CN109459135A - 一种ccd成像光谱仪图像校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCD成像光谱仪图像校正方法，通过建立CCD成像光谱仪前向数据模型将CCD成像过程中的偏差和噪声公式化，作为后期光谱图像数据校正流程的反向步骤。在光谱成像建模的过程中，需要使用实验室定标的相应参数。首先，加入暗电流温度校正因子对光谱图像暗电流进行修正，根据成像模型对空间维暗电流不一致进行校正。其次，根据帧转移时间和曝光时间将信号以电荷数为标准计算smear信号的大小。最后通过均匀光辐射对CCD像元响应非均匀性进行校正。使用本发明所述方法可以有效去除CCD成像过程中的偏差及噪声，提高后期数据反演的准确度。

Description

一种CCD成像光谱仪图像校正方法

技术领域

本发明涉及环大气环境探测领域，具体为一种CCD成像光谱仪图像校正方法。

背景技术

大气痕量气体能够直接或间接参与地球大气物理、化学循环，所产生的二次污染物可能对大气及生态环境造成恶劣影响，例如形成光化学烟雾、破坏臭氧层和发生酸雨等重大环境污染问题。光学遥感技术作为一种先进的环境污染信息探测手段，以其动态观测、大面积同步观测等独特优势得到日益广泛的应用。差分吸收光谱技术(DOAS，differentialoptical absorption spectroscopy)是基于光吸收的比尔-朗伯定律，利用大气痕量气体成分在紫外到可见光波段的“指纹”吸收特性来进行定性判别和定量反演的。这种方法的主要优势在于：可以利用自然光源(被动DOAS，如太阳散射光)进行非接触式测量，从而有效地避免了误差源的影响；可以同时监测多种大气痕量气体的浓度分布及其变化过程，如(NOx，SO₂，O₃，BrO，HNO₂等)；具有较高的探测灵敏度，一般可达ppt量级，能够有效消除集中污染源对测量结果的干扰。

面阵CCD光谱仪可以通过扫描记录某一区域内的光谱信息，既包括光谱维和空间维信息。在对目标区域进行成像的过程中，CCD光谱维记录目标区域内辐射的光谱分布，CCD空间维记录空间维信息，从而形成目标区域光谱、空间和辐射信息的数据立方。CCD探测器是一种半导体成像器件，其在成像过程中会产生额外的污染信号，直接影响数据反演准确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种CCD成像光谱仪光谱图像校正的方法，以解决现有技术光谱数据中掺杂的污染信号影响后期数据反演准确度、光谱图像成像时刻暗电流不一致、像元响应不一致的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种CCD成像光谱仪图像校正方法，所述图像校正方法是指针对CCD在成像过程中产生的除有用光信号之外的多余信号，包括3个方面：暗电流校正、smear效应校正和PRNU校正，具体的步骤如下：

第一步，CCD暗电流校正，具体实施如下：

步骤(1)、假设在单幅光谱成像过程中暗电流产生率f_dc(t)不变，CCD成像区曝光时间t_e内产生暗电流可表示为t_e·f_dc(t)，在帧转移过程中，CCD每一行在成像区停留的时间不等，导致暗电流产生差异，与smear效应类似，第一行像元经过一次行转移到达存储区，而第r行则须经过r次行转移到达存储区，则每行产生的暗电流可表示为t_ft·r·f_dc(t)/N，其中t_ft为帧转移时间，N为CCD成像区总行数，EMI紫外通道CCD47-20总行数为1024，可见通道CCD55-30总行数为576，转移到存储区的信号电荷包通过读出寄存器读出，第一行靠近读出节点的像元首先读出，其他像元一次按照设定速率顺序读出，读出速率限制电荷包在存储区驻留时间，如最大读出率5MHz，即读出一个像元用时200ns秒，则第一个像元比整个像面最后一个像元早读出1024×1024×200ns≈0.2s，以此可计算出每个像元在存储区驻留时间t_s，产生暗电为f_dc(t)·t_s，综上所述，CCD成像区和存储区总暗电流可表示为：

其中，g为温度影响因子，含义为探测器实际温度暗电流T与参考温度T_ref下暗电流的比值，根据E2V公司官方数据手册暗电流公式并进行相应转换，可得到：

令参考温度T_ref＝293K，可得到不同温度下校正系数，将原始数据去除暗电流信号DN_dc(T)可实现暗电流校正；

步骤(2)、假设在温度T下CCD探测器的暗电流大小为f(T)，其单位为e^-/s，行转移时间为τ实际读出的暗背景DN响应信号为S，则在积分时间I内第n行像元产生的暗背景信号可表示为：

