全帧型面阵CCD相机获取极低辐亮度目标图像的方法

摘要

全帧型面阵CCD相机获取极低辐亮度目标图像的方法，首先为全帧型面阵CCD器件配置光学子系统进行成像，CCD器件输出的信号处理链路中包括模拟和数字两部分。在模拟信号处理部分主要进行相关双采样、低噪声放大、钳位和模数转换。在数字信号处理部分设置有图像存储器和状态监视器。每一次曝光结束，将CCD器件得到的微弱图像累加到图像存储器中，同时，监视图像存储器中饱和像素的数量，如果达到一定比例，则将存储器中的数据连同累积的曝光次数一同输出，并对图像数据缓存器和状态监视器清零，否则继续图像累积过程。本发明方法获取的图像质量高，适应动态范围大，能够满足极低辐亮度目标连续监测的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用CCD相机成像的方法。

背景技术

在极弱照度条件下获得高质量的目标图像，是一项重要的实用技术。这里提到的极弱照度，是指目标辐亮度低至1.0×10^-8W/cm²sr以下，较白天普通物体的辐亮度低5～7个数量级。

目前在卫星上使用的低辐亮度目标成像技术有两种，分别是像增强器技术和延时积分技术(即TDI技术)。

使用像增强器技术时，一是像增强器难于适应空间环境，所需技术难度高；二是像增强器响应的线性区太窄，线性度差，不能覆盖夜间云辐射的动态范围。利用像增强器获得微光云图，在云辐射动态范围内，线性度不会优于20％，而CCD器件只要不进入饱和区，辐射响应的线性度都非常高。线性度差对云图的应用有重要影响，特别是那些需要对云参数做定量分析的用户。

延时积分CCD器件(即TDICCD)在使用时必须配合卫星平台的运动。该技术适合在太阳同步极轨卫星上使用，获得地面同一时刻的云覆盖图。但是，这种技术对于应用有明显的不足，一是卫星轨道高度只有几百公里，图像刈幅通常也是几百公里，刈幅超过1000公里后，图像边沿的畸变太大，用户无法使用；二是由于卫星的运动受轨道力学控制，单颗卫星的重访周期一般不会低于24小时，因此无法得到连续的云覆盖图，不能用于监测天气系统的演变。如果需要监测天气系统的演变，势必需要多颗卫星组网；三是由于太阳同步极轨遥感卫星相对地面的运动速度快(一般在每秒7公里左右)，在每一个曝光时间内，光生电荷甚至可能比暗信号电荷还少，所以图像的信号噪声比不高，造成图像质量不高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种极低辐亮度目标的连续监测方法，可以自动适应目标辐亮度变化，且图像信噪比高和辐射响应线性度高。

本发明的技术解决方案是：全帧型面阵CCD相机获取极低辐亮度目标图像的方法，步骤如下：

(1)根据用户期望的空间分辨率GSD和刈幅范围W，为CCD器件配置光学系统，光学系统的焦距f、CCD器件所在平台的运行高度h、CCD器件的像素尺寸p、空间分辨率GSD满足关系式刈幅范围W、CCD器件每行像素的数量N、空间分辨率GSD满足关系W＝N·GSD；

(2)为CCD器件的每一个输出端口均配置一个图像存储器，图像存储器的存储容量大于端口输出的像素数量，图像存储器的数据宽度不低于模数转换器件的图像数据宽度；

(3)对CCD器件输出的每一路视频信号分别做相关双采样、低噪声放大和钳位处理，并将钳位处理后的模拟视频信号转换为数字视频信号；

(4)对于每一路数字视频信号，分别设置一个输出像素数量计数器、一个曝光数量计数器和一个饱和像素数量计数器；每一个帧周期开始输出数字视频信号时，输出像素数量计数器清零，曝光数量计数器的计数值加一，每输出一个像素的信号，输出像素数量计数器的计数值加一；

(5)将每一路输出像素数量计数器的内容作为对应图像存储器的地址，CCD器件在该路输出一个像素数字信号的同时，通过对应的输出像素数量计数结果寻址，读取该地址所对应存储单元的内容，将输出的像素数字信号与存储单元原存储内容相加后再存入同一存储单元，并在存入的同时做一次判断，如果相加后的结果超过预先设置的饱和阈值，则将该路的饱和像素数量计数器的计数值加一；

(6)每一个帧周期结束，将所有饱和像素数量计数器的计数值相加，如果相加的结果超过预先设定的像素数量阈值，则将各图像存储器中的像素以及对应曝光数量计数器的计数值一起输出，同时清空各图像存储器并对各输出像素数量计数器、曝光数量计数器和饱和像素数量计数器清零；否则，对各输出像素数量计数器清零，进入下一个帧周期继续进行像素的累积，直至所有饱和像素数量计数器的计数值相加的结果超过预先设定的像素数量阈值；

