CCD光电系统噪声受限的探测能力分析

]1一 第 l 3巷 增 刊 1998年 l 0月 数 据 采 集 与 处 理 journal of Data Acquisition l＆Processing Vo【 】3 5tip Oc c．1 998 CCD光电系统噪声受限的探测能力分析 袁家虎 高晓东 (中 国科 学 院光 电技 术 研 究所 成 都 ，6l 0209) 摘要 从光电子学酌概念出发，分析丁‘ 唣 源置其 特 性 ．挺 j¨丁信 噪 比棚 黄 的信 1盘测概 率，建 立 丁 CCD _咒 电 系统计 点 日标 的 撵测能 盛 式 。 美键 词 ：电荷耦 台器件 ；光电 探删 中国 分类 号 ：TN202 引 言 ；噪上 CC‘D 光，《 乙 等 随着 光 电子 技术 的 飞速 发 展 ，基 于 CCD 为 信号 接收 元 件 的光 电成 象 系统 获得 r日益 广 泛的 应用 探 测 能力 指 有 效地 从 背景 信 号 和噪 声 中 提取 目 标信 号 ，这 是 光 电成象 系统设 计 时 的基车 前 提 之 一 。 诵 常 ，光 电系 统埘 目标 的作 用 过程 由 目标 、大 气 驶环 境 、光 学 系统 、光 电探 测 器发 信 号处 理 和 提 耻 等 多 环 节 组 成 ，每 一 环节 都 将 影 响 到 系 统 对 目标 信 号 的提 取 质 齄 ，印影 响到 能 否 探测 到 目标 如 图 l所 示 。 日标 背景 大气 镜头 CCD 。。 ‘ ‘ 。。 。。 。。 。。 。。 — — 输出～ 信号提取处理 I一 旧 ． CCD 光电 系统成 象示 意 图 8 5 c6 到概率 和 虚警 率 紧密 相关 的 。 本 文将 结 台光 电望 远 镜 对 空 问 恒 星 的探 测 ．分 析 上述 问 题 1 信噪 比阈值 (Ks， )与 目标探测 信噪 r匕足 光 电系统 噪声 受 限 情 况下 检测 目标 能 力 的 常用 判据 ，其 取 值 大小称 为 信 噪 比阉值 “’ 。 矾 噪声 环 境 中检 测 信 号 存 在 两 种 情 况 ，一 是 有 救地提取 出目标信号 其可能性大小称为探测率；二 是 将 无 目标样 值 判 为有 目标 的概 率 ，称 为虚 警 率 。 自噪 声 中脉 冲信 号 检 测 对 的探 测 率 和 虚警 率分 布 如 目 2所 示 J。其 中 ，虚 线 是 噪 声 的 概 率 密 度 分 布 ，而实线部分州是信 号与噪声叠加 后的概率 密度 分 布 ．当取 不 同幅 度 的门 限 (对 应不 同信 噪 比)，作 为 判 央 有 无 目标 的 准 则 时 ，其 虚 警 率 尸 (图 中 网 络 部 分 )和 探 测率 P (图 中斜 线部 分 )相 应 发生 变 化 。 世 隹 瓣 阁 2 探 删率 虚营 牢 与信噪 比I弼m CCD作为_? 电车专换．器件·噪 实现最佳检测的原劂是在一定条件F．获取最 到的光子信号大小丰H关 ' 这 是 CCD 的 重 要 嵘 声 特 大 的 。 的 只 ，它1『1与 嵘比 关系如图 3所 性 。 ． 声 ?的限 ． 基l本 苎 信： 币 例如，若要求探测率大于等于。。 ，虚警率小于 应 满 足 一定 的 信 噪 比，而 信 噪 比 蚓 值 的 选 取 是 与 抓 稿 1期 1 90s 0【一2 4：恬 穑收到 日坷 ： 9s H 06 2 ． ● ， 维普资讯 http://www.cqvip.com 80 数 据 采 集 与 处 理 第 1 3卷 等于 0 01．射信噪比应大于 5，这里 的 5是信噪 比趣 值 五⋯ 即实 现最 佳检 测 的 判据 为 Ⅳ ≥ (I) 式 中 ，Ⅳs为信 号 输 入 光 电子敷 ； 为 噪声 电 子敷 。 