幀累積型CCD攝像機(jī)
ccd camera of faint light accumulation
錢安平 王一年 王曉剛 沈 益
(南京841研究所，南京 210008)
【提要】 積累型微光ccd攝像機(jī)是利用ccd變積累控制技術(shù)［2］而研制成功的一種高靈敏度攝像機(jī).該成果所采用的技術(shù)路線是提出對微光圖像信號進(jìn)行積分，抑制隨機(jī)噪聲，利用ccd圖像傳感器具有的電荷積累特性，改變其讀取轉(zhuǎn)移時間，延長信號在ccd靶面上累積電荷的時間，從而提高靜目標(biāo)或亞靜目標(biāo)的靈敏度.同時，研制了一系列抑制裝置，從而有效地提高了信噪比.
關(guān)鍵詞:圖像增強，圖像累積，噪聲抑制
abstract: ccd camera of faint light accumulation is a high sensitivity camera,which makes use of transformed accumulating control technology of ccd.the technology route of this achievement is making integral of faint light image signal,restraining random noise,utilizing the specific property of charge accumulation of ccd image sensor,changing its read-out and shift time and extending charge accumulating time of signal on the target surface,thus increasing the sensitivity of static and substatic-objects.at the same time,a series of electric circuit and peripheral controlling devices are developed for restraining random noise,thus effectively increasing signal-to-noise ratio of system.
key words: image intensify,image accumulate,noise restrain
一、引 言
縱觀國內(nèi)外各種型號的高靈敏度攝像機(jī)，不管是“管子”型的還是“ccd”型，提高靈敏度的方法都是在攝像頭前接入像增強器.采用這種方法固然有效，但由于其價格昂貴且壽命又短，使之推廣應(yīng)用受到局限性.為此，研制了一種累積型的高靈敏度ccd攝像機(jī)，用于對一些靜態(tài)或亞靜態(tài)的目標(biāo)在微弱光照下的圖像攝取.
二、基本原理及技術(shù)路線的考慮
1.基本原理
此設(shè)備的基本原理是利用ccd圖像傳感器具有的電荷積累特性，改變其讀取、轉(zhuǎn)移時間，延長信號在ccd靶面上累積電荷的時間，從而提高靜目標(biāo)的拍攝靈敏度.對于靜止目標(biāo)，由于各幀圖像在同一空間位置的信號是相同的.而隨機(jī)噪聲互不相關(guān)，且服從泊松分布.
m幀積累后信號功率為：
m幀積累后噪聲功率為：信號功率信噪比為：s/n=m2v2s/mv2n=m*(v2s/v2n);v2s/v2n為積累前信噪比，所以經(jīng)m幀積累后，信號的功率信噪比可提高m倍［1］.
2.技術(shù)路線的考慮
(1)ccd傳感器噪聲對信號質(zhì)量的影響
(a)ccd傳感器電荷轉(zhuǎn)移過程中引入的噪聲對信號質(zhì)量的影響.由于此噪聲較大，對信號特別是對弱信號影響很大.為了減少此噪聲對積累信號的影響，我們采用了與一般積累方式不同的一系列抑制隨機(jī)噪聲的電路系統(tǒng)及外圍控制裝置，從而有效地提高了信噪比.
(b)ccd傳感器本底噪聲的影響.此噪聲的大小直接決定了ccd的靈敏度，積累法能提高靜態(tài)目標(biāo)的拍攝靈敏度，也可理解為對此噪聲的抑制.由于此噪聲在空間和時間上的隨機(jī)性，使得其積累后的平均電平的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于靜態(tài)目標(biāo)光象電荷的增長速度，從而使靜態(tài)目標(biāo)的光像脫穎而出.
(c)ccd靶面不均勻性引入的噪聲對積累信號的影響.在ccd面陣傳感器的制造過程中，由于工藝方面的問題，在各“電荷阱”的面積、摻雜深度等方面均會引起不均勻性和缺損，從而產(chǎn)生“疵點”，在這些點上噪聲擾動較大.因此經(jīng)過積累，此點電荷會達(dá)到飽和，而在畫面上形成亮點、亮線.隨著積累時間的延長，亮點、亮線會增加.這些點、線的位置是固定的，不同芯片，點、線的位置、數(shù)量也不同.
(2)積累型ccd的限制因素
(a)目標(biāo)運動速度對積累時間的限制.由于在積累時間內(nèi)目標(biāo)的移動會引起圖像的模糊，因此目標(biāo)的遠(yuǎn)近、移動速度、暫停時間直接影響畫面質(zhì)量.表現(xiàn)在圖像細(xì)節(jié)的損失上，因此設(shè)備只能對靜止目標(biāo)，或有暫停的目標(biāo)及運動不大的圖像有效.具體操作上應(yīng)選擇相應(yīng)的積累時間以獲得較滿意的效果.
(b)ccd動態(tài)范圍對積累時間的限制.當(dāng)積累時間增加時，ccd電荷將達(dá)到飽和而溢出，此時再積累將無效，因此ccd的動態(tài)范圍越大，可積累的時間越長.提高ccd的動態(tài)范圍是提高ccd可積累時間的一個方法.
(c)背景亮度對積累時間的影響.當(dāng)背景與目標(biāo)的亮度差較小時，背景亮度越高，可積累時間越短，否則ccd會飽和而區(qū)別不出目標(biāo)，因此降低背景亮度是工作中應(yīng)用本設(shè)備非常重要的一環(huán).背景亮度包括環(huán)境亮度和背景本身的發(fā)光亮度，原則上背景光在ccd原靈敏度范圍內(nèi)，可不采用積累方式.