(7)利用各图像存储器输出的像素序列组成完整的云图并从中提取极低幅亮度目标。

本发明与现有技术相比的优点在于：

第一，本发明方法输出图像是多次曝光的累加结果，而在累积过程中噪声的增长速度没有信号的增长速度快，大大提高了输出图像的信号噪声比；

第二，本发明方法可以根据饱和像素所占比例自动调整累加的曝光次数。如果整体辐亮度高则累加的曝光次数少，反之则累加的曝光次数多，这样，可以适应目标辐亮度几个数量级的变化，且一直处在辐射响应的线性段，辐射响应的线性度高；

第三，本发明方法面向静止轨道卫星平台设计，自动调整曝光次数以适应目标辐亮度变化。用做云图监视，可以从黄昏监视到黎明，即使在整体照度最微弱的条件下图像帧周期也不超过二分钟。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图。图1中pcr代表像素计数器，ecr代表曝光计数器，fcr代表饱和计数器。本发明方法的具体步骤如下：

(1)根据用户期望的空间分辨率GSD和刈幅范围W，为CCD器件配置光学系统，光学系统的焦距f、CCD器件所在平台的运行高度h、CCD器件的像素尺寸p、空间分辨率GSD满足关系式刈幅范围W、CCD器件每行像素的数量N、空间分辨率GSD满足关系W＝N·GSD。因为卫星高度远大于光学系统的焦距，光学系统是一个望远系统，它的放大比例等于焦距与轨道高度的比，如果每一个像素对应的地面距离基本相等，则刈幅宽度等于每一行的像素数量与地面分辨率的乘积。

(2)为CCD器件的每一个输出端口配置一个图像存储器，图像存储器的容量大于端口输出的像素数量，图像存储器的数据宽度不低于模数转换(ADC)器件输出的数据宽度。因为CCD器件的视频输出端口不只一个，各型号器件的单个输出端口输出的像素数量不定，CCD器件的噪声水平和电子电路的噪声水平也不相同，ADC器件输出数字信号的位宽不同，所以，图像存储器的容量不能低于对应端口输出的像素数量，数据宽度不能低于ADC器件输出的数据宽度；

(3)对CCD器件输出的视频信号做相关双采样、低噪声放大和钳位处理。相干双采样电路对CCD器件输出视频信号中的每一个像素单元采样两次，一次采样复位电平，另一次采样带偏置的信号电平，二者相减就去除了偏置电平和复位噪声。低噪声放大器可以匹配CCD输出信号幅度和ADC输入幅度，减小量化噪声在总噪声中占的比例。钳位处理可以将输入到模数转换器件的信号钳位到暗信号上，有效去除CCD器件暗信号的影响。

(4)使用模数转换器件将钳位处理后的模拟视频信号转换为数字视频信号；

(5)进行数字信号处理时，为每一个输出端口设置一个输出像素数量计数器、一个曝光数量计数器和一个饱和像素数量计数器。设置像素数量计数器的目的是为了图像存储器的寻址，设置曝光数量计数器的目的是为了便于目标辐射特性的定量分析，设置饱和像素数量计数器的目的是为了做累加过程控制；

(6)每一个帧周期开始视频信号输出前对输出像素数量计数器清零，对曝光数量计数器内容加一；

(7)将端口输出像素数量计数器的内容作为地址，读取图像存储器中对应存储单元的内容，将它和模数转换器件的输出一同送加法器，计算结果再存入同一存储单元。这个过程将各帧曝光得到的图像叠加在一起，起延时积分的作用；

(8)在步骤(7)的结果存入图像存储器的同时做一次判断，如果相加的结果超过设置的饱和阈值，饱和像素数量计数器内容加一。这一步操作的目的是统计各输出端口对应区域饱和像素的数量。通常可以将加法器饱和值的0.9倍设置为饱和阈值。

(9)每一个帧转移过程结束，将各端口饱和像素数量计数器的内容相加，如果和超过预先设定的数量，则将存储器中的图像以及曝光数量计数器一同输出到传输通道，然后，清空图像存储器的内容，对输出像素数量计数器、曝光数量计数器和饱和像素数量计数器清零；否则，对输出像素数量计数器清零，进入下一个帧周期，继续图像的累积，直至存储器中存储图像的幅度和信噪比满足要求，也即各端口饱和像素数量计数器的内容相加超过预先设定的数量。饱和像素数量占像素总数比例的设置是为了兼顾视场内的明亮目标和微弱目标，因为特别明亮的目标会很少，如果饱和像素数量所占比例达到10％即可考虑启动图像输出过程。

(10)在存储图像输出过程中依然利用输出像素数量计数器寻址，先对其清零，读取一个像素送传输通道，然后对输出像素数量计数器加一，输出下一个像素的数值，以此类推，直至全部数据输出完毕；

(11)在输出图像序列上可以区分感兴趣目标。观测云图时，可以由图像上识别云系、分析和确定锋面、预测气旋的发展趋势、定位槽线和脊线的位置等，定量分析云体的发展和大气理化特性。具体可参见相关文献。如《应用卫星气象学》，王丕诰、刘宗义、张开斗编，中国海洋出版社，2004年3月第1版，p123-154。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。