一種成像光譜儀ccd光譜圖像暗電流校正方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種成像光譜儀CCD光譜圖像暗電流校正方法，首先將CCD光譜維暗像元響應(yīng)平均值作為對(duì)應(yīng)空間維平均暗電流，形成整個(gè)像面的平均暗電流。然后，根據(jù)不同亮度下光譜圖像計(jì)算出暗像元響應(yīng)非均勻性校正矩陣。將像面平均暗電流與暗像元校正矩陣相加得到像面實(shí)際暗電流。最后通過(guò)扣除實(shí)際暗電流實(shí)現(xiàn)CCD光譜圖像暗電流校正。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于CCD暗像元的光譜圖像暗電流校正，消除了暗信號(hào)響應(yīng)非均勻性噪聲，方法可靠且簡(jiǎn)單易行，有利于提高成像光譜儀成像質(zhì)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種成像光譜儀CCD光譜圖像暗電流校正方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于CCD成像光譜儀光譜圖像校正領(lǐng)域，具體涉及一種成像光譜儀CCD光譜 圖像暗電流校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] C C D紫外成像光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1所示，該系統(tǒng)由紫外鏡頭、C C D驅(qū)動(dòng)控制單 元、數(shù)傳系統(tǒng)、電機(jī)及溫度控制系統(tǒng)、光譜儀與控制計(jì)算機(jī)等組成。利用基于面陣CCD探測(cè)器 的成像系統(tǒng)，通過(guò)一次測(cè)量實(shí)現(xiàn)污染氣體在一個(gè)方向的濃度分布，而空間維則通過(guò)系統(tǒng)掃 描獲取。自地表散射、反射的光信息通過(guò)系統(tǒng)的前置望遠(yuǎn)鏡會(huì)聚后，進(jìn)入中繼光學(xué)系統(tǒng)。將 對(duì)應(yīng)譜段的光反射會(huì)聚進(jìn)入Offner結(jié)構(gòu)成像光譜儀，在光譜儀內(nèi)色散成像到面陣CCD探測(cè) 器上，形成光譜維和空間維數(shù)據(jù)，通過(guò)差分吸收光譜技術(shù)反演2維陣列數(shù)據(jù)，從而獲取目標(biāo) 區(qū)域痕量氣體濃度分布。
[0003] 由于CCD暗電流噪聲的存在，光譜圖像中會(huì)夾雜著暗電流噪聲。而對(duì)于紫外波段的 弱光檢測(cè)來(lái)說(shuō)，暗電流噪聲有可能湮沒(méi)有用信號(hào)，必須對(duì)光譜圖像進(jìn)行暗電流校正。目前現(xiàn) 有的技術(shù)是通過(guò)CCD暗像元來(lái)估算暗電流水平，存在的問(wèn)題是，將暗信號(hào)平均值作為整個(gè)像 面暗電流，忽略了暗信號(hào)響應(yīng)非均勻性，校正后誤差較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種成像光譜儀CCD光譜圖像暗電流校正方法，來(lái)消除隱藏 在光譜圖像中的暗電流噪聲，獲得高質(zhì)量的光譜圖像。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種成像光譜儀CCD光譜圖像暗 電流校正方法，利用CCD成像區(qū)兩側(cè)的暗像元進(jìn)行整個(gè)像面的暗電流估計(jì)，利用兩幅亮度不 同的光譜圖像得到二維成像面的暗電流非均性矩陣，以此計(jì)算出圖像實(shí)際暗電流水平，將 其扣除實(shí)現(xiàn)光譜圖像暗電流校正。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
[0006] 步驟1、根據(jù)CCD暗像元作為暗電流參考，將CCD每一行(光譜維)暗像元響應(yīng)平均值 值作為其所在空間維位置暗電流，以此可得到整個(gè)像面平均暗電流信號(hào)，假設(shè)暗像元位于9 ~24列，1049~1064列，共32列，暗像元響應(yīng)值是由于CXD暗電流產(chǎn)生，且每行(光譜維)暗電 流基本一致，將每行暗電流平均值可表示為：
