帧转移CCD基于虚拟参考行的Smear校正方法

摘要

帧转移CCD基于虚拟参考行的Smear校正方法，属于光电探测技术领域，在基于参考行的技术路线中用“虚拟参考行”取代了暗参考行，解决了后者易受杂光污染的问题；在读取图像时采用了ROI读出技术，以尽可能地增加参考行的个数来提高Smear信号的信噪比；在读取虚拟参考行时，采用了多行片内合并技术以最大可能地提高信噪比，同时也使得本方法需要额外存储和处理数据量仅为一行。具体步骤为：①帧转移，将需要读出的第一行转移至存储区的最下端；②清空水平读出寄存器；③读出ROI图像；④倾倒掉不需要读出的图像行和暗参考行；⑤清空水平读出寄存器；⑥多行合并后读出虚拟参考行；⑦暗信号校正；⑧提取Smear信号并校正图像。

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种帧转移CCD的Smear校正方 法。

背景技术

Smear现象的产生是由于帧转移CCD在帧转移的过程中其感光区（成像区 内感光的有效区域，其余部分为暗参考像元）内的像元仍然在感光造成的，它 是帧转移CCD的固有特性，在强光短曝光时间的情况下尤为明显。增加机械快 门可以避免Smear现象，但这显然是一种向全帧转移CCD的倒退；提高帧转移 时钟的频率可以减弱Smear现象，但是不能完全消除。

目前常见的校正算法有三种：第一种是基于对全图的统计估计出Smear发 生的位置和大小，只针对星图等特定类型的图像有效，对其它图像则很难适用； 第二种是基于Smear产生原理的全帧求解算法，它根据Smear现象产生的数学 过程，将所有行相加后乘以比例因子求出Smear信号（CCD无电子快门），或者 从第1行开始根据比例因子逐行求解出Smear校正后的理想图像（CCD有电子 快门）。这种算法求出的Smear信号准确度和信噪比都非常高，但它要求知道曝 光时间、帧转移时钟的周期以及Smear电荷的产生效率，且不能有像元饱和、 必须整帧全部读出；第三种是基于暗参考行的校正算法，它直接利用了暗参考 行在曝光期间不感光，在帧转移的过程却感受了和感光区像元相同的Smear信 号的这一特点，简单地经过暗信号校正后便可以直接解出Smear信号。该算法 简单实用，不需要全帧读出，但由于暗参考行的个数通常都很少，解出的Smear 信号噪声很大，而且如果CCD像面上的光照区域离暗参考行很近，那实际上这 些暗参考行都会受到杂光的污染而有一定的曝光量，所求出的Smear信号就不 再准确，如图2中上方曲线所示。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有算法的不足，通过驱动时序的特殊设 计提供了一种基于虚拟参考行的Smear校正方法。

本发明解决问题的技术方案：

帧转移CCD基于虚拟参考行的Smear校正方法，定义虚拟参考行为在暗参 考行之后、CCD器件以外，在曝光期间虚拟存在、曝光结束后帧转移的过程中 才逐行转移进入CCD开始真实地存在的参考行；设成像区有N_I行感光像元， N_D行暗参考像元，存储区有N_S=N_I+N_R行像元；ROI区域从成像区的第N_Y1行 （1≤N_Y1≤N_I）开始，则最多有N_R-N_D+(N_Y1-1)个虚拟参考行；舍弃最后三行， 取N_V=N_R-N_D+(N_Y1-1)-3个虚拟参考行；具体步骤如下：

步骤一，控制帧转移时钟信号将成像区曝光积累的电荷快速地转移到存储 区，转移时钟的周期个数为N_S+N_Y1-1；同时将帧转移过程中不断转移至水平读 出寄存器的无用电荷读出复位掉或者倾倒掉；

步骤二，控制水平读出寄存器连续读出两行以上，期间读出复位脉冲信号 保持为复位的高电平状态，以彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷；

步骤三，控制行转移时钟、水平读出时钟和读出复位脉冲信号将ROI区域 内的像元逐行逐个地读出；

步骤四，控制行转移时钟、水平读出时钟和电荷倾倒栅极控制信号将ROI 与虚拟参考行之间的无用电荷全部倾倒掉；

步骤五，执行步骤二清除水平读出寄存器；

步骤六，控制行转移时钟连续地将N_V个虚拟参考行转移至水平读出寄存器， 实现多行片内合并，然后控制水平读出时钟和读出复位脉冲信号逐个像元地读 出合并后的虚拟参考行

步骤七，对读出的图像和虚拟参考行做暗信号校正；

步骤八，将虚拟参考行除以N_V，得到“多次采样-平均”法降噪后的Smear 信号最后从图像中逐行减去它即可得到校正后的光信号图像I_i,j。

本发明的积极效果：

1、本发明选择了基于参考行的技术路线，避免了背景技术中全帧求解算法 要求全帧读出、无法处理饱和图像等问题，同时借鉴了因其参与求解的行数多 所以解出的Smear信号噪声小的优点，在方法中采用了ROI读出技术，以尽可 能地增加参考行的个数，成倍地提高了解出的Smear信号的信噪比。

