1,CCD成像技術(shù)及其在遙感中的應(yīng)用 第三章 CCD的主要性能指標,郝志航,2,內(nèi)容,CCD的主要性能指標 量子效率QE和響應(yīng)度R 暗電流和暗電流噪聲 噪聲和信噪比 動態(tài)范圍 實例說明 CCD性能指標測試標準 小結(jié),3,CCD的主要性能指標,軌道高度(H) 地面像元分辨率(GSD) 系統(tǒng)靜態(tài)傳遞函數(shù)(MTFsys) 光譜波段(BW) 地面覆蓋寬度 最小太陽高角()時信噪比(SNR) 相機質(zhì)量(M) 相機功耗(P),典型遙感相機的主要性能要求,典型遙感相機的組成： 光學(xué)系統(tǒng)； 光機結(jié)構(gòu)； CCD成像； 熱控。,4,CCD的主要性能指標,地面像元分辨力 (MTFSYS),太陽高角 (信噪比),地面覆蓋 (視場角),質(zhì)量 (f，F(xiàn)),CCD,光學(xué)系統(tǒng),熱控系統(tǒng),光機結(jié)構(gòu),5,CCD的主要性能指標,CCD的主要性能指標指的是對系統(tǒng)性能產(chǎn)生主要影響的指標。 主要性能：量子效率QE（響應(yīng)度R）、飽和曝光量SEE、傳遞函數(shù)(MTFCCD )、噪聲n、暗電流等。 其它性能：像元尺寸、像元數(shù)、電荷轉(zhuǎn)移效率、響應(yīng)非均勻性、環(huán)境適應(yīng)能力等。,CCD應(yīng)用對CCD性能指標的要求,CCD生產(chǎn)廠家提供的CCD性能指標,6,CCD的主要性能指標,CCD廠家給出的性能指標形式,7,CCD的主要性能指標,8,量子效率QE和響應(yīng)度R,可以用量子效率計算響應(yīng)度，響應(yīng)度的單位是A/W或 。計算公式如下：,（31）(2-4),（32）(2-5),其中， 是電子電荷， 是量子效率， 是像元有效面積。式中 是CCD中常用的輻照量單位。輻照量的基本單位是 。,9,量子效率QE和響應(yīng)度R,在CCD工作過程的最后一步，將電子電荷轉(zhuǎn)換為電壓，電荷轉(zhuǎn)換因子CVF為：,其中， 是電子電荷， 是量子效率， 是像元有效面積，G為CCD片內(nèi)放大倍數(shù)。,與前式聯(lián)合可以得到電壓輸出的響應(yīng)度R,（33）,（34）,10,一個行間轉(zhuǎn)移CCD器件的填充系數(shù)為50,像元面積是11.4m×13.8m,電荷轉(zhuǎn)換因子CVF為6V/-。如果量子效率在0.6m是 0.8 計算以V/J/cm2為單位的響應(yīng)度。Ap=7.87×10-7cm2。常數(shù)hc是1.99×1025 J.m/photo。將數(shù)值代入3-4：,計算結(jié)果單位為V/J/cm2 ，轉(zhuǎn)換為V/J/cm2 ，結(jié)果為：,量子效率QE和響應(yīng)度R 舉例,cm2,V/-,m,J-m/photo,V/J/cm2,11,遙感相機CCD靶面上輻照量的計算： 條件：無窮遠面發(fā)光目標，發(fā)光目標為朗伯體，發(fā)光強度與方向無關(guān)，輻出度為M0(W/m2)。 相機入瞳處輻亮度L為：,其中a為大氣透過率,量子效率QE和響應(yīng)度R,（35）,12,量子效率QE和響應(yīng)度R,遙感相機CCD靶面輻照度 為：,CCD靶面輻照量為：,式中optics為光學(xué)系統(tǒng)透過率，F(xiàn)為相對孔徑，tint為CCD積分時間。,（37）,（36）,13,量子效率QE和響應(yīng)度R,有些CCD的響應(yīng)度是以光度參數(shù)給出的，如R的單位是V/lx.s。當(dāng)以光度參數(shù)給出響應(yīng)度時，需要指定光源的色溫。有時需要進行輻射度參數(shù)與光度參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。,思考題：如何進行以V/lx.s和V/J.m2兩種響應(yīng)度單位的轉(zhuǎn)換？光源色溫指定為2856K。,參考資料: 1光電技術(shù)王慶有主編，電子工業(yè)出版社2005年 2 CCD Arrays Cameras and Displays By Gerald C. Holst SPIE Press 1998,14,暗電流和暗電流噪聲,暗電流對CCD成像的影響： 降低了動態(tài)范圍； 增加了CCD噪聲。,暗電流噪聲與其他熱噪聲一樣，其概率密度分布為Poisson分布。