空间太阳望远镜上的ccd噪声问题

空间太阳望远镜上的ccd噪声问题

0空间天文观观测的噪声处理在天文学上，为了跟踪黑暗的星星，需要进行长期的cd（chargacouped）分数，并对明亮的太阳等明亮的星星进行多段图像重叠，以平滑观测环境中的随机噪声，提高信噪比。这些方法只用于抑制环境噪声,由于图像的漂移和时间分辨力的要求,积分或叠加的时间是受限的,因此对信噪比的提高也是有限的。在既定的环境中,要获得更高信噪比的图像,就得考虑观测仪器本身的噪声引入问题,如光学成像系统、CCD系统、仪器控制系统等环节。本文主要是讨论国家天文台空间太阳望远镜卫星上,星载CCD系统的噪声抑制问题。CCD具有量子效率高、线性性能好和动态范围大的特点,它在天文上主要有天文成像、天体测量、光度测量、波谱学等四个方面的应用。虽然目前CCD的内部噪声已低到完全可以满足工业和娱乐要求的程度,但在天文观测中,CCD的内部噪声还需进一步减小,才能满足科学研究的需要。CCD内部噪声可能从CCD的每一个工作过程引入,如从CCD光敏面的光电效应、CCD积分(电荷积累)、电荷包的转移到信息检出、放大、A/D转换等整个过程,都可能引入噪声来污染图像。CCD内部噪声的分类形式大致有:从来源上看主要有A/D转换噪声和CCD电子学噪声;从对图像污染形式上讲主要有加性噪声(包括电子学模式噪声、转移损失或表面态俘获、干涉条纹和LED活动等)和乘性噪声(包括量子效应、光学和涂层传输性能及薄CCD的厚度误差等造成的噪声);还有人把噪声源分为片上和片外噪声两类。在地基天文观测中为了抑制CCD噪声,常采用的方法有:冷却的方法降低CCD的热噪声;系统标定的方法减小系统误差等。作为空间的天文观测,地面上笨重的制冷和标定设备由于受卫星设计重量和功耗的限制,不可能带到卫星上去。因此,空间用CCD的噪声抑制问题成了空间天文的重要攻关课题之一,在国外的空间天文观测实验中,无一例外地谈到了CCD标定的重要性。我们的方法是:采用CCD系统和数据处理系统配合完成。这个方法主要由CCD标定和图像改正两个过程构成:CCD标定是噪声的获取过程,由CCD采集标定需要的图像,再经数据处理计算出CCD的噪声特性,如暗图像、偏置、平场等,并将它们进行保存;图像改正是在观测过程(也就是CCD的正常工作过程)进行的,由CCD采集科学图像,再由数据处理系统把科学图像中的噪声进行消除。由于我台自行研制CCD的驱动和控制是由一片MCS-51单片机来实现的,无法承担复杂的数据处理任务,数据处理任务交由数据处理系统的预处理子系统来完成。1cd图像采集处理图1是CCD标定和图像改正的系统构成。CCD系统完成曝光调节、图像采集和图像后传任务;数据处理系统完成标定计算、噪声数据保存和最终的图像改正处理。系统有两个工作状态:一个是CCD标定状态,另一个是观测状态。CCD标定状态时,CCD系统调节曝光方式并采集相应的图像,送到数据处理子系统,由数据处理系统进行标定计算,计算得到的噪声图像(或系数),如暗图像、偏置、平场等,保存在数据存储器内;观测状态时,CCD系统按要求的科学目标采集太阳图像,然后由数据处理系统对CCD采集到的图像进行改正以及其他的处理,最后送到后续的系统。标定任务是由地面命令启动的,其周期要求可能是每隔10天到30天进行一次。2噪声及其测量方法以下叙述坏像素点(简称坏点)、偏置、暗流和平场的来源与分类,并给出标定方法和修正措施。2.1随机型坏点的检测与校正坏像素点是指图像中出现的异常的极亮点或极暗点,甚至可能是亮条或暗条。根据坏点的表现特性,把它分为固定型和随机型。