将上式(3)改写成矩阵形式，可表示为：

上式(4)中，第一项为CCD成像区有效积分时间内产生的暗电流信号，第二项为帧转移过程中产生的暗电流信号，需要说明的是，暗背景测量过程中EMI载荷入射狭缝处于遮挡状态，不会产生光响应信号，测量得到的图像为暗背景DN响应值，根据CCD探测器暗电流的温度特性，在相同温度的暗电流水平基本保持一致，可表示为：

f₁(T)＝f₂(T)＝…＝f_n(T)＝f(T) (5)

将上式(4)可改写为：

CCD探测器的暗电流大小实际值f(T)可通过上式计算得出，再乘以积分时间即可实现空间维方向暗电流校正；

第二步，根据CCD探测器成像过程中smear效应的产生机理进行校正，具体实施如下：

由于smear效应对于空间维方向的像元列是相互独立的，而每行(光谱维)像元smear信号累积时间是相同的，所以只需对按像元列进行分析，CCD探测器的成像过程是光电效应产生光生电荷的累积，经采样、放大、模数转换形成视频信号的过程，假设CCD感光面第m行接受曝光，该行中每个像元的电荷产生率都可认为是f(t)，单位为e^-/s，则在曝光时间内该行的平均电荷产生率f_m可表示为：

其中，t_start和t_end代表曝光起始和结束时刻，T为有效曝光时间，T＝t_end-t_start，smear信号只与曝光起始的电荷率f_m，start和结束时刻的电荷率f_m，end有关；

曝光结束之后所产生信号将迅速向CCD存储区转移(帧转移)，第一行像元经过n次行转移到达存储区，第二行像元经过n-1次转移到达，最后一行直接进入存储区，受持续光照的影响，第一行像元进行一次行转移都会叠加前一行像元在行转移时间内产生的smear信号，同理，在前一次帧转移之后产生的smear信号同样叠加到之后的曝光信号之中，由于没个像元的信号是以电荷包形式传输，认为在前τ/2(τ为行转移时间)时间内电荷包没有进入下一行，在后τ/2内才进入下一行，则总信号电荷数可表示为：

从上式可以看出，CCD在曝光后实际产生的电荷数由三部分组成，第一部分为曝光时间内产生的有效累积信号电荷，第二部分为上一次帧转移产生的smear信号电荷，第三部分为当前帧转移产生的smear信号电荷，smear效应产生的电荷量受曝光开始和结束时刻当前像元行的电荷产生率影响，为了简化smear效应的影响，假设感光条件在相邻成像帧不变，即曝光起始和结束时刻信号电荷产生率相等，f_start＝f_end＝f_m，则上式可简化为：

其中，的含义为CCD探测器像元电荷行转移时间与有效曝光时间之比，而有效曝光时间T＝T_frame-(n-1)τ，则可得到：

一般将η_smear称为smear系数，代表smear效应的影响程度，η_smear越大说明smear效应越严重，对于成像光谱仪来说，为了获取更高的信号值常常采用像元binning的方法，该方法是将空间维的若干行数据进行累加读出，最终光谱维方向具有很高的光谱分辨率，而CCD探测器的帧转移方向和空间维方向一致，所以smear效应主要是对不同观测角度的光谱信号测量准确度产生影响，

对于公式(9)，如果令则实际曝光时间外产生的smear信号可通过以下计算得到：

第三步，对光谱图像的PRNU进行校正，具体实施如下：

利用两种不同等级的均匀辐射源L1和L2(L2>L1)进行像元响应非均匀性校正，即两点线性校正法，在两种辐射源下的实际响应分别为DN1和DN2，假设校正后响应值为相应空间维(像元列)的平均值和则：

其中，a(i,j)和b(i,j)为CCD第i行第j列的非均匀性校正系数，利用公式(12)可得到如下关系式：

由上式可以得到非均匀性校正系数矩阵a(i,j)和b(i,j)后，再通过公式(12)实现光谱图像的非均匀性校正，非均匀性校正系数矩阵可用于多幅光谱图像PRNU校正。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明能够同时消除不同光谱成像时刻的暗电流误差、空间维光谱响应不一致、smear误差及图像的像元响应非均匀性。