圈 3 探 捌率 、虚菅率 与信噪 比关 系 由下 述 分 析 可 以看 出，CCD光 电系 统对 空 间 星 体的探 测符 台 上 述 原刖 。 2 探测能力分析 2．1 CCD噪声 CCD象感器 噪声可分成两部分 ，即器件本 身的 噪声 c肿和 入 射 光 子的 散粒 噪声 器件本 身的噪声有转移噪 声．输 出噪声 和暗电 流 噪 声“j 随 着 制造 工 艺 水 平 的提 高 。转 移损 失率极 低，以及在采用相关双采样作信号输 出检测技术的 情 况 下 ．转 移 噪 声 及输 出 噪 声 已 小 至 可 以 忽 略 的地 步 】¨，而暗电流噪声 上升为 CCD{}}；件本身的主要噪 声 源 ，降 低 酋蝉 声 的主 要拄 求措 施是 对 器件 致砖 ．暗 电 漉 噪 声是 藏 流 子 的热 产 生 而 发 生 的 髓 机 进 程 ，可 以用泊松分 布描进 ，是 一种 自噪声 ，其等 值电子 -一 等 于暗 电 流产 生 的 电子数 的平 方 根 ． = (2) Ⅳ-一为暗 电 流产 生 的电 子数 。 入 射 光 子 的 散 粒 噪 声 起 诼 于 光 子 流 的 随 机 特 性 。光 于数 遵 从 泊橙 分 布 ，厨样 是一 种 白噪声 收 集 在感 光单 元 中 的 电子 数 的标 准 偏 差 等 于平均 值 的 平 方根 。细 致 一 点分 析 ，在 实 际应 用 中 ．^ 射 光子 由 目 标 辐 射光 子 和 背景 辐 射 光 于组 成 ，其 噪声 均值 ． 可 分 别表 示 为 s= 眺 (3) b= √ (4) 式 (3．4)中 Ⅳs和 N 丹 剐是 目标 辐 射 和 背 景 辐 射而 产 生 的光 电 子数 总的噪声均值可表示为 五一 v， + + 而 — — (5) = √Nn+ NsT 氓 由式 (5)可 以看 出，噪声与输入光 子敷 紧密相 关 2．2 信号厦背景 光子输 入 对 于 典 型 的光 电望 远 镜 系统 而 言 ．当对 无 眼 远 恒 星 进 行 探 测 时 ．若 象点 小 于一 个 CCD 象 紊 面 积 ． 则 该象 素 接 收 的光 电子 敷可 以表 征 为 Ns一 走ArD b (6) 其中 为信号光子流量密度[光子数／(m ·sec)]而 虫 有 表 达式 走 ； 5× 10 ／1．512 [光子敷 ／(m ·see)](7) 式 中 ，慨 ：恒 星 星等 效 ；A 光 学 系 统 人 瞳 面 积 (m )； ：光学 系境透 过 率 ；Qs：CCD 对 于信 号 光 的量 子效 率 4ts}CCD 对 于信 号的 曝光 时间 。 当光 学 系统 存 在 一定 象 差 或系 境不 完 善 使信 号 能 量 由几 十 CCD 象元 分 担 时 ，式 (6)中应 乘 以一 个 小 于 1的 系数 。 陈 了恒 星 目标 产 生 ccD的 光 子输 入 以 外 ，天 空 背 景 的 输 入 也 不 容 忽视 ，这 在 白天 分 析 探 测 极 限时 尤 为重 要 。 天空背景是面 目标．表征其发光特性通 常用辐 亮 度 (可 见 光 范畴 称亮 度 ，单位 为 漉 明)．用 光 子表 示 为 单位 立 体角 的光 子 溉量 密度 。 背 景在 CCD 产生 的光 电子数 表示 为 Nn Ar0APQ H (8) 其中，： 为单位立体角背景光子流量密度[光 子敷／ (m ·sec·arcsec ]它可表示 为⋯ ¨ 5× 10 ／2．512 ， [光 敷／(m。 ．arcse )] (。) 式 中 ，肘 ：背景 星等 当量 ； ：CCD对 于 背 景 光 的 量 子 效 率 { P{CCD 一 象 元 的 角 面 积 (~resec )； n 背景 曝 光 时问 。 于 是 ．