積分時間為tint時，暗電流電子數(shù)暗電流噪聲分別和為：,（310）,（311）,15,暗電流和暗電流噪聲,在不同暗電流密度(nA/cm2)下，暗電流(e-/sec/pixel)與溫度(°C)的關(guān)系曲線。,16,暗電流和暗電流噪聲,為了將暗電流降低一倍，工作溫度25°C時, 需要將溫度降低 8°C ；-50°C時, 需要降低 4.8°C ；而 -100°C 時，只需降低2.9°C。,17,暗電流和暗電流噪聲,TI公司TC271 在27時， Jdc100 pA/cm2 ； 陣列溫度每增加 78，暗電流密 度增加一倍。,18,暗電流和暗電流噪聲,CCD的暗電流在說明書中通常以以下三種方式給出：1）一定時間內(nèi)的暗信號電子數(shù)；2）一定時間內(nèi)暗信號的電壓值；3）暗電流密度。 單位時間暗信號電子數(shù)的公式：,其中，Jdc為暗電流密度，T是絕對溫度，Eg是帶隙。,（38）,（39）,19,暗電流和暗電流噪聲舉例,CCD像元尺寸為12 m x 12m， 300K 時暗電流密度10 pA/cm2 ，求出該CCD在 -10°C (263K), -50°C (223K) 和 -100°C (173K)時的暗電流,由(3-9)計算Eg 263K時， Eg = 1.120278 eV 223K時， Eg = 1.129468 eV 173K時， Eg = 1.139296 eV,再用(38)計算De 263K時，De = 2.911 e/pixel/s 223K時， De = 2.123 x 10-2 e/pixel/s 173K時， D e= 2.149 x 10-6 e/pixel/s,20,噪聲和信噪比 光電響應(yīng)模型,光譜范圍12的CCD輸出電壓VS,其中，VD和Vn分別為暗電流和噪聲，R()為光譜響應(yīng)度，E ()為光譜輻照度；當(dāng)利用平均光譜參數(shù)時，,（312）,（313） （37）,21,噪聲和信噪比,噪聲的類型 隨機噪聲（Random Noise): 時空域上隨機變化，只能用統(tǒng)計特性描述； 圖形噪聲（Pattern Noise): 時域上不變，空域上變化。,22,噪聲和信噪比,23,噪聲和信噪比,24,噪聲和信噪比 隨機噪聲,只考慮CCD芯片內(nèi) 霰粒噪聲 shot 復(fù)位噪聲 reset 暗電流噪聲 dark 放大器噪聲 a,25,噪聲和信噪比 霰粒噪聲（Shot Noise),霰粒噪聲是與入射光子數(shù)隨機變化有關(guān)的噪聲，在給定時間內(nèi)入射光子數(shù)服從帕松（Poisson)分布，霰粒噪聲的均方根值（以電子數(shù)計） S為信號電子數(shù)。 暗電流噪聲（ndark為暗電流電子數(shù)）,314,315,26,噪聲和信噪比 熱噪聲,熱噪聲是白噪聲； 電阻R上熱噪聲的均方根電壓 k: 波爾茨曼常數(shù)，T:絕對溫度，B:帶寬,27,噪聲和信噪比 噪聲等效帶寬（NEB）,28,噪聲和信噪比 復(fù)位噪聲,29,噪聲和信噪比 輸出放大器噪聲,白噪聲（White Noise)： 輸出放大器電阻的熱噪聲,閃爍噪聲（Flicker Noise) (1/f 噪聲）,316,30,噪聲和信噪比 總隨機噪聲,總的隨機噪聲包括霰粒噪聲、暗電流噪聲、復(fù)位噪聲和輸出放大器噪聲。,317,319,318,一般將復(fù)位噪聲和輸出放大器噪聲稱為讀出噪聲read，上式改寫為：,31,噪聲和信噪比 信噪比,通常計算CCD信噪比時，只考慮時域上的隨機噪聲。因為空間分布的圖形噪聲是可以補償?shù)?。為了嚴格起見，我們還是將這樣計算的信噪比標注為SNRr，計算公式為：,有時，對目標成像是在光照背景下完成的，背景信號為SB，計算公式應(yīng)做如下修改：,320,321,32,噪聲和信噪比 圖形噪聲（ Pattern Noise),固定圖形噪聲（FPN) 無照明時，像元與像元之間輸出的變化，主要為各像元之間暗電流的差別。 噪聲性質(zhì)：相加，可以補償。 響應(yīng)非均勻性（PRNU) 有照明時，像元與像元之間輸出的變化，主要為各像元之間響應(yīng)度的差別。將PRNU (U)定義為響應(yīng)度差的均方根值除以平均值 。 噪聲性質(zhì)：相乘，可以補償。,33,噪聲和信噪比 圖形噪聲（Pattern Noise),考慮固定圖形噪聲(FPN)和響應(yīng)非均勻性(PRNU)時的系統(tǒng)噪聲為：,當(dāng)忽略固定圖形噪聲(FPN)而只考慮響應(yīng)非均勻性(PRNU)時的系統(tǒng)噪聲為：,由于,所以：,322,323,324,34,噪聲和信噪比 信噪比極限,CCD可以達到的最大信噪比 光信號越強，信噪比越大，這時可以忽略讀出噪聲和暗電流噪聲。