固定型坏点是由于工艺的原因或材料的不完善或环境引起的性能退化造成的某些缺陷,引起高密度的复合-产生中心,使某个像元出现暗流尖峰,表现在图像上是固定位置重复出现亮点或亮条;随机型的坏点是由于受到使用环境的影响,如高温高湿、星载CCD受到辐射等产生的随机坏点。坏点的检测是校正的基础。固定型坏点在地面相机制作完成即检测出来,由于校正任务被放在后面的数据处理过程中,因此要为校正单元(数据处理系统)提供一个固定型坏点表;随机型坏点是在线检测的,因此要对图像进行扫描以检测坏点,扫描的过程中要给定检测的上下阀值(根据观测对象而定的经验值)。对坏点进行校正时,固定型坏点按表对每一位置(像素点)依次进行校正;而对于随机型坏点,要边检测边校正。坏点的改正可以用邻接点直接来替换,对于随机型还可以用在相同场景下得到的其他图像对应的值代换。SST是在线实时的观测,同时又要求有较好的修正结果,我们采用的方法是:用它临近方阵的平滑值来修改它。方法如图2示。中间的黑点表示坏点,其他为它的邻接点,坏点的改正值就是除坏点外由其他点求得的均值,方阵窗口的尺寸可以按要求来设定(如,3×3或5×5)。2.2结构标定方法CCD系统中,为了避免读出噪声把A/D的输入信号拖到负值,要人为的把视频信号稍微正向偏置,这个偏置电平,在A/D输出的数字图像中被保留下来,成为一个固定的背景噪声,因此在其他处理之前必须予以去除。偏置是一种加性噪声,要消除它,必须先得到一个系统的偏置图像,称它为偏置结构,得到偏置结构以后,从目标图像中减掉即可。有些应用不一定要采用偏置结构去进行标定,而是对所有像素点减去一个固定常数即可,这个常数称为偏置值。可见偏置结构和偏置值的区别在于:前者每个像元均有一个偏置量,而后者所有像点的偏置量是同一个值。偏置结构标定方法是:对CCD进行零曝光,这个过程应在CCD的实际卫星轨道空间环境中进行。首先获得一系列(多帧)零曝光图像;通过数据处理,求出这些图像的均值图像,此均值图像便是要求解的偏置结构。SST数据处理系统进行偏置标定计算方法如下:①由累加器接收和累加25幅CCD送来的零曝光图像并保存在RAM软件中,这25帧累加图像设为I0;②DSP软件将累加图像I0除以25后,得到一帧平均图像I0a(i,j)=I0(i,j)/25;③重复①～②步5次,得到5帧平均图像I0a,I1a,I2a,I3a,I4a;④将这5帧平均图像两两相减取绝对值,计算相减后图像的平均值其中,n,m=0,1,…,4,且m≠n;⑤选择由(1)式计算出的最小Anm(相对离差最小)所对应的平均图像Ina和Ima中的任一帧图像(设为Ina)保存起来,作为偏置结构bias;另一帧图像(设为Ima)和Anm送到地面进行确认。这里的Ima和Anm是用在地面进行确认用的,Ima用于和飞行前的测试结果进行对照;而Anm用于确认本次标定的系统平均离差,如果这个值太大,可能要进行重新标定。它给定一个标定的有效性度量,因为一次标定受到卫星姿态和太阳活动的影响(尤其是在暗流和平场标定时)。观测时,用DSP软件以像素为基准,将观测图像减去偏置结构bias,便完成图像改正任务。获得偏置值的方法是:采用过扫描(overscan)方法。它是在垂直和水平方向都给以比实际读出单元更多的驱动时钟,比如对于512×512的图像,给以522×522的读出时钟。这时如器件的电荷转移效率(CTE)好的情况下,位于实际物理区域以外的像元值就只包含了偏置信息,这些位于物理区域以外只包含了偏置信息的“像素”值的平均值,便可以作为偏置值。SST采用的是偏置结构的标定方法,而没有采用偏置值的标定方法。2.3碳流的产生和特点任何材料在大于绝对零度的某个温度以上,均会产生热噪声。