[0007； (1)
[0008；
[0009； (2)
[0010]步驟2、暗電流噪聲可表示為暗電流噪聲信號(hào)平均值與暗信號(hào)響應(yīng)非均勻偏差之 和，下面利用不同亮度的光譜圖像計(jì)算得到暗信號(hào)響應(yīng)非均勻偏差矩陣，具體方法是:首先 在相同CCD制冷、相同CCD增益、相同積分時(shí)間條件下，光譜儀采集兩幅不同亮度光譜圖Sl和 S2,可知兩幅圖像暗電流信號(hào)是相等的，可表示為：
[0011] (3)
[0012] (4)
[0013] 其中SQ(x，y) A1(Xj)為不同亮度圖像總信號(hào)值，DN(IohDNa1)為不同亮度圖像光 響應(yīng)信號(hào)，灰為暗信號(hào)平均值，Ad(x， y)為暗信號(hào)響應(yīng)非均勻性偏差，然后，通過(guò)圖像信號(hào)很 容易得到和DAYD+i ,假設(shè)亮度Ι〇>Ιι，加入比例因子
現(xiàn)將 31(叉，7)放大1^倍后，再減去5()(叉，7)，即3'（叉，7)=1^31(叉，7)-5()(叉，7) = (1^-1)八(1(1，7)，整 理后得到：
[0014]
(5)
[0015] 因?yàn)榘惦娏餍盘?hào)強(qiáng)烈依賴(lài)于溫度，如溫度有偏差，需要進(jìn)行溫度偏差校正，這里我 們假設(shè)溫度穩(wěn)定無(wú)偏差。
[0016] 步驟3、根據(jù)步驟1和步驟2的結(jié)果計(jì)算圖像暗電流水平， (x =刀v + Δο? (x (X，〇為圖像暗電流水平，i為像面平均暗電流， Ad(x，y)為暗信號(hào)響應(yīng)偏差。
[0017] 步驟4、由于測(cè)試光譜時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整CCD增益和積分時(shí)間，應(yīng)對(duì)步驟3進(jìn)行 增益放大倍數(shù)和積分時(shí)間轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為與原始輸入光譜圖像相同的增益和積分時(shí)間。 DN'dark(X，y) =DNdark(X，y) · fgain · fex，其中fgain為原始圖像增益與當(dāng)前增益之比，fex為原 始圖像積分時(shí)間與當(dāng)前積分時(shí)間之比。
[0018] 步驟5、根據(jù)步驟4對(duì)光譜圖像進(jìn)行暗電流扣除，實(shí)現(xiàn)光譜圖像校正，計(jì)算公式為： Slx，y) = S(x，y)-DN'dark(x，y)，其中S(x，y)為原始光譜圖像灰度值，S'（x，y)為經(jīng)暗電流 校正后的光譜灰度圖像。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0020] (1)、本發(fā)明利用CCD暗像元實(shí)現(xiàn)光譜圖像暗背景校正，提高弱光檢測(cè)光譜成像質(zhì) 量。
[0021] (2)、本發(fā)明通過(guò)不同亮度光譜圖像得到CCD暗背景偏差矩陣，可實(shí)現(xiàn)暗電流精確 計(jì)算;相比現(xiàn)有利用暗像元平均值作為暗電流響應(yīng)值，提高了暗電流反演精度。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為成像光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為成像光譜儀CCD光譜圖像暗電流校正方法流程；
[0024]圖3為應(yīng)用于本實(shí)例的CCD暗電流圖像與光譜圖像灰度值關(guān)系；
[0025] 圖4為應(yīng)用于本實(shí)例的CCD灰度響應(yīng)值與積分時(shí)間的關(guān)系；
[0026] 圖5為應(yīng)用于本實(shí)例的CXD增益與倍增值關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0028] 本發(fā)明一種成像光譜儀CCD光譜圖像暗電流校正方法，具體步驟如下：