(2)本发明能够对成像光谱仪2维光谱图像数据中暗电流、smear和PRNU校正系数进行精确计算，可应用于大量科学探测数据校正，提高光谱测量精度。

附图说明

图1为本发明实现流程图；

图2为不同温度下暗电流影响因子；

图3为不同温度下暗电流影校正实例图，其中，图3(a)为-20℃下测量数据，图3(b)为-10℃下暗电流响应；

图4为空间维方向暗电流校正实例图；

图5为PRNU校正实例图，其中，图5(a)为原始卤钨灯光谱测量图像，图5(b)为PRNU校正后的卤钨灯光谱图像。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种CCD成像光谱仪图像校正方法，具体步骤如下：

第一步，CCD暗电流校正，包括两个方面：成像时刻温度不一致和空间维暗电流不一致，具体实施如下：

步骤(1)、实际在轨观测或定标过程中可能会产生不同程度的温度差异，且可见通道不带温控，进行暗电流校正是必要的。在暗电流校正算法中引入温度影响因子，利用温度影响因子对像面暗电流进行校正。假设在单幅光谱成像过程中暗电流产生率f_dc(t)不变，CCD成像区曝光时间t_e内产生暗电流可表示为t_e·f_dc(t)。在帧转移过程中，CCD每一行在成像区停留的时间不等，导致暗电流产生差异，与smear效应类似，第一行像元经过一次行转移到达存储区，而第r行则须经过r次行转移到达存储区。则每行产生的暗电流可表示为t_ft·r·f_dc(t)/N，其中t_ft为帧转移时间，N为CCD成像区总行数，EMI紫外通道CCD47-20总行数为1024，可见通道CCD55-30总行数为576。转移到存储区的信号电荷包通过读出寄存器读出，第一行靠近读出节点的像元首先读出，其他像元一次按照设定速率顺序读出。读出速率限制电荷包在存储区驻留时间，如最大读出率5MHz，即读出一个像元用时200ns秒，则第一个像元比整个像面最后一个像元早读出1024×1024×200ns≈0.2s。以此可计算出每个像元在存储区驻留时间t_s，产生暗电为f_dc(t)·t_s。综上所述，CCD成像区和存储区总暗电流可表示为：

其中，g为温度影响因子，含义为探测器实际温度暗电流T与参考温度T_ref下暗电流的比值。根据E2V公司官方数据手册暗电流公式并进行相应转换，可得到：

令参考温度T_ref＝293K，可得到不同温度下校正系数，将原始数据去除暗电流信号DN_dc(T)可实现暗电流校正。为验证暗电流校正准确性，通过温控单元设置不同温度值，采集暗电流数据，利用上述方法进行温度转换。然后与实际测得暗电流数据进行对比，结果如付图3所示。

步骤(2)、在像元中的暗电流随着时间的增加而累积，长时间的暗电流累积会增强噪声信号，影响成像质量。假设在温度T下CCD探测器的暗电流大小为f(T)，其单位为e^-/s，行转移时间为τ实际读出的暗背景DN响应信号为S，则在积分时间I内第n行像元产生的暗背景信号可表示为：

将上式(3)改写成矩阵形式，可表示为：

上式(4)中，第一项为CCD成像区有效积分时间内产生的暗电流信号，第二项为帧转移过程中产生的暗电流信号。需要说明的是，暗背景测量过程中EMI载荷入射狭缝处于遮挡状态，不会产生光响应信号，测量得到的图像为暗背景DN响应值。根据CCD探测器暗电流的温度特性，在相同温度的暗电流水平基本保持一致，可表示为：

f₁(T)＝f₂(T)＝…＝f_n(T)＝f(T) (5)

将上式(4)可改写为：

CCD探测器的暗电流大小实际值f(T)可通过上式计算得出，再乘以积分时间即可实现空间维方向暗电流校正。

第二步，根据CCD探测器成像过程中smear效应的产生机理进行校正，具体实施如下：

CCD成像光谱仪没有快门结构，在两帧图像连续进行的过程中，向存储区转移的图像信号电荷在完全转移出成像区之前仍然接受曝光。由于smear效应对于空间维方向的像元列是相互独立的，而每行(光谱维)像元smear信号累积时间是相同的，所以只需对按像元列进行分析。CCD探测器的成像过程是光电效应产生光生电荷的累积，经采样、放大、模数转换形成视频信号的过程。假设CCD感光面第m行接受曝光，该行中每个像元的电荷产生率都可认为是f(t)，单位为e^-/s，则在曝光时间内该行的平均电荷产生率f_m可表示为：

其中，t_start和t_end代表曝光起始和结束时刻，T为有效曝光时间，T＝t_end-t_start。smear信号只与曝光起始的电荷率f_m，start和结束时刻的电荷率f_m，end有关。

