗場噪聲的電路抑制。

2 TDI-CCD暗場噪聲

2.1 暗電流

TDI-CCD暗電流(暗電平)表征的是TDI-CCD無光照條件下產(chǎn)生的電子數(shù)。暗場灰度是指CCD相機在暗場成像時，經(jīng)過AD量化后輸出的圖像灰度值。從半導體器件角度來看，暗電流是由于光電二極管轉移柵的不一致性而產(chǎn)生的直流偏置差異，多表現(xiàn)為固定圖形噪聲。在工程實踐中，通過像元校正可實現(xiàn)噪聲抑制。像元校正主要修復像元間差異，而本文討論的暗場扣除，主要是抑制暗電流的平均值。

暗電流產(chǎn)生的原因主要有以下幾點：

(1)耗盡的硅襯底中，電子從價帶至導帶的本征躍遷；

(2)少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴散；

(3)Si-SiO2界面引起的暗電流。

因此，暗電流的大小主要和器件溫度有關。通常，溫度每升高7 ℃，暗電流增加1倍。所以，要保持探測器具有穩(wěn)定的暗場指標，需要對探測器的工作溫度進行嚴格控制。

TDI-CCD輸出圖像信號經(jīng)過預防電路、前置放大電路、視頻處理電路后輸出數(shù)字圖像。以TDI-CCD滿阱電壓2 V為例，若要求暗電流均值低于10 mV，在電路1倍增益、10 bits量化的電子學系統(tǒng)中，量化后的暗場灰度為5 LSB。

根據(jù)TDI-CCD探測器設計結構(圖1)，在有效像元前會有若干暗參考像元用于表征探測器在暗場條件下的響應值。在探測器數(shù)據(jù)多通道輸出結構中，不同通道的暗電流水平會有差異。而受到結構限制，僅有首尾通道能夠刻畫出真實的暗像元。不同通道的暗參考像元差異，可能導致暗場扣除的效果不同。

圖1 TDI-CCD的像元結構圖Fig.1 Pixel structure diagram of TDI-CCD

2.2 暗場噪聲扣除的常用方法

暗場噪聲扣除可以通過設計視頻處理器電路或設置視頻處理器工作參數(shù)實現(xiàn)。在TDA9965中，通過Vref引腳串聯(lián)積分電容，實現(xiàn)暗電平的電荷累積，然后通過時序控制，以一行圖像為單位，扣除該累計電平，實現(xiàn)暗電流抑制。電路如圖2所示。由于每行圖像均要扣除當前累積的偏置電平，所以會給圖像列向(沿軌方向)帶來高頻噪聲，影響圖像的后期處理。

圖2 TDA9965的硬件偏置電路Fig.2 Offset circuit of TDA9965

在視頻處理器XRD9859中，通過設置芯片自動校正模式實現(xiàn)暗場抑制。該模式僅在上電時，通過設置合適的偏置值，保證探測器具有合理的暗場值。這種方法不能動態(tài)抑制暗電流，無法消除暗電流隨溫度升高而增大所帶來的影響。

另一種方法是檢測圖像灰度，將圖像數(shù)據(jù)和暗場數(shù)據(jù)分別進行采集，在圖像數(shù)據(jù)中扣除暗場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)暗場數(shù)字扣除。數(shù)字扣除損失了傳感器的真實動態(tài)范圍，暗電平水平越高，損失的動態(tài)范圍越大，不利于圖像信息保存。

3 反饋式暗場扣除

視頻處理器LM98640的暗電流抑制電路，在相關雙采樣(CDS)模式下，對暗電流校正效果較差。因此，需要設計數(shù)字反饋式暗場扣除方法，實現(xiàn)暗電流抑制。

LM98640內(nèi)部共有64個寄存器，與視頻信號處理相關的寄存器有精調(diào)偏置寄存器FDAC、粗調(diào)偏置寄存器CDAC、增益寄存器PGA。視頻信號從采樣到輸出的處理鏈路結構如圖3所示。