當(dāng)只考慮隨機噪聲時，總噪聲和信噪比為：,當(dāng)考慮響應(yīng)非均勻性(PRNU)時的系統(tǒng)噪聲和信噪比為：,滿阱電荷和響應(yīng)非均勻性是最大信噪比的限制。,325,326,327,35,噪聲和信噪比 探測極限,光信號非常弱時，信噪比很??；忽略暗電流噪聲時，當(dāng)只考慮隨機噪聲時，總噪聲和信噪比為：,SNRr等于一的曝光量稱為等效噪聲曝光量NEE。這時可以忽略響應(yīng)非均勻性的影響。 實際上，這時是不能忽略暗電流噪聲的。,讀出噪聲和暗電流決定CCD的探測限制。,328,329,36,噪聲和信噪比 提高信噪比的方法,為了提高信噪比必須降低噪聲： 復(fù)位噪聲和放大器噪聲 相關(guān)雙采樣技術(shù) 暗電流噪聲 制冷 固定圖形噪聲(FPN) 補償(必須預(yù)先測量) 響應(yīng)非均勻性(PRNU) 補償(必須預(yù)先測量) 光子霰粒噪聲 不能降低和補償，是信噪比的限制 （滿阱電荷影響）,37,噪聲和信噪比 提高信噪比的方法,相關(guān)雙采樣可以抑制復(fù)位噪聲和放大器1/f 噪聲。,？,38,動態(tài)范圍,動態(tài)范圍是一個描述CCD能夠探測最小光能量和最大光能量比例的性能參數(shù)，在許多應(yīng)用中是很重要的。 最小光能量 CCD能探測的最小光能量應(yīng)該是其輸出信噪比大于或等于1的光能量，定義使CCD輸出信噪比等于1的光能量為等效噪聲曝光量NEE 最大光能量 CCD能探測的最大光能量是CCD的飽和曝光量SEE,動態(tài)范圍DR：,330,39,動態(tài)范圍,動態(tài)范圍也可以用滿阱電荷和讀出噪聲電子數(shù)來計算 滿阱電荷nwell可以表示CCD探測最大信號能力，讀出噪聲電子數(shù)read可以表示CCD探測最小信號能力。,動態(tài)范圍DR：,有的廠家將動態(tài)范圍定義為飽和電壓與暗信號之比，不是很合理。,331,40,像元尺寸和像元數(shù),像元尺寸和像元數(shù)是決定系統(tǒng)視場角和分辯率的重要參數(shù)，在某種程度上也是決定系統(tǒng)體積和重量的決定性因素。,像元尺寸a的大小直接影響光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，因為它確定了系統(tǒng)的Nyquist頻率fN ：,324,41,像元尺寸和像元數(shù),Nyquist頻率越高，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、加工和裝調(diào)就越困難。一般高級膠片相機，如Nikon相機在Nyquist頻率小于或等于50lp/mm時具有較好的成像質(zhì)量。,42,CCD主要性能指標 TCD1503D舉例,像元數(shù)：5000，像元尺寸： 7m ×7 m,啞像元(Dummy Pixels)和暗信號參考像元,43,CCD主要性能指標 TCD1503D舉例,44,CCD主要性能指標 TCD1503D舉例,測試條件：Ta = 25°C, VOD = 12 V, V = VSH = VRS = VCP = 5 V (脈沖), f = 1 MHz, tINT = 10 ms, 光源：日光型熒光燈, 負載電阻 = 1.00 k。,注2: 在50%飽和曝光量 (典型值)處測量 PRNU的定義 : 是信號平均值， 是最大偏差（通道1） 在 2500 像元模式(通道2)工作時, 測試條件同上。 注3: VSAT 定義為所有有效像元最小的飽和輸出電壓。 注 4:飽和曝光量 SE的定義 :,45,CCD主要性能指標 TCD1503D舉例,46,CCD主要性能指標 TCD1503D舉例,注5: VDRK 定義為所有有效像元暗信號電壓的平均值。DSNU定義為VDRK 與 VMDK 的差值， VMDK是暗信號電壓最大值。,注 6: 動態(tài)范圍 DR定義 : VDRK 與積分時間 tINT 成比例，短積分時間 有可能增大DR。,注 7: DC 信號輸出電壓和 DC 補償輸出電壓定義為右圖,注8: PRNU (3) 定義為在 5% SE (典型值)條件下，相鄰像元間最大信號電壓差。,47,CCD主要性能指標 TCD1503D舉例,48,CCD主要性能指標 TCD1503D舉例,注 9: 隨機噪聲定義為無照明條件下兩個相鄰有效像元之間信號差值的標準方差() 。