[0029] 利用CCD成像區(qū)兩側(cè)的暗像元進(jìn)行整個(gè)像面的暗電流估計(jì)，利用兩幅亮度不同的 光譜圖像得到二維成像面的暗電流非均性矩陣，以此計(jì)算出圖像實(shí)際暗電流水平，將其扣 除實(shí)現(xiàn)光譜圖像暗電流校正。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
[0030] 步驟1、根據(jù)CCD暗像元作為暗電流參考，將CCD每一行(光譜維)暗像元響應(yīng)平均值 值作為其所在空間維位置暗電流，以此可得到整個(gè)像面平均暗電流信號(hào)。假設(shè)暗像元位于9 ~24列，1049~1064列，共32列，暗像元響應(yīng)值是由于CXD暗電流產(chǎn)生，且每行(光譜維)暗電 流基本一致，我們將每行暗電流平均值可表示為：
[0031； (1)
[0032；
[0033； (2)
[0034] 步驟2、暗電流噪聲可表示為暗電流噪聲信號(hào)平均值與暗信號(hào)響應(yīng)非均勻偏差之 和，下面利用不同亮度的光譜圖像計(jì)算得到暗信號(hào)響應(yīng)非均勻偏差矩陣。具體方法是:首先 在相同CCD制冷、相同CCD增益、相同積分時(shí)間條件下，光譜儀采集兩幅不同亮度光譜圖Sl和 S2,我們可知兩幅圖像暗電流信號(hào)是相等的，可表示為：
[0035] (3)
[0036] (4)
[0037] 其中SQ(x，y) J1(Xj)為不同亮度圖像總信號(hào)值，DN(Io)JN(I1)為不同亮度圖像光 響應(yīng)信號(hào)，巧 7為暗信號(hào)平均值，Ad(x，y)為暗信號(hào)響應(yīng)非均勻性偏差。然后，通過(guò)圖像信號(hào)很 容易得到十瓦和,假設(shè)亮度Ι〇>Ιι，加入比例因子
現(xiàn)將
31(叉，7)放大1^倍后，再減去5()(叉，7)，即3'（叉，7)=1^31(叉，7)-5()(叉，7) = (1^-1)八(1(1，7)，整 理后得到
[0038] (5)
[0039] 因?yàn)榘惦娏餍盘?hào)強(qiáng)烈依賴(lài)于溫度，如溫度有偏差，需要進(jìn)行溫度偏差校正，這里我 們假設(shè)溫度穩(wěn)定無(wú)偏差。
[0040] 步驟3、根據(jù)步驟1和步驟2的結(jié)果計(jì)算圖像暗電流水平，
為圖像暗電流水平，i?為像面平均暗電流， Ad(x，y)為暗信號(hào)響應(yīng)偏差。
[0041 ]步驟4、由于測(cè)試光譜時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整CCD增益和積分時(shí)間，應(yīng)對(duì)步驟3進(jìn)行 增益放大倍數(shù)和積分時(shí)間轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為與原始輸入光譜圖像相同的增益和積分時(shí)間。 DN'dark(X，y) =DNdark(X，y) · fgain · fex，其中fgain為原始圖像增益與當(dāng)前增益之比，fex為原 始圖像積分時(shí)間與當(dāng)前積分時(shí)間之比。
[0042]步驟5、根據(jù)步驟4對(duì)光譜圖像進(jìn)行暗電流扣除，實(shí)現(xiàn)光譜圖像校正，計(jì)算公式為： Slx，y) = S(x，y)-DN'dark(x，y)，其中S(x，y)為原始光譜圖像灰度值，S'（x，y)為經(jīng)暗電流 校正后的光譜灰度圖像。
[0043]下面以具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明方法進(jìn)行暗電流校正的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
[0044] 1、成像光譜儀采用的是英國(guó)E2V公司紫外增強(qiáng)型CCD47-20,其邊緣位置存在暗像 元，以此CCD為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0045] 2、將光譜儀置于積分球前，調(diào)節(jié)其亮度，分別采集兩幅不同亮度光譜圖像，根據(jù)采 集的圖像利用上述數(shù)學(xué)模型計(jì)算暗電流非均勻性矩陣，以后采集的光譜圖可以直接利用該 矩陣進(jìn)行校正，不必每次計(jì)算。
