基于电子倍增的超光谱成像系统的制作方法

本发明涉及航天应用的光谱成像技术领域，具体涉及一种基于电子倍增的超光谱成像系统。

背景技术：

由于成像光谱仪将景物像元的信息分成几十乃至上百个光谱通道，从而使得焦平面阵列探测器每个像元所接受到的能量大为降低，直接导致信噪比严重下降，在高空间分辨率(优于30m)的条件下成像光谱仪信噪比往往无法满足实际应用需求。成像光谱仪对地面目标推扫成像时，由于飞行器飞行速度很高，探测器上每个像元接收地面目标辐射的时间(积分时间)很短，当地面目标较暗时，探测器的信噪比将很低。例如，在轨道高度h＝400km时，飞行速度v＝6.878km/s，地面像元分辨力δ＝10m时，探测器每个像元积分时间只有1.45ms，探测器帧频将高达687.8fps。根据信噪比方程，要获得更高的信噪比，在系统的光学参数和探测器都确定的情况下，只有通过增加积分时间来实现。在成像光谱仪望远镜前端设置扫描镜进行运动补偿是增加积分时间的有效方法之一，美国的高分辨率成像光谱仪(hiris),沿海海洋成像光谱仪(cois)等成像光谱仪均采用了该方法增加积分时间以提高信噪比。

超光谱成像在高空间分辨率下帧速率高、信噪比低，现今多采用摆镜降低应用要求，增加了体积和重量，获取图像不连续，且运动部件降低了航天可靠性。光谱成像系统的应用效果非常依赖获取的图像信噪比。但在低照度条件下，特别是高空间分辨率下超光谱成像领域，受入射光能量、积分时间、光谱分辨率以及分光元件透过率的影响，仪器的信噪比受到较大的制约。由于光谱成像包含了空间和光谱两维信息，不能使用tdi模式解决光能量弱问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有光谱成像系统采用摆镜增加了系统的体积和重量，且获取图像不连续以及受入射光能量、积分时间、光谱分辨率以及分光元件透过率的影响，信噪比受到较大制约的问题，提供一种基于电子倍增的超光谱成像系统。

基于电子倍增的超光谱成像系统，包括光学系统、emccd传感器、预放器、视频处理器和数据处理器，地面景物光线经大气及光学系统成像在emccd传感器上的不同像元上，所述emccd传感器获得光学系统狭缝上各点的光谱图像信息，光谱图像信息经视频处理器和数据处理器处理后输出数字光谱图像数据；设定所述超谱成像系统的信噪比模型，根据输入的光谱能量大小，选择相应的电子倍增增益，具体为：

根据量化值对应等效输出电压vo，获得总噪声的方差；总噪声的迭加遵循独立误差合成原理，所述总噪声的方差用下式表示为：

式中，f为电子倍增过程产生的额外噪声因子，g为电子倍增过程产生的增益，kop为预放器的放大倍数，kagc为视频处理器的成像增益，σs为霰粒噪声方差，σd为暗电流噪声方差，σcic为时钟诱导噪声方差，σsmear为smear引起的噪声方差，σre为读出噪声方差，σqua为量化噪声方差，σtransfer为光生电荷在整个转移过程中受电源及驱动信号影响产生的噪声方差；

根据总噪声方差公式，获得超光谱成像系统电子倍增增益的成像信噪比，用下式表示为：

对上式进行变换，获得如下公式：

式中，g为超光谱成像系统的成像增益，vs为由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压。

本发明的有益效果：

本发明所述的超光谱成像系统在高空间和光谱分辨率的航天应用中使用，取消摆镜的使用，降低了体积和重量，获取图像连续，且无运动部件提高了航天应用的可靠性；

本发明根据入射的光谱能量范围、电子倍增器件输出信号的幅度、视频处理器的最大输入信号幅度、量化位数等，获得光谱信号的最佳信噪比，克服电子倍增增益与电子倍增附加噪声因子之间的矛盾。