計算過程如下：,一次讀出的兩個像元 (n 和 n + 1) 確定作為測量點； 每次輸出時，取 200 ns內(nèi)平均作為 Vn和Vn + 1； 用 Vn 減去 Vn + 1得到V： V Vn Vn + 1； 4）重復(fù)讀出30次并作2)和3)步，計算標準方差(),49,CCD主要性能指標 TCD1503D,5) 重復(fù)2)、 3) 和 4)步 10 次得到 10 個值,6）利用上述方法計算的 值是實際隨機噪聲的 倍 ，最后隨機噪聲為：,50,噪聲和信噪比 噪聲的測量,以2048像元線陣列CCD為例說明 試驗設(shè)備：積分球 被試設(shè)備：線陣CCD相機,51,噪聲和信噪比 線陣列CCD噪聲測量,亮場條件下測量，獲取200行圖像數(shù)據(jù)g(i,j)， i=12048，j=1200，總噪聲 為:,像元 i 200次平均值,像元 i 噪聲,總噪聲,52,噪聲和信噪比 線陣列CCD固定圖形噪聲測量,暗場條件下測量，獲取200行圖像數(shù)據(jù)g(i,j)， i=12048，j=1200，固定圖形噪聲 為,像元i暗電流平均值,暗電流總平均值,53,噪聲和信噪比 線陣列CCD暗電流噪聲測量,暗場條件下測量，獲取200行圖像數(shù)據(jù)g(i,j)， i=12048，j=1200，暗電流噪聲 為,54,噪聲和信噪比 線陣列CCD響應(yīng)非均勻性測量,通過改變?nèi)肷涔鈴姸葟妮敵?0%到80%飽和輸出測量8組圖像數(shù)據(jù)，每組500行。對每組數(shù)據(jù)計算信號輸出平均值：,差的峰峰值或均方差表示響應(yīng)度的非均勻性。,55,噪聲和信噪比 線陣列CCD響應(yīng)非均勻性測量,56,噪聲和信噪比 線陣列CCD響應(yīng)非均勻性測量,57,線陣列CCD響應(yīng)線性度測量,通過改變?nèi)肷涔鈴姸葟妮敵?0%到80%飽和輸出測量8組圖像數(shù)據(jù)，每組200行。同時紀錄光亮度監(jiān)視輸出數(shù)據(jù) ，對每組數(shù)據(jù)計算信號輸出平均值（m=18)： 利用最小二乘法計算，計算線性擬和的殘差。,58,響應(yīng)線性度測量,59,CCD性能指標測試標準,國內(nèi)尚沒有完整的測試標準, 準備推出一份通用規(guī)范。,歐洲歐空局(ESA)于1993年提出一個CCD測試規(guī)范： Electro-Optical Test Methods for Charge Coupled Devices ESA/SCC Basic Specification No. 2500,60,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,整個規(guī)范分為六部分： 1 范圍 2 引用文件（空） 3 術(shù)語、定義、縮略語、符號和單位 4 測試設(shè)備 5 電氣測試方法（包含5項測試） 6 光電測試方法（包含29項測試）,61,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,第三部分中定義了CCD輸出波形 CCD輸出的行頭,輸出,輸出,CCD,CDS,62,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,CCD輸出的行尾,Vs:信號電壓,寄存器暗電流,寄存器暗電流+行轉(zhuǎn)移殘留信號,CCD,輸出,CDS,輸出,63,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,理想CCD輸出,64,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,第五和第六部分的測試方法中，每項測試包括的內(nèi)容： 測試參數(shù)名稱 1 該參數(shù)定義 2 測試原理 3 測試條件,下面介紹光電測試方法中的第4項(隨機噪聲)，17項(響應(yīng)度)和19項(量子效率)。,65,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.4 隨機噪聲(Temporal Noise) 6.4.1 定義 CCD輸出中的隨機噪聲有以下來源： (1) CCD輸出放大器噪聲 (2)復(fù)位噪聲 (3)霰粒噪聲（包括光電信號和暗電流） (4) CCD片外電路噪聲以及時鐘和偏置引線干 擾引入的噪聲,假定噪聲(4) 在總噪聲中占的比例很小，總噪聲是其它3項的均方根值。