[發(fā)明專利]快速高精度電子倍增CCD自動增益系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210107482.1
• 申請日: 2012-04-13
• 公開（公告）號: CN102769723A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發(fā)明（設計）人: 何偉基;陸震熙;陳錢;顧國華;張聞文;錢惟賢;隋修寶;屈惠明;柏連發(fā);張毅;路東明;于雪蓮
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學
• 主分類號: H04N5/372
• 分類號: H04N5/372
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

1.一種快速高精度電子倍增CCD自動增益系統(tǒng)，其特征在于由EMCCD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路、增益電阻查找表以及時序電平轉(zhuǎn)化電路組成，其中所述的EMCCD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路依次相連，該FPGA芯片與時序電平轉(zhuǎn)化電路相連，該時序電平轉(zhuǎn)化電路與EMCCD芯片相連；EMCCD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號形式傳輸給AD采集芯片，該AD采集芯片將模擬圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號傳輸給FPGA芯片，該FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號后進行實時計算得出下一步調(diào)整所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD采集芯片所需的采樣信號以及配置信號，同時產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號，以及驅(qū)動EMCCD芯片的時序信號；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號；增益對照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉(zhuǎn)化為倍增電路中的電阻值，調(diào)整系統(tǒng)的倍增值；時序電平轉(zhuǎn)化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時序信號以及增益對照表傳輸?shù)脑霰峨娐冯娮柚担{(diào)整加載到EMCCD芯片端的驅(qū)動信號時序與信號電壓值來實現(xiàn)增益的自動調(diào)節(jié)。

2.一種快速高精度電子倍增CCD自動增益方法，其特征在于EMCCD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號形式傳輸給AD采集芯片，該AD采集芯片將模擬圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號傳輸給FPGA芯片，該FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號后進行實時計算得到直接增益調(diào)節(jié)和逐次逼近增益調(diào)節(jié)所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD采集芯片所需的采樣信號以及配置信號，同時產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號，以及驅(qū)動EMCCD芯片的時序信號；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號；增益對照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉(zhuǎn)化為倍增電路中的電阻值，調(diào)整系統(tǒng)的倍增值；時序電平轉(zhuǎn)化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時序信號以及增益對照表傳輸?shù)谋对鲭娐冯娮柚担{(diào)整加載到EMCCD芯片端的驅(qū)動信號時序與信號電壓值來實現(xiàn)增益的自動調(diào)節(jié)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速高精度電子倍增CCD自動增益方法，其特征在于直接增益調(diào)節(jié)是在EMCCD芯片采集完一幀的圖像數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)中FPGA芯片對采集的圖像數(shù)據(jù)進行處理，得到當前幀的加權(quán)平均亮度值Y_n；計算出G_n+1，即系統(tǒng)需要調(diào)整到的增益值，計算出G_n+1后，F(xiàn)PGA芯片將G_n+1值發(fā)送到增益電阻查找表中得到倍增電路電阻值，系統(tǒng)按照電阻值調(diào)整電路參數(shù)改變系統(tǒng)的增益值，具體過程為：

采用加權(quán)灰度均值Y作為自動增益整體亮度的衡量標準，對于成像系統(tǒng)圖像的平均灰度Y_a為：

Ya=Σj=0knj×YjΣj=0knj]]>(k＝0，1，2，...，2^m)(1)

式中Y_j代表圖像中第j級灰度，n_j是Y_j的數(shù)量，m是成像系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)位數(shù)；

以Y_a為圖像灰度值的分界點，計算出高于Y_a的平均灰度值Y_aH，低于Y_a的平均灰度值Y_aL，a為Y_aH和Y_aL的分界點：

YaH=Σj=k2mnj×YjΣj=k2mnj]]>(k＝a+1，a+2，...，2^m)(2)

YaL=Σj=0knj×YjΣj=0knj]]>(k＝0，1，2，...，a-1)(3)

圖像的加權(quán)灰度均值Y表示為：

Y＝t_LY_aL+t_aY_a+t_HY_aH????(4)

其中t_L、t_a、t_H分別為Y_aL、Y_a、Y_aH的權(quán)重系數(shù)，t_L、t_a和t_H的值由環(huán)境因素決定，其滿足關(guān)系如下：

t_L+t_a+t_H＝1(5)

電子倍增CCD的曝光函數(shù)可表示為：

Y＝k×L×G×T????(6)

式中Y為圖像加權(quán)灰度均值，k為系統(tǒng)常數(shù)，L為入射光強度，G為增益值，T為曝光時間；

對上式取對數(shù)簡化運算得：

logY＝logk+logL+logG+logT????(7)

對前后兩幀圖像有：

logY_n＝logk+logL_n+logG_n+logT_n????(8)

logY_n+1＝logk+logL_n+1+logG_n+1+logT_n+1(9)

Y_n、L_n、G_n和T_n分別為當前幀圖像的加權(quán)灰度均值、入射光強度、增益值和曝光時間，Y_n+1、L_n+1、G_n+1和T_n+1為下一幀圖像的平均亮度、入射光強度、增益值和曝光時間；

對于高幀頻成像系統(tǒng)，在前后兩幀圖像的成像過程中入射光強度不發(fā)生變化，即L_n＝L_n+1，積分時間相同，即T_n＝T_n+1；

由公式(8)、(9)可得

logL_n+1＝logL_n＝logY_n-logk-logG_n-logT_n(10)

將式(10)代入(9)得

logY_n+1＝logk+logY_n-logk-logG_n-logT_n+logG_n+1+logT_n????(11)

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1(12)

圖像的理想亮度值Y₀，即經(jīng)過增益調(diào)節(jié)后下一幀圖像加權(quán)灰度均值Y_n+1所要達到的亮度值：

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1(13)

化簡得：

Gn+1=Y0YnGn---(14)]]>

G_n+1就是下一步調(diào)整的增益值。