圖3 信號處理框圖Fig.3 Diagram of image signal processing

暗電流經(jīng)過CDS后，進行偏置調(diào)整，然后通過PGA放大，最后進入ADC單元完成AD轉換，獲得14 bits量化的圖像數(shù)據(jù)。

CDS模式下可設置1倍增益或2倍增益，當設置為1倍增益時，偏置設置值與輸出碼值關系如表1所示。

表1偏置參數(shù)設置對應關系表Tab.1 Relationship between the offset parameters and the actual voltages

PGA增益碼值與增益倍數(shù)之間的關系如式(1)所示。式中，G表示增益，Gbin表示增益的二進制碼值。

G=180/(277-Gbin)

，

(1)

當CCD探測器的滿阱電壓大于視頻處理器的最大輸入電壓時，通過設置LM98640偏置寄存器實現(xiàn)暗場扣除，并不損失探測器的動態(tài)范圍。

反饋式暗場扣除的工作框圖如圖4所示。

圖4 反饋式暗場扣除工作原理Fig.4 Principle of the dark-field offset reduction with feedback type

首先，在當前的增益和偏置參數(shù)下，統(tǒng)計暗場圖像的灰度均值；然后，通過逆運算，去除增益和偏置影響，估算真實的暗電流水平；最后，通過設置LM98640的偏置值，抑制暗電平。

當設置新的增益和偏置參數(shù)后，需要根據(jù)當前增益和偏置參數(shù)重新估算暗電流水平，并實時更新偏置參數(shù)設置。反饋式暗場扣除能夠記錄暗電流的變化過程，對于后期的圖像數(shù)據(jù)恢復及處理、系統(tǒng)的暗噪聲分析等具有良好的應用。該算法以圖像幀為單位進行偏置參數(shù)設置，也有利于圖像細節(jié)的保持。

4 算法設計與分析

4.1 自適應偏置調(diào)整算法

圖5 自適應算法流程圖Fig.5 Self-adaptive algorithm flow-chart

LM98640的偏置參數(shù)區(qū)間(000～1FF)包括2部分，其中，000～0FF表示負偏置，100～1FF表示正偏置。在負偏置參數(shù)中，將00～60作為暗場扣除參數(shù)范圍；將00～9F作為加載負偏置參數(shù)范圍。所以，最終加載的參數(shù)值為二者之和。自適應偏置調(diào)整的算法流程如圖5所示。首先，定義256行CCD圖像為一幀，在每行圖像中選取4個暗像元，進行暗場灰度均值統(tǒng)計，計算方法如式2所示，其中，Gij表示i行j列暗像元灰度，Dk表示第k幀的暗場灰度均值。

，

(2)

然后，判斷初始暗場扣除偏置P1與第k幀的調(diào)整扣除偏置Pk,A的累加和是否達到暗場扣除最大值PTH。如果沒有，則更新暗場扣除偏置參數(shù)P1，如式(3)所示，否則保持為當前值；

P1=P1+Pk,A

，

(3)

最后，將系統(tǒng)加載的偏置參數(shù)P0和暗場扣除偏置參數(shù)P1累加后加載。

暗電流逆運算過程如式(4)所示，其中，DP0表示與P0對應的圖像灰度值，G0表示當前增益值，Dk,a表示新增暗電流對應的灰度值。

調(diào)整扣除偏置的計算公式如式(5)所示，根據(jù)Dk,a的值，通過設定閾值以及雙向調(diào)整的方式，實現(xiàn)暗電平微調(diào)功能，使暗電平處于合理有效的范圍內(nèi)。

Dk,A=(Dk-DP0)/G0

，

(4)

.