三、電路設(shè)計
考慮以上諸因素和影響后，我們提出如下電路設(shè)計：視頻輸入電路、視頻放大電路、箝位電路、同步分離電路、幀存電路、積累時間控制電路、轉(zhuǎn)移時序控制電路、同步及同步恢復(fù)電路、定格控制電路等.整個系統(tǒng)的各部分電路設(shè)計均以可靠、穩(wěn)定為目標(biāo).
四、主要技術(shù)參數(shù)
通過以上技術(shù)路線的考慮及電路的實施，并經(jīng)過幾年的不斷改進(jìn)、完善，96年我們研制成了實用型的累積型微光ccd攝像機(jī).經(jīng)計量部門測試，主要技術(shù)性能達(dá)到如下指標(biāo)：
中心分辨率：≥560tv線；累積時間：0.08s～b門，分12檔控制；累積靈敏度：8×10-6lux；光譜響應(yīng)：300～1000nm；功耗：dc 12v，2.4w；ac 220v，5.0w
五、靈敏度及光譜響應(yīng)檢測
1.靈敏度檢測
圖1 靈敏度測試簡圖 (a)測試簡圖
(b)vgy90-1/1型分辨率靶標(biāo)
靈敏度測試方法：微光照明由可調(diào)諧光源及靶標(biāo)組成，靶標(biāo)照度從10-1～10-6lux可調(diào)；靶標(biāo)是透射式美空軍標(biāo)準(zhǔn)分辨率靶標(biāo)，對比度c=0.35(見圖1(b))；攝像鏡頭se1212 f=12mm f=1:1.2.測試前首先把環(huán)境照度降至所測目標(biāo)照度以下，然后用攝像機(jī)對準(zhǔn)靶標(biāo)進(jìn)行不同照度下的測試.測試結(jié)果：在分劃圖案、線條都清晰的情況下，當(dāng)靶標(biāo)照度為5×10-4lux,累積時間為1s；當(dāng)靶標(biāo)照度為5×10-5lux，累積時間為8s；當(dāng)靶標(biāo)照度為8×10-6lux，累積時間為80s以上；最小分辨線條寬度為0.14mm.
2.光譜響應(yīng)檢測
本設(shè)備選用的攝像頭是敏通公司生產(chǎn)的mtv-1881ex 1/2″ ccd［3］，供方提供的光譜響應(yīng)曲線范圍是400～1100nm(見圖2)［2］，對應(yīng)紫外區(qū)的響應(yīng)情況，我們專門做了200～400nm光譜響應(yīng)的相對測量.測試設(shè)備是pe公司的lambda-15紫外、可見分光光度計.測試方法：第一步測出儀器本身單色器(線寬4nm)輸出的各波長的能量曲線，即定標(biāo)；第二步在條件不變的情況下，把ccd攝像頭(不含鏡頭)放入樣品室接收單色光信號，再把ccd的輸出連接二次儀表示波器，通過示波器的輸出記下ccd對應(yīng)各波長的輸出電壓，然后把這些輸出電壓與能譜圖上各波長本身的定標(biāo)電壓進(jìn)行修正，最后根據(jù)修正值作出相對應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線，
六、本設(shè)備的優(yōu)越性
1.分辨率高：被動式夜視儀由于像增強器分辨率限制在28～33線對/mm，所以整體信噪比很難超過40db，而ccd攝像頭的分辨率達(dá)到600tv線，從而使整機(jī)中心分辨率大于560tv線.
2.光譜響應(yīng)寬：本設(shè)備的光譜響應(yīng)區(qū)域在300～1100nm之間；像增強型設(shè)備的光譜響應(yīng)范圍在400～900nm之間.
3.壽命長：ccd的壽命長達(dá)上萬至幾萬小時，而像增強攝像機(jī)的壽命通常只有2000～3000小時.
4.抗強光能力強：ccd攝像頭的靶面能經(jīng)受幾百至上萬勒克斯的照射，適應(yīng)工作能力非常強；而像增強器的靶面通常只能經(jīng)受10lux以下的光照，雖然這類儀器設(shè)有防強光保護(hù)電路，但在使用過程中仍有嚴(yán)格的要求，它的正常工作范圍在10-1～10-3lux之間.
5.價格低：本設(shè)備的整機(jī)價格通常只有國外像增強型攝像機(jī)的八分之一左右.
綜上所述，由于本產(chǎn)品具有諸多的優(yōu)越性，所以不失為微、弱光狀況下靜態(tài)目標(biāo)攝取的良好設(shè)備.特別適用于公安、保衛(wèi)、軍事夜晚定點監(jiān)控、靶標(biāo)觀測、材料分析等特殊領(lǐng)域.
參 考 文 獻(xiàn)
1 陳錢等.ccd變積累控制技術(shù).敏通科技.1996，8
2 林家明.敏通系列黑白ccd攝像機(jī)的近紅外特性及應(yīng)用.敏通科技.1996.8
3 陳永飛等.敏通黑白攝像機(jī)mtv-1881ex.敏通科技.1996，9
錢安平 1955年出生，南京841研究所高級工程師，研究室主任.1980年畢業(yè)于四川大學(xué)物理系，1993年獲南京航空航天大學(xué)測試工程系碩士學(xué)位.多年從事光電子技術(shù)領(lǐng)域研究，發(fā)表論文10多篇.
王一年 1957年出生，南京841研究所高級工程師，研究室副主任.1982年畢業(yè)于南京郵電學(xué)院廣播電視專業(yè)，多年從事視頻技術(shù)及ccd的研究.
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