[發明專利]基于電子倍增的光譜圖像合成系統

有效

• 申請號: 201710696592.9
• 申請日: 2017-08-15
• 公開（公告）號: CN107635107B
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 余達;劉金國;梅貴;左洋;于善猛;王冶;張艷鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: H04N5/355
• 分類號: H04N5/355;G06T1/60;G01J3/18;G01J3/02
• 代理公司: 22210 長春菁華專利商標代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 陶尊新<國際申請>=<國際公布>=<進入

基于電子倍增的光譜圖像合成系統，針對高空間和光譜分辨率的超光譜圖像能量偏弱，不同譜段的光譜信號輸入光能量偏差較大問題，采用可實時切換倍增增益通道和非倍增增益通道的圖像傳感器進行光譜信號的接收。首先對接收到的圖像電荷信號在讀出前經非破壞性浮置柵極輸出放大器進行輸入光能量的判斷，然后根據檢測到的輸入光能量值進行倍增增益和正常通道的轉移讀出選擇。根據實時標定獲得的倍增增益，最后將倍增增益通道和非倍增增益通道的圖像合并為高通道范圍的圖像。采用單幀內光譜信號倍增增益的切換，不僅能提高弱光譜信號的信噪比，還能保證較強光譜信號不飽和，提升整體的動態范圍。

技術領域

本發明涉及一種高動態范圍的基于電子倍增的光譜圖像合成方法，具體涉及工作在全局快門工作方式下采用單幀內光譜信號倍增增益切換的高動態范圍的基于電子倍增的光譜圖像合成系統。

背景技術

由于成像光譜儀將景物像元的信息分成幾十乃至上百個光譜通道，從而使得焦平面陣列探測器每個像元所接受到的能量大為降低，直接導致信噪比嚴重下降，在高空間分辨率(優于30m)的條件下成像光譜儀信噪比往往無法滿足實際應用需求。成像光譜儀對地面目標推掃成像時，由于飛行器飛行速度很高，探測器上每個像元接收地面目標輻射的時間(積分時間)很短，當地面目標較暗時，探測器的信噪比將很低。例如，在軌道高度H＝400km時，飛行速度V＝6.878km/s，地面像元分辨力δ＝10m時，探測器每個像元積分時間只有1.45ms，探測器幀頻將高達687.8fps。根據信噪比方程，要獲得更高的信噪比，在系統的光學參數和探測器都確定的情況下，只有通過增加積分時間來實現。在成像光譜儀望遠鏡前端設置掃描鏡進行運動補償是增加積分時間的有效方法之一，美國的高分辨率成像光譜儀(HIRIS),沿海海洋成像光譜儀(COIS)等成像光譜儀均采用了該方法增加積分時間以提高信噪比。

光譜成像系統的應用效果非常依賴獲取的圖像信噪比。但在低照度條件下，特別是高空間分辨率下超光譜成像領域，受入射光能量、積分時間、光譜分辨率以及分光元件透過率的影響，儀器的信噪比受到較大的制約。由于光譜成像包含了空間和光譜兩維信息，不能使用TDI模式解決光能量弱問題。

基于電子倍增功能進行光譜成像，可在輸入光譜信號能量過低的情況下提高信噪比；但由于電子倍增過程引入了額外噪聲因子，在輸入光能量較強的情況下反而會使信噪比下降。另外，由于不同譜段的光譜信號能量差異較大，為提高動態范圍，需要根據輸入的光譜能量進行單幀內倍增功能的切換。

發明內容

本發明為解決現有高空間分辨率和光譜分辨率的超光譜圖像能量偏弱，且不同譜段的光譜信號輸入光能量偏差較大問題，提供一種基于電子倍增的光譜圖像合成系統。

基于電子倍增的光譜圖像合成系統，包括光學系統、EMCCD圖像傳感器、驅動電路、第一預放組、第二預放組、第三預放組、第一視頻處理器組、第二視頻處理器組、第三視頻處理器組、成像控制器、存儲器A和存儲器B；不同譜段的光譜圖像信息經光學系統成像在EMCCD圖像傳感器的不同行上；成像控制器產生的時序驅動信號經驅動電路進行功率放大和電平轉換后送入EMCCD圖像傳感器；EMCCD圖像傳感器內的含非破壞性浮置柵極輸出放大器通道的光譜信號先輸出，經第一預放組后送入第一視頻處理器組內進行視頻處理后輸出數字圖像信號至成像控制器；所述成像控制器根據接收到的數字圖像信號進行輸入光譜信號幅度的判斷；

若光譜信號的幅度大于門限值，則將對應的光譜信號從EMCCD圖像傳感器的正常通道讀出，然后經第二預放組后送入第二視頻處理器組，最終送入成像控制器；

若光譜信號的幅度小于等于門限值，則將對應的光譜信號從倍增通道讀出，經第三預放組后送入第三視頻處理器組，最終送入成像控制器；

所述門限值設定為：入射光能量等效的電子數為且小于等于n_hccd/k；