对CCD的MOS电容而言,当它处于未饱和的非平衡状态时,即使没有光照射或其他注入方式,也会由于热激发而产生的电子在势阱里进行积累形成暗信号电荷,当读出时,这些暗流电子混在信号里面,天文学电子是无法分开的。可见,暗流是一种加性噪声,它的根本起因是半导体的热激发,具体有三个来源:①耗尽区里产生-复合中心的热激发;②耗尽区边缘的电子热扩散;③界面上的产生中心的热激发。其中①的贡献是主要的。CCD的暗流一般用像元在单位时间内产生的热电子数目或是单位面积实际产生的电流表示。在室温下,一个典型的CCD暗流大约为每秒2.5×104个电子。消除暗流的方法主要是采用致冷法,常用的方法是采用带有液氮冷却的杜瓦瓶光电探头,良好的冷却可以使暗流降至每秒2～0.4个电子。制冷法已经使CCD的暗流极小了,但天文观测一般对于暗星要进行长时间(如半小时)的CCD积分观测,对亮星采用多帧图像叠加(如240帧)的方法来达到提高信噪比的目的,这样累积的暗电子还要进一步抑制;如果冷却要求过高,实现的代价太高或在星上根本无法实现。SST暗流的获得方法是:将望远镜指向极区并虚焦,CCD采集图像,曝光的时间t秒,应与观测时图像曝光的时间相同。这个过程应在CCD的实际卫星轨道空间环境中进行,并在此过程中必须要隔离宇宙射线和辐射事件的影响。其后的计算同偏置标定一样,由累加器得到5幅t秒内曝光的图像,累加并保存起来。由DSP软件求出均值并将这5幅平均图像两两相减,由公式(1)计算相减后图像的平均值Anm;选择Anm(相对离差最小)所对应的平均图像Ina和Ima中的任一帧图像(设Ina)保存起来;设Ior为卫星初轨观测的极区图,bias为2.2节所计算偏置,则观测时,用DSP软件以像素为基准,将观测图像减去暗图像,便完成图像改正任务。2.4像元输出值对比平场是由于各光敏元量子效率(QE)非均匀性造成的。这种不均匀性是由于制造过程中,工艺缺陷造成或由于灰粒等光学衰减效应造成。它的后果是图像信息呈现非均匀性,也就是在等入射光辐射下各像元输出值不相同。平场的倒数又被称为CCD的增益因子。SST平场的获得方法是:同暗流的获取方法类似,将望远镜指向极区并虚焦,CCD采集图像;由累加器得到5幅t秒内曝光的图像,累加并保存起来;由DSP软件求出均值并将这5幅平均图像两两相减,由公式(1)计算相减后图像的平均值Anm;选择Anm(相对离差最小)所对应的平均图像Ina和Ima中的任一帧图像(设为Ina)保存起来;设bias和dark分别为2.2节和2.3节所计算偏置和暗流,则观测时,用DSP软件以像素为基准,将观测图像除以平场便完成图像的改正任务。2.5随机补偿技术宇宙射线事件是太空环境中常见的事件。非星点源和宇宙射线事件可能造成比背景大数倍的噪声,必须有一个计算机辨识算法或随机补偿技术(如中值滤波等)来消除它们。宇宙射线还可能造成敏感元的损坏,在SST上采用了相应的屏蔽措施。夜晚天空辐射线波长仅在一个极窄的范围之内,这样会在背面照射式CCD紧接玻璃面上产生干涉条纹,条纹可以用一个自适应模式滤波方法获得,然后在已消去了平场以后的目标图像中减去。SST没有考虑这种情况的标定问题。但有些系统要求考虑该情况。3和平场系数的处理以上谈到的各种标定计算和图像的改正任务都是在数据处理系统中进行的。通过偏置、暗流和平场的计算,可以得到暗图像、偏置结构和平场系数,这些数据都保存在数据存储器中,在进行正常的观测时,数据处理系统进行图像改正时需要使用这些数据。如图3是数据处理系统的工作流程图。数据系统接收CCD采集到的图像,根据工作状态进行不同的处理。如果是标定状态,进行相应的标定计算,求出CCD的偏置、暗流和平场,