[0046] 3、進(jìn)行必要的積分時(shí)間和增益轉(zhuǎn)換，使用于校正的圖像與得到的暗電流估計(jì)值在 相同尺度進(jìn)行，計(jì)算光譜圖像暗電流水平，實(shí)現(xiàn)暗電流校正。
[0047] 4、輸出校正后的光譜圖像。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種成像光譜儀CCD光譜圖像暗電流校正方法，其特征在于：利用CCD成像區(qū)兩側(cè)的 暗像元進(jìn)行整個(gè)像面的暗電流估計(jì)，利用兩幅亮度不同的光譜圖像得到二維成像面的暗電 流非均性矩陣，W此計(jì)算出圖像實(shí)際暗電流水平，將其扣除實(shí)現(xiàn)光譜圖像暗電流校正，具體 實(shí)現(xiàn)方法如下： 步驟1、根據(jù)CC加音像元作為暗電流參考，將CCD每一行暗像元響應(yīng)平均值值作為其所在 空間維位置暗電流，W此可得到整個(gè)像面平均暗電流信號(hào)，假設(shè)暗像元位于9~24列，1049 ~1064列，共32列，暗像元響應(yīng)值是由于CC加音電流產(chǎn)生，且每行暗電流基本一致，將每行暗 電流平均值可表示為：：(1> 將每行暗像元平均響應(yīng)值作為該行成像面暗電流水平，形成像面暗噪聲平均值矩陣：C2) 步驟2、暗電流噪聲可表示為暗電流噪聲信號(hào)平均值與暗信號(hào)響應(yīng)非均勻偏差之和，下 面利用不同亮度的光譜圖像計(jì)算得到暗信號(hào)響應(yīng)非均勻偏差矩陣，具體方法是:首先在相 同CCD制冷、相同CCD增益、相同積分時(shí)間條件下，光譜儀采集兩幅不同亮度光譜圖S1和S2， 可知兩幅圖像暗電流信號(hào)是相等的，可表示為：其中5〇山7)、5如，7)為不同亮度圖像總信號(hào)值測(cè)(1〇)、0則11)為不同亮度圖像光響應(yīng) 信號(hào)，贏^為暗信號(hào)平均值，Ad(x，y)為暗信號(hào)響應(yīng)非均勻性偏差，然后，通過(guò)圖像信號(hào)很容 易得到+而和ZW&J+亦，假設(shè)亮度I〇〉Ii，加入比例因子觀將Si (x，y)放大k倍后，再減去S〇(x,y)，即S'（x,y) =k Si(x,y)-S〇(x,y)=化-l)Ad(x,y)，整理 后得到：(5) 因?yàn)榘惦娏餍盘?hào)強(qiáng)烈依賴(lài)于溫度，如溫度有偏差，需要進(jìn)行溫度偏差校正，運(yùn)里假設(shè)溫 度穩(wěn)定無(wú)偏差； 步驟3、根據(jù)步驟1和步驟2的結(jié)果計(jì)算圖像暗電流水平，/?^^ ^ DNdark( X，y)為圖像暗電流水平，萬(wàn)Γ為像面平均暗電流，Ad( X，y)為暗信號(hào)響應(yīng)偏差； 步驟4、由于測(cè)試光譜時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整CCD增益和積分時(shí)間，應(yīng)對(duì)步驟3進(jìn)行增益 放大倍數(shù)和積分時(shí)間轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為與原始輸入光譜圖像相同的增益和積分時(shí)間， DN dark( X , y )二DNdark( X , y ) · f gain · f ex ,其中f gain為原始圖像增値與當(dāng)自U增値之比，f ex為原 始圖像積分時(shí)間與當(dāng)前積分時(shí)間之比； 步驟5、根據(jù)步驟4對(duì)光譜圖像進(jìn)行暗電流扣除，實(shí)現(xiàn)光譜圖像校正，計(jì)算公式為:S/(x， 7) = 5^，7)-0^<134^，7)，其中5^，7)為原始光譜圖像灰度值，5'^，7)為經(jīng)暗電流校正后 的光譜灰度圖像。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK105841815SQ201610349684
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】張泉, 司福祺
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院