利用 式 (6)可 以 计算 出一 定 条件 下 恒 星 目 标 产生 的 信 号光 电子 敷 ，将式 (6)，式 (8)计算 的结 果 钟 ∞曲如∞鲫蚰如∞加 蜉 9 ^ )／ 维普资讯 http://www.cqvip.com 增 干lf 袁 家虎等 ：CCD光 电 系 境 噪声 受 限的 探 测能 力分 析 8l 代 ^式 (5)，在 暗 电 流 电子 效 已知 的 条件 下 算 出 噪声 电子效 。 可 以 计 有效 提 高探 刮 能力 这样 ，信 噪 比就 可 以 获 得 ，从 而 判断 出光 电系 境 的探 测 能力 下 面 举例说 明 2．3 实例分析 设定 如 下初 始 参数 ： · 星象 弥散 斑 占 3×3象 元 ，能 量 由 9象元 均分 · 象元 角分 辨 力 2 · 目标 导子 效 率 船 一 0．45 · 背景 量 子效 率 Q =0．43 · 唁 电流 电子 数 Nd=＆ 一 虽【f对 于 白 天 和 晚 上 不 同 的 背 景 条件 ，分 别 计 算 探 测 能力 如 图 4，；所 示 。 400 500 600 700 800 D ／m 围 4 白 天撵测 能力 《一 D ，m 圈 5 晚 上 撵测 能 由图 4可 以看 出 ，在白 天情 况 下 ，由于 较 强 的 背 景 辐 射输 ^ 0f起 较 大 的 光 子 噪声 ，即使 在 背 罱 亮 度 取 0．】sb(相 当 于 5．1M ／arcsec )，也 只 能 探 测 到 8M。左 右 (取 D一600 Tllr1])，而 增大 光 学 人 瞳直 径 可 同 时 ，计 算 也 表 明 ，曝 光 时问 延 长 无益 于提 高探 酬能 力 在 晚 上 则情 况 不 同 (如 图 5所 示 )，由 于 晚 间背 景 辐 射 扳弱 ，曝 光时 间对 信 噪 比有 明 显的 影 响 。图 中 显示 了 不 同 曝 光 时 间 ，不 同星 等 目标 在 不 同 光 学 人 瞳孔 径 下 的信 噪 比 可 以看 出 ，若取 D一600mm，在 曝光 时 问较 长 的条 件 下 (如 ￡一2O0 m )，最佳 可 撵 刮 到 1 3等 星 。 3 结束语 根据 上 述分 析 可 看 出 ： (1)CCD 噪声 具 有 白 噪 声 特性 ，符合 泊 橙 分 布 ． 噪 声 与 输 ^光 电子 效 紧 密相 关 ，是 探 测 能 力 的 基 本 受 限 原 目 ： (2)运 用 白噪声 中脉 冲信号 检 测理 论 ，符 合 CCD 对 于 点 源 目标 的探 测 情形 ，探 测率 、虚 警 率 和信 噪 比 相 互 之 间 的关 系 建 立 了 CCD 光 电系 统 探 酬 能 力 的 评 价 体系 } (3)运 用 文 中的 系 列 公 式 ，可 以 进 行 CCD 光 电 系 统 的探 测能 力 的数 字分 析 参 考 文 献 1 陈玻 若．红 外系 坑 北 京 ：国防工 业 出版杜 ，1988 2 朱 捶 文．电视跟 踪作 用距 离方程式 及其 分析 ，光学 工 程 ， 1 987．6 3 [美]无线电公司 电光学手册．北京 国防工业 ll{版 扎． ： 8 4 王 以锦．电荷耦 音 器 付：原理 与应 用 ．北 京 ：科 学 出版 社 l987 5 袁 家 虎 l乜荷 耦 旮嚣 件传 递 丽数 研 究 丑 测 试 ：[学 位 论 文]成都 中国科学院光电技术研究所 ．