(5)

暗電流計算結束后，等待16行，執(zhí)行偏置參數(shù)加載，然后開始下一幀圖像統(tǒng)計。

4.2 數(shù)據(jù)誤差分析

暗電流計算時，誤差源主要有以下幾點：

(1)偏置參數(shù)與圖像灰度的映射關系。根據(jù)表1所示，粗調(diào)偏置的調(diào)整步長為1 mV，參數(shù)的二進制碼值為001，在12 bits AD量化下，對應2個灰度值；因此，映射誤差為±1 LSB。

(2)AD量化誤差。LM98640產(chǎn)生14 bits量化數(shù)據(jù)，最大的量化誤差為±2 LSB。對于12 bits系統(tǒng)，量化誤差為±0.5 LSB。

(3)逆運算誤差。根據(jù)式(1)和式(5)，可得到式(6)，逆運算轉換為乘加運算。所以，運算誤差可以通過數(shù)據(jù)量化精度控制，在總體誤差中可忽略。

Dk,A=(Dk-DP0)/G0=
(Dk-DP0)×(277-Gbin)/180

.

(6)

綜上，在12 bits量化下，該算法的總誤差為±1.5 LSB。

4.3 算法硬件實現(xiàn)結構

此算法在FPGA硬件平臺上實現(xiàn)，通過RS422串行通訊傳遞LM98640視頻參數(shù)，并返回LM98640遙測參數(shù)和暗場數(shù)據(jù)扣除信息。通過SPI接口加載LM98640視頻參數(shù)。在上電時，對LM98640的64個配置寄存器進行初始化，對每片視頻處理器進行定制化參數(shù)設計。FPGA邏輯設計結構如圖6所示。

圖6 反饋式暗場扣除FPGA邏輯設計結構Fig.6 Logic structure of the feedback type algorithm in FPGA

5 實驗結果

該算法主要根據(jù)暗場圖像灰度，對暗電流進行負反饋式控制調(diào)整方法。在試驗中，通過采集暗場圖像并計算均值，評估算法可行性和可靠性。某相機在焦平面無散熱措施條件下，成像10 min，過程中焦平面溫度共上升15 ℃左右。每30 s采集暗場圖像一次，并計算全視場暗電平平均值的實際情況，如圖 7所示。

圖7 全視場暗電平均值變化情況Fig.7 Changes of the average dark gray values in the whole field of view

10 min內(nèi)，各片CCD相應通道的暗電平對應的累計偏置扣除值如表2所示。從表中看出，隨著TDI-CCD探測器溫度升高，各通道暗電平的變化情況不同，其差別產(chǎn)生的主要來源在于暗電流產(chǎn)生的原理和不同通道的溫度差異。

表2 不同通道的偏置累積扣除值
Tab.2 Total offset deduction values of differentchannels

CCD通道偏置累積扣除值/Hex 暗場灰度值/LSB 12F9423410433711043198

在計算信噪比時，為更好地表示信號電平，需要扣除暗電平信號，得到真實信噪比，如式(7)所示。其中，uy表示圖像均值，uy，dark表示暗場圖像均值，σy表示噪聲方差。

.

(7)

暗場扣除前后的圖像最大信噪比指標(圖像灰度在飽和值的50%)如表3所示。由表3可知，暗場扣除后，圖像信噪比能夠得到提升。

表3 暗場扣除前后的信噪比對比
Tab.3 Before and after SNR comparison of the dark-field reduction algorithm dB

6 結 論

基于反饋式數(shù)字暗場扣除方法，集成了模擬暗場扣除和數(shù)字暗場扣除的優(yōu)點。經(jīng)試驗表明，該方法能有效保證圖像的暗電流水平，不影響探測器的動態(tài)范圍，對噪聲的抑制有一定的作用。采用FPGA實現(xiàn)算法時，系統(tǒng)量化誤差和運算誤差在允許范圍內(nèi)，不影響實際的暗場扣除效果。利用LM98640的偏置參數(shù)進行偏置扣除，在模擬端扣除的同時，復用了偏置參數(shù)功能。該方法在工程實踐中得到了有效的應用。