2、提出了“虚拟参考行”的概念，解决了基于暗参考行的校正算法易受杂 光污染造成准确度下降、参考行数少导致Smear信号噪声大等问题。

3、在读取虚拟参考行时，采用了像元片内合并技术以最大可能地提高信噪 比，同时也使得本方法需要额外存储和处理数据量仅为一行。

附图说明

图1是带有虚拟参考行的帧转移CCD像元布局图。

图2是暗电平校正后暗参考行、虚拟参考行和用全帧求解算法得出的Smear 信号的一个比较结果。第1025～1027行为暗参考行，第1028行开始为虚拟参考 行。可以看到，即使是离感光区最远的第3个暗参考行，也是有着相当多的曝 光量的，根本无法用来计算Smear信号。而虚拟参考行的信号和用全帧求解算 法得出的Smear信号却有着相当好的一致性。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，虚拟参考行是在暗参考行之后、CCD器件以外，在曝光期间 虚拟存在的参考行。这些虚拟参考行在曝光结束后帧转移的过程中才逐行转移 进入CCD开始真实地存在，随后与暗参考行一样，感受并积累与成像区像元相 同的Smear信号。由于它们在曝光期间是虚拟存在的，或者说曝光时间为零， 因此没有受杂光污染的问题。而且随着可用虚拟参考行个数的增加，提取出的 Smear信号的信噪比可以成倍地提高。

本发明解决问题的技术方案如下：

在帧转移时将成像区内ROI（RegionOfInterest，本发明中指感兴趣的读出 区域）区域的第一行转移至存储区的最底端，然后逐行读出ROI区域内的图像， 倾倒掉ROI与虚拟参考行之间的无用行，最后读出虚拟参考行，此时采用片内 多行合并的方式只读出一个相加行，以提高信噪比并降低数据量。

如图1所示，设成像区有N_I行感光像元，N_D行暗参考像元，存储区有 N_S=N_I+N_R行像元。ROI区域从成像区的第N_Y1行（1≤N_Y1≤N_I）开始，则最多 可以有N_R-N_D+(N_Y1-1)个虚拟参考行。考虑到读出时靠近成像区的最后几行有可 能被杂光污染，舍弃最后3行，最终有N_V=N_R-N_D+(N_Y1-1)-3个虚拟参考行可用。

具体步骤描述如下：

步骤一，控制帧转移时钟信号将成像区曝光积累的电荷快速地转移到存储 区，转移时钟的周期个数为N_S+N_Y1-1；同时将帧转移过程中不断转移至水平读 出寄存器的无用电荷读出复位掉或者倾倒掉；

步骤二，控制水平读出寄存器连续读出2行以上，期间读出复位脉冲信号 保持为复位的高电平状态，以彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷；

步骤三，控制行转移时钟、水平读出时钟和读出复位脉冲信号将ROI区域 内的像元逐行逐个地读出；

步骤四，控制行转移时钟、水平读出时钟和电荷倾倒栅极控制信号将ROI 与虚拟参考行之间的无用电荷全部倾倒掉；

步骤五，执行步骤②清除水平读出寄存器；

步骤六，控制行转移时钟连续地将N_V个虚拟参考行转移至水平读出寄存器， 实现多行片内合并，然后控制水平读出时钟和读出复位脉冲信号逐个像元地读 出合并后的虚拟参考行

步骤七，对读出的图像和虚拟参考行做暗信号校正；

步骤八，将虚拟参考行除以N_V，得到“多次采样-平均”法降噪后的Smear 信号最后从图像中逐行减去它即可得到校正后的光信号图像I_i,j。

实施例：

e2v公司的帧转移CCD47-20，有效像元1024×1024，即N_I=1024，N_D=3 个暗参考行，存储区有N_S=1024+9行，即N_R=9，ROI读出区域为第50～974行， 即N_Y1=50，最终有N_V=9-3+(50-1)-3=52个虚拟参考行可用。

CCD47-20实现带虚拟参考行的读出控制时序如下：

①控制帧转移时钟信号和将成像区曝光 积累的电荷快速地转移到存储区，转移时钟的周期个数为 N_S+N_Y1-1=1033+50-1=1082；同时控制水平读出时钟和为连续 读出状态，读出复位脉冲信号保持为复位的高电平状态，以“读出-复位” 掉帧转移过程不断转移至水平读出寄存器的无用电荷，或者将电荷倾倒栅极时 钟DG置为高，将无用电荷倾倒掉；

②控制水平读出时钟和为连续读出状态，读出复位脉冲 信号保持为复位的高电平状态，连续读出2行以上，以彻底清除水平读出寄 存器内可能残留的无用电荷；

③控制行转移时钟信号和将一行像元电荷转移到水平读 出寄存器，再控制水平读出时钟和读出复位脉冲信号将像 元电荷逐个读出；

④循环执行步骤③共计读出974-50+1=925行图像数据；

⑤控制行转移时钟水平读出时钟读出复位脉冲信号和电荷倾倒栅极时钟DG将第975～1027行共计53行不需 要读出的电荷从存储区逐行转移到水平读出寄存器并快速倾倒掉；

⑥执行步骤②清除水平读出寄存器；

⑦控制行转移时钟信号和连续将52行虚拟参考像元电荷 转移到水平读出寄存器，完成虚拟参考行的片内合并；

⑧执行步骤③读出合并后的虚拟参考行；

⑨对读出的图像和虚拟参考行做暗信号校正；

⑩将虚拟参考行除以52，得到“多次采样-平均”法降噪后的Smear信号， 最后从图像中逐行减去它即可得到校正后的光信号图像。