附图说明

图1为本发明所述的基于电子倍增的超光谱成像系统的原理框图；

图2为本发明所述的基于电子倍增的超光谱成像系统的信噪比模型图，其中图2a为电子倍增增益为1的模型示意图，图2b为电子倍增增益大于1的模型示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，基于电子倍增的超光谱成像系统，包括光学系统、emccd传感器、预放器、视频处理器和数据处理器，地面景物光线经大气然后经光学系统成像在emccd传感器上的不同像元上。emccd传感器上得到狭缝上各点的光谱信息，与入射狭缝长度方向平行的一维为空间维，与狭缝长度方向垂直的一维为光谱维，则emccd的不同行像元对应不同谱段的光谱信息，经供电与驱动，地面景物在emccd传感器上的光谱图像信息经光电转换、预放器、视频处理器和数据处理器后输出数字光谱图像数据。

结合图2说明本实施方式，基于电子倍增的超光谱成像系统的信噪比模型为：vs表示由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，ns、nd、ncic、nsmear、nre和ntransfer分别表示霰粒噪声方差的平方、暗电流噪声方差的平方、时钟诱导噪声方差的平方、smear引起的噪声方差的平方、读出噪声方差的平方和光生电荷在整个转移过程中受电源及驱动信号等影响产生的噪声方差的平方。

vccd表示ccd光谱成像系统中的emccd的输出电压，kop为预放器的放大倍数，kagc为视频处理器的成像增益，g为电子倍增过程产生的增益，f为电子倍增过程产生的额外噪声因子。

nqua表示量化噪声的平方。vo为量化值对应等效输出电压，由公式(1)计算，式(1)中当电子倍增增益为1时则g为1；式(1)成立需满足gvs小于等于emccd的等效的满阱电子容量，且gkagckopvs小于等于模数转换器的量程范围vad。

vo＝gkagckopvs(1)

各种噪声的迭加遵循独立误差合成原理，其总方差由公式(2)计算，当电子倍增增益为1时则g和f为1。

式中，σs为霰粒噪声方差，σd为暗电流噪声方差，σcic为时钟诱导噪声方差，σsmear为smear引起的噪声方差，σre为读出噪声方差，σqua为量化噪声方差，σtransfer为光生电荷在整个转移过程中受电源及驱动信号影响产生的噪声方差；则成像信噪比计算表达式如下式：

g为超光谱成像系统的成像增益：

g＝kagckop(4)

则成像信噪比计算公式(3)变换为：

本实施方式中，基于电子倍增的超光谱成像系统的成像增益g和模数量化位数的设置原则为：对于模数转换器，应该保证输入信号的满量程使用，保证ccd输入的最大信号能接近模数转化器的最大量程，则成像增益g：

超光谱成像系统中视频处理器内部的模数转换器完成对视频信号的模数转换，在模数转换过程中不可避免地引入量化噪声。在超光谱成像电路中使用的视频处理器内部的模数转换器属于1/2偏置型量化模数转换，采用了均匀量化方式，所以视频信号量化噪声服从均匀分布，均方差为：式中：vad为ad转换器的量化量程，n为ad转换器量化位数。量化位数越高则量化噪声越小，更能真实地反映成像电路输出信号的信噪比，有利于提高成像信噪比。

σqua＝gσre(8)

将(8)代入(7)得：

本实施方式中，基于电子倍增的超光谱成像系统的电子倍增增益设置原则为：当输入的光谱信号能量足够强时，σs远大于其他信号，设定则使用电子倍增增益的信噪比近似为当不使用电子倍增增益的信噪比近似为使电子倍增增益g＝1。由于电子倍增增益的额外噪声因子的因子f的影响，当输入的光谱信号能量足够强时，使用电子倍增增益功能会使信噪比下降到接近1/f倍。

当输入的光谱信号能量足够弱时，σs远小于读出噪声，设定由于读出噪声为噪声主要因素，则使用电子倍增增益的信噪比近似为不使用电子倍增增益的信噪比近似为使电子倍增增益g>10，由于电子倍增增益的使用，当输入的光谱信号能量足够低时，使用电子倍增增益功能会使信噪比提高到接近g倍。

本实施方式中，针对上述输入光谱信号能量的强弱两种状态下的分析，可以根据输入的光谱能量大小，选择合适的电子倍增增益，以达到输入光谱信号的最佳信噪比。

本实施方式中，emccd采用onsemi公司的器件kae02150，可针对每行的光谱信号选择倍增放大或者不放大；预放器选用采用ni公司的lmh6715；视频处理器采用adi公司的ad9979；数据处理器采用xilinx公司的fpga6vlx550tff1760；光学系统采用基于狭缝的色散分光系统。