曝光结束之后所产生信号将迅速向CCD存储区转移(帧转移)，第一行像元经过n次行转移到达存储区，第二行像元经过n-1次转移到达，最后一行直接进入存储区。受持续光照的影响，第一行像元进行一次行转移都会叠加前一行像元在行转移时间内产生的smear信号。同理，在前一次帧转移之后产生的smear信号同样叠加到之后的曝光信号之中，由于没个像元的信号是以电荷包形式传输，认为在前τ/2(τ为行转移时间)时间内电荷包没有进入下一行，在后τ/2内才进入下一行，则总信号电荷数可表示为：

从上式可以看出，CCD在曝光后实际产生的电荷数由三部分组成，第一部分为曝光时间内产生的有效累积信号电荷，第二部分为上一次帧转移产生的smear信号电荷，第三部分为当前帧转移产生的smear信号电荷。smear效应产生的电荷量受曝光开始和结束时刻当前像元行的电荷产生率影响。为了简化smear效应的影响，假设感光条件在相邻成像帧不变，即曝光起始和结束时刻信号电荷产生率相等，f_start＝f_end＝f_m，则上式可简化为：

其中，的含义为CCD探测器像元电荷行转移时间与有效曝光时间之比，而有效曝光时间T＝T_frame-(n-1)τ，则可得到：

一般将η_smear称为smear系数，代表smear效应的影响程度，η_smear越大说明smear效应越严重。对于成像光谱仪来说，为了获取更高的信号值常常采用像元binning的方法，该方法是将空间维的若干行数据进行累加读出，最终光谱维方向具有很高的光谱分辨率。而CCD探测器的帧转移方向和空间维方向一致，所以smear效应主要是对不同观测角度的光谱信号测量准确度产生影响。

对于公式(9)，如果令则实际曝光时间外产生的smear信号可通过以下计算得到：

在行转移时间和有效曝光时间确定的情况下，对于目标区域辐射量基本保持不变的光谱成像，可将原始数据经过矩阵运算得到smear信号。

令smear效应校正矩阵：

则对于目标区域辐射量基本保持不变的光谱成像，可通过下式进行校正，得到校正后的光谱信号：

DN'_i,i＝DN_i,j/R (13)

第三步，对光谱图像的PRNU进行校正，具体实施如下：

利用两种不同等级的均匀辐射源L1和L2(L2>L1)进行像元响应非均匀性校正，即两点线性校正法。在两种辐射源下的实际响应分别为DN1和DN2，假设校正后响应值为相应空间维(像元列)的平均值和则：

其中，a(i,j)和b(i,j)为CCD第i行第j列的非均匀性校正系数。利用公式(14)可得到如下关系式：

由上式可以得到非均匀性校正系数矩阵a(i,j)和b(i,j)后，再通过公式(14)实现光谱图像的非均匀性校正，非均匀性校正系数矩阵可用于多幅光谱图像PRNU校正。

Claims (1)

1.一种CCD成像光谱仪图像校正方法，其特征在于：所述图像校正方法是指针对CCD在成像过程中产生的除有用光信号之外的多余信号，包括3个方面：暗电流校正、smear效应校正和PRNU校正，具体的步骤如下：

第一步，CCD暗电流校正，具体实施如下：

步骤(1)、假设在单幅光谱成像过程中暗电流产生率f_dc(t)不变，CCD成像区曝光时间t_e内产生暗电流可表示为t_e·f_dc(t)，在帧转移过程中，CCD每一行在成像区停留的时间不等，导致暗电流产生差异，与smear效应类似，第一行像元经过一次行转移到达存储区，而第r行则须经过r次行转移到达存储区，则每行产生的暗电流可表示为t_ft·r·f_dc(t)/N，其中t_ft为帧转移时间，N为CCD成像区总行数，EMI紫外通道CCD47-20总行数为1024，可见通道CCD55-30总行数为576，转移到存储区的信号电荷包通过读出寄存器读出，第一行靠近读出节点的像元首先读出，其他像元一次按照设定速率顺序读出，读出速率限制电荷包在存储区驻留时间，如最大读出率5MHz，即读出一个像元用时200ns秒，则第一个像元比整个像面最后一个像元早读出1024×1024×200ns≈0.2s，以此可计算出每个像元在存储区驻留时间t_s，产生暗电为f_dc(t)·t_s，综上所述，CCD成像区和存储区总暗电流可表示为：