1988 Analysis on Detection Ability of CCD Opto—Electric System Limited by Noise Y “nn Jiahu Gao X iaodang Institute ot Optics＆ Electronics t Chinese I Academ y ot Sciences Chengdu，6】0209 J 维普资讯 http://www.cqvip.com 82 数 据 采 集 与 姓 理 第 ]3卷 Abstract AnB【yzes CCD’s noise res0urcc and lIs cha racteristic based OlX the theory of Opto——Elect ro— nits， points out the relationship between signal— noise ratio and detection probability，then sets up the limit detecting formuta for a CCD Opto Electric system to a lighting point target． Key words：CCD； opto e[ectric detection； signa[ noise ratio；noise 第一 作 者简 介 壶 家虎 男 ，副研究 员 ．1963年 8月生 发 袁 过 “一 种基 于 CCD 对准 的光 电测 量 方法 (E应 用光 学 {t 1997年第 1期 )等 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 为 了 加强 对 有关 测 试工 程 、信息 工 程科 研 、生产 单 位 及其 成 果 的 宣传 ．扩 大本 刊 的 信 息量 ，提高 社会 效 益 和经 济 敷益 ，本 刊经 南京 市 工 商行政 管 理 局批 准 ((93)宁工 商广 临 宇 032号 )辟 出版 面 ，用 于 刊登各 娄广 告 。近 几 年来 ．本 刊 一直 为 中国科 学 院声学 所 、北京 太 阳 电子 科技 公 司 、解 放军 信 息 工程学 院 、美 国吉 时利仪 器 公 司 、 上海星荣机 电技术有限公司、南京熊猫计算机有限公司、北京康泰电子有限公 司等若干单位刊登产品广告．为 科技 成 果尽 快转 化 为 生产 力牵 线 搭桥 ，受 到 了科技 ^ 员的 欢 迎 。 (--)刊登内窖和收费标准 1 科 研 、生 产单 位 介绍 图 片 内容包 括 文字 和 图表 ，以及 负 责^ 的 照片 和详 细通 信地 址 等 ．可 视需 方 要求 而定 文 字 内容包 括 ：单位 名 称 、性 质 、业 务范 围 、科 技力 量和 科 技 特 色 ，所 拥 有的 成果 以 及可 转让 、提 供 的产 品 、 技 术 、服务 等 2．科技 成 果 、产 品 和技 术舟 绍 包括 创新 成 果 产品 和技 术 ，介 绍其 性 能 指标 、功能 、特 点 、适 用 范 围 、价 格 ，“段 通信 联络 地址 等 3．收 费标 准 封 二 、封 三 整 艋各 2000元 (黑 白)，封 四整 艋 4000元 (黑 白 )，内页 整 版 1 000元 ．连 续 刊 登几 期 者 ．可 从 第 二期 起 适 当优 惠 。如 需 制作 彩 色广 告 ．价 格加 倍 (-- )刊登 办 法 1．各 单 位凡 要 刊登 广 告者 ．请 随时 同本 刊编 辑部 联 系 ．提 出刊登 要求 ．本 刊将 尽快 予 以 安排 。 2．刊登 的 文稿 和固 片 由各 单位 提 供 。照 片需 提供 黑 白正 片 ，彩 照 加倍 收 费 。 本 刊联 系^ ：刘 彦 东 周 青 地址 ：南 京市 御 道 街 29号 南京 航 空航 天大 学 内 ．邮编 ：2l 0016 电话 ：025 4892726．4892744 电挂 ：3057 本 刊开 户行 ：交 通银 行南 京 支行 御道 街 分理 处 帐 号 ：066390149000354 帐户 ：南京 航空 航 天大 学《数据 采 集 与处理 鞠 辑 部 ，井 注 明 用途 = 《数据采集与处理 蝣南辑部 1998年 l0月 维普资讯 http://www.cqvip.com