,66,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.4.2 測試原理 (1) 器件處于正常工作狀態(tài)，詳細記錄CCD負載以及測試放大器增益等數(shù)據(jù)；,67,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.4.2 測試原理 (2) 獲取一個像元的N次連續(xù)測量數(shù)據(jù)Xi，噪聲m為：,其中G為片外增益，N至少應(yīng)該為1000。如有必要，可以對一組具有相同噪聲的像元進行測量平均,測量像元是啞像元，如使用有效像元，應(yīng)考慮暗電流影響。,68,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.4.2 測試原理 (3) 當(dāng)相鄰(一行或一列)像元的噪聲不相關(guān)時，可以采用如下方法測量m：,連續(xù)對同一列或同一行進行兩次測量，獲數(shù)據(jù)L1和L1。 L1 ：x1、x2 xN; L1 ： x1、x2 xN 去除響應(yīng)非均勻性影響后，可以用下式計算m。,69,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.4.2 測試原理 在(2)和(3)測量中，總噪聲中包括了測量儀器噪聲。使用如下圖的CCD仿真電路代替CCD標定儀器的噪聲0 。,去除儀器噪聲，可以得到CCD的噪聲：,70,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.4.3 測試條件 器件處于黑暗的條件； 溫度：25±3°C (在詳細規(guī)范中指定的外)； 像元讀出頻率應(yīng)在詳細規(guī)范中給出。,71,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.17 響應(yīng)度 R (Responsivity) 6.17.1 定義 響應(yīng)度 R是在給定波帶寬度照明下，有用信號電壓(不包括暗信號)與曝光量(J/m2) 之比。 響應(yīng)度 R是光電靈敏度和電荷電壓轉(zhuǎn)換因子兩個參數(shù)的函數(shù)。,72,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.17.2 測試原理 在給定波帶寬度條件下，對給定的入射光強度，輸出信號是Va (mV) 測量入射光強度：E (mW/m2), 積分時間：Ti (ms) 響應(yīng)度R用下式計算：,73,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.17.3 測試條件 器件均勻照明； 溫度：25±3°C (在詳細規(guī)范中指定的外)； 需要平均的像元數(shù)應(yīng)在詳細規(guī)范中給出； 測試每組像元的位置應(yīng)在詳細規(guī)范中給出； 波長范圍和光譜分辯率應(yīng)在詳細規(guī)范中給出。,74,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.19 量子效率QE(Quantum Efficiency) 6.19.1 定義 給定波長的QE是半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電子數(shù)(對應(yīng)有用信號，不包括暗信號)與入射光子數(shù)之比。,75,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.19.2 測試原理 QE是由給定波長的響應(yīng)度R導(dǎo)出的，導(dǎo)出公式為：,76,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.19.2 測試原理 QE是由給定波長的響應(yīng)度R導(dǎo)出的，導(dǎo)出公式為：,77,CCD性能指標測試標準 ESA/SCC No. 2500簡介,6.19.3 測試條件 器件均勻照明； 溫度：25±3°C (在詳細規(guī)范中指定的外)； 需要平均的像元數(shù)應(yīng)在詳細規(guī)范中給出； 測試每組像元的位置應(yīng)在詳細規(guī)范中給出； 波長范圍和光譜分辯率應(yīng)在詳細規(guī)范中給出。,78,CCD的主要性能指標是選擇CCD的重要依據(jù)。 CCD的主要性能指標是進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。 CCD性能指標的測試在國內(nèi)還沒有獲得足夠的重視，需要改進。,小結(jié),