基于信噪比的分析報(bào)告

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1、..基于信噪比理論的光電成像系統(tǒng)性能分析與評價(jià)摘要本文主要討論了典型的固體光學(xué)成像系統(tǒng)的信噪比。通過對光學(xué)成像系統(tǒng)成像的各個(gè)過程的噪聲來源，種類，性質(zhì)進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后得出整個(gè)光電成像系統(tǒng)的信噪比。并簡要的指明了信噪比在光電成像系統(tǒng)評價(jià)中的特點(diǎn)及優(yōu)勢。最后，從提高系統(tǒng)信噪比的角度，提出了幾點(diǎn)改進(jìn)系統(tǒng)成像質(zhì)量的建議。關(guān)鍵詞：信噪比，光電成像1.前言：由于在目前的應(yīng)用中，人們使用最多的都是固體成像器件，因此，以下的討論中將主要考慮固體成像器件。在固體成像器件中，光電轉(zhuǎn)換部分使用最為廣泛的還應(yīng)該屬于光電二極管。即使是對于常見到的CCD以及CMOS固體成像器件，其像元中的光電轉(zhuǎn)換部分多數(shù)還是與光

2、電二極管的轉(zhuǎn)換原理是一致的。所以，在接下來的討論中，將以光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件的代表進(jìn)行分析討論。2.光電成像器件的噪聲來源：通常，光電成像系統(tǒng)對某一目標(biāo)物體的成像過程主要分為以下一個(gè)步驟：目標(biāo)物體發(fā)出的輻射光線經(jīng)過在大氣中傳播后，進(jìn)入到光電成像系統(tǒng)的入瞳，入瞳處的輻射經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)作用后到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件的像面上進(jìn)行曝光；然后，光電探測器將收集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，而后輸出到后續(xù)的電路中進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理；最終，最終輸出可供目視判讀的目標(biāo)景物圖像。由于在整個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)工作的過程中，每一個(gè)過程都會(huì)伴隨著噪聲的干擾。因此，要分析整個(gè)系統(tǒng)的信噪比，就必須要對探測及成像過程中的每一個(gè)環(huán)

3、節(jié)進(jìn)行噪聲的分析。其中，對于一個(gè)完整的系統(tǒng)來說，其誤差來源可以分為外部誤差來源和內(nèi)部誤差來源。當(dāng)光電成像系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，所觀察目標(biāo)的輻射光線在到達(dá)光電系統(tǒng)的入瞳之前,由于大氣層中的分子散射和氣溶膠散射等原因的存在,造成了傳播中的能量衰減，此時(shí)，系統(tǒng)探測器像面上的曝光量由入瞳輻亮度、光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑和透過率、探測器像元光敏面面積以及積分時(shí)間等參數(shù)共同決定。其中散射是造成輻射能量衰減的主要原因,最直接的結(jié)果將會(huì)是對光譜輻射透過率產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)大氣的散射作用對目標(biāo)物發(fā)出的輻射作用很大時(shí),就會(huì)使目標(biāo)信號(hào)完全Word完美格式..被噪聲噪聲干擾所淹沒而無法被探測到,這對于光電成像系統(tǒng)的正常使用是

4、極為不利的。而內(nèi)部干擾主要包括熱噪聲和探測器噪聲等。由于外部的背景噪聲和系統(tǒng)內(nèi)部各種噪聲都是隨機(jī)變量,在探測器的輸出中,總存在一種不可預(yù)見的起伏,對信噪比影響比較大。以下，將對各部分的噪聲情況做進(jìn)一步的分析。2.1外部噪聲：外部的背景噪聲主要有三部分:太陽光、地面反射和其他物體的漫反射光。將地球視為300K的灰體,它的峰值輻射在10μm處,當(dāng)輻射波長小于2μm時(shí),地球輻射相對于太陽背景很小,可以不考慮;由于光電成像系統(tǒng)前端的光學(xué)鏡頭上常使用濾光片或鍍膜等一些措施,反射光在很大程度上被抑制,也可近似忽略;太陽可視為5900K黑體,它在0.2-1.5μm范圍內(nèi)輻射較強(qiáng),將是系統(tǒng)主要的背景光噪聲

5、源。2.2內(nèi)部噪聲：系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲又可以細(xì)分為光學(xué)成像過程中的噪聲，光電探測過程中的噪聲以及后續(xù)電路中的噪聲。由于在成像過程中，大氣的抖動(dòng)，探測器與目標(biāo)物之間的相對移動(dòng)以及由于光學(xué)系統(tǒng)自身成像質(zhì)量和加工、調(diào)整等因素所引入的像點(diǎn)彌散，都會(huì)對光電系統(tǒng)的探測能力有較大的影響。對于光學(xué)成像系統(tǒng),其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)一般可采用對稱高斯分布函數(shù)來表示，如下式所示。式中為了簡單起見，采取了一維的模型結(jié)構(gòu)。式中xo為能量降為1/e2的彌散尺寸。其空間頻率響應(yīng)函數(shù)為式中σ光學(xué)響應(yīng)指數(shù)；xo小時(shí)σ變大;Ho(u)反映光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)特性。得知光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)以后，就可以由該函數(shù)討論出在成像過程中引入的誤差

6、，也即可以得出在該過程中的信噪比。3.光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理過程中的信噪比：當(dāng)目標(biāo)物發(fā)出的輻射光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)光電探測器的像元表面時(shí)，光子在固體光電探測器的硅層中轉(zhuǎn)換為光電子，這些光電子的組成信號(hào)中含有光子到達(dá)比率的統(tǒng)計(jì)意義上的變化量。Word完美格式..該變化量就是光子噪聲。光子噪聲也被認(rèn)為是光子發(fā)射噪聲，由內(nèi)在的光子能量的變化所造成的。由于固體光電探測器的像元所收集的光電子表現(xiàn)為泊松分布，并且信號(hào)與噪聲之間存在均方根的關(guān)系。因此，在使用光電探測系統(tǒng)對某一目標(biāo)進(jìn)行觀察時(shí)，目標(biāo)物體所發(fā)出的輻射光線在固體光電探測器的焦面上產(chǎn)生信號(hào)的同時(shí)也將引入光子聲。光子噪聲強(qiáng)度與信號(hào)強(qiáng)度之間滿足這樣的關(guān)系

7、。式中，Np為光子噪聲強(qiáng)度，S為信號(hào)強(qiáng)度。在光電轉(zhuǎn)換的過程中，由于周圍的環(huán)境溫度不為絕對零度，因此也會(huì)存在暗電流噪聲的影響。暗電流噪聲產(chǎn)生于固體光電探測器硅層中的熱電子的統(tǒng)計(jì)變化，暗電流描述的是在給定的溫度下，熱電子產(chǎn)生的速率。暗電流噪聲與光子噪聲一樣，也表現(xiàn)為泊松分布，它是在曝光時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱電子的均方根。如式所示：式中，Nd為暗電流噪聲，Id為暗電流，tint為積分時(shí)間。實(shí)際上，溫度對暗電流噪聲的影響很明顯。因此，