其中，g为温度影响因子，含义为探测器实际温度暗电流T与参考温度T_ref下暗电流的比值，根据E2V公司官方数据手册暗电流公式并进行相应转换，可得到：

令参考温度T_ref＝293K，可得到不同温度下校正系数，将原始数据去除暗电流信号DN_dc(T)可实现暗电流校正；

步骤(2)、假设在温度T下CCD探测器的暗电流大小为f(T)，其单位为e^-/s，行转移时间为τ实际读出的暗背景DN响应信号为S，则在积分时间I内第n行像元产生的暗背景信号可表示为：

将上式(3)改写成矩阵形式，可表示为：

上式(4)中，第一项为CCD成像区有效积分时间内产生的暗电流信号，第二项为帧转移过程中产生的暗电流信号，需要说明的是，暗背景测量过程中EMI载荷入射狭缝处于遮挡状态，不会产生光响应信号，测量得到的图像为暗背景DN响应值，根据CCD探测器暗电流的温度特性，在相同温度的暗电流水平基本保持一致，可表示为：

f₁(T)＝f₂(T)＝…＝f_n(T)＝f(T) (5)

将上式(4)可改写为：

CCD探测器的暗电流大小实际值f(T)可通过上式计算得出，再乘以积分时间即可实现空间维方向暗电流校正；

第二步，根据CCD探测器成像过程中smear效应的产生机理进行校正，具体实施如下：

由于smear效应对于空间维方向的像元列是相互独立的，而每行(光谱维)像元smear信号累积时间是相同的，所以只需对按像元列进行分析，CCD探测器的成像过程是光电效应产生光生电荷的累积，经采样、放大、模数转换形成视频信号的过程，假设CCD感光面第m行接受曝光，该行中每个像元的电荷产生率都可认为是f(t)，单位为e^-/s，则在曝光时间内该行的平均电荷产生率f_m可表示为：

其中，t_start和t_end代表曝光起始和结束时刻，T为有效曝光时间，T＝t_end-t_start，smear信号只与曝光起始的电荷率f_m，start和结束时刻的电荷率f_m，end有关；

曝光结束之后所产生信号将迅速向CCD存储区转移(帧转移)，第一行像元经过n次行转移到达存储区，第二行像元经过n-1次转移到达，最后一行直接进入存储区，受持续光照的影响，第一行像元进行一次行转移都会叠加前一行像元在行转移时间内产生的smear信号，同理，在前一次帧转移之后产生的smear信号同样叠加到之后的曝光信号之中，由于没个像元的信号是以电荷包形式传输，认为在前τ/2(τ为行转移时间)时间内电荷包没有进入下一行，在后τ/2内才进入下一行，则总信号电荷数可表示为：

从上式可以看出，CCD在曝光后实际产生的电荷数由三部分组成，第一部分为曝光时间内产生的有效累积信号电荷，第二部分为上一次帧转移产生的smear信号电荷，第三部分为当前帧转移产生的smear信号电荷，smear效应产生的电荷量受曝光开始和结束时刻当前像元行的电荷产生率影响，为了简化smear效应的影响，假设感光条件在相邻成像帧不变，即曝光起始和结束时刻信号电荷产生率相等，f_start＝f_end＝f_m，则上式可简化为：

其中，的含义为CCD探测器像元电荷行转移时间与有效曝光时间之比，而有效曝光时间T＝T_frame-(n-1)τ，则可得到：

一般将η_smear称为smear系数，代表smear效应的影响程度，η_smear越大说明smear效应越严重，对于成像光谱仪来说，为了获取更高的信号值常常采用像元binning的方法，该方法是将空间维的若干行数据进行累加读出，最终光谱维方向具有很高的光谱分辨率，而CCD探测器的帧转移方向和空间维方向一致，所以smear效应主要是对不同观测角度的光谱信号测量准确度产生影响，

对于公式(9)，如果令则实际曝光时间外产生的smear信号可通过以下计算得到：

第三步，对光谱图像的PRNU进行校正，具体实施如下：

利用两种不同等级的均匀辐射源L1和L2(L2>L1)进行像元响应非均匀性校正，即两点线性校正法，在两种辐射源下的实际响应分别为DN1和DN2，假设校正后响应值为相应空间维(像元列)的平均值和则：

其中，a(i,j)和b(i,j)为CCD第i行第j列的非均匀性校正系数，利用公式(12)可得到如下关系式：

由上式可以得到非均匀性校正系数矩阵a(i,j)和b(i,j)后，再通过公式(12)实现光谱图像的非均匀性校正，非均匀性校正系数矩阵可用于多幅光谱图像PRNU校正。