003-红外成像系统图像空间噪声分析与估计

式中 : L b 为探测波段内背景红外辐射亮度 。 2. 1. 5 电荷转移读出噪声 电荷转移读出噪声源主要有 4 个 ,1) 电荷转移损 失噪声 ,2) 背景电荷的引入噪声 ,3) 界面态俘获噪声 , 2 4) 光电子散粒噪声 。总噪声 σ N5为 :
2 2 ε σ N ( N s + N s0 ) + k TC/ e + N5 = 4 ( 8) 1 . 4 kTN ssN gA g / e + N s 式中 :ε为传输损失 ; N 、 N g 分别为转移次数及电极数
( 7)
0,
| ωx | Φ ωx0 | ωx | > ωx0
,
( 13)
2001 年 5 月 吴军辉等 : 红外成像系统图像空间噪声分析与估计 第 23 卷 第3期
S y ( t i ,ωy ) =
Ay ,
0,
| ωy | Φ ωy0 | ωy | > ωy0
第 23 卷 第3期 红 外 技 术 Vol. 23 No. 3 2001 年 5 月 Infrared Technology May 2001
红外成像系统图像空间噪声分析与估计 3
吴军辉 ,郜竹香 ,张玉竹
(63891 部队 ,河南 洛阳 471003)
对于热成像系统 , 电路噪声主要包括电压放大器 噪声 、 信号传输噪声以及干扰噪声 。电压放大器为有 源电路 ,其噪声源主要有热噪声和 PN 结散粒噪声 , 其 中热噪声与放大器工作温度有关 ,散粒噪声为一常数 ; 信号传输噪声以及干扰噪声都可以看成常数 。因此 , 可把电路噪声表示为 : 2 σ N 2 = cN 21 T + cN 20 式中 : T 为放大电路器件工作环境温度 。 当设备稳定工作时 , 放大器工作温度一般浮动范 围不大 ,因此 ,我们可以近似把电路噪声当成常量 , 与 红外成像系统工作环境温度无关 。
y , t ) 为空间起伏噪声 。
( 6)
式中 : q 为量化间隔 ( 最小量化单位对应的电压值) 。
2. 1. 4 均匀性校正残余误差
引起热成像系统探测非均匀性的主要物理因素 有 : 各探测器像元响应不均匀 ; 各探测器像元有效尺寸 的不均匀 ; 各探测单元直流背景电压的不均匀等 。 热成像系统在使用前都需要进行均匀性校正 。但 由于晶体管偏置电压的变化 、 不同的探测景物的辐射 特性以及探测器工作环境温度的变化等因素引起每个 探测器的增益和失调随时间缓慢且随机漂移 , 从而均 匀性校正必然存在残余误差 。均匀性校正残余误差成 为红外图像的空间噪声 。 由于探测器工作在制冷环境温度下 , 不会由于红 外成像系统的大环境温度而影响器件的工作温度 , 因 此大环境温度变化对均匀性校正残余误差影响可以忽 略 。在进行过均匀性校正之后 , 针对不同的探测景物 红外辐射特征 ,残余误差值不同 。对于晴朗背景下的 弱小目标检测情况 , 均匀性校正残余误差主要与背景 的红外辐射亮度有关 ,即 : 2 2 σ N4 = σ N4 ( L b)
pn ( f ) = c n Pn ( 2)
1 噪声分析
2. 1 噪声源分析
红外成像系统探测噪声主要由探测器噪声 、 光子 噪声 、 电路噪声 、 A/ D 转换噪声 、 均匀性校正残余噪声 、 电荷转移读出噪声 、 背景空间起伏噪声等 7 部分组成 , 其组成框图见图 1 。 2. 1. 1 探测器噪声 、 光子噪声 1) 探测器电流噪声 对于光伏探测器 , 其电流噪声主要包括光生电流 散粒噪声 、 暗电流散粒噪声和器件热噪声 。噪声电流 的均值为零 ,均方值 E[ i 2 Nt ]为 : 。 ηPnΔf + 2 ueIso Δf + 4 kT Δf / R d E[ i Nt ] = 2 e
增加积分时间可以提高探测信噪比 。 另外 Байду номын сангаас从 ( 4) 式看出 , 噪声电压均方值与入射光子 通量及探测器工作温度有关 。由于探测器工作在制冷 温度下 ,该温度与红外成像系统工作时的大环境温度 无关 ,因此可以认为探测器噪声和光子噪声只与背景 光子辐射通量有关 ,亦即只与背景辐射亮度有关 。
2. 1. 2 电路噪声
2
当把光子发射当成无规则过程 , 则 c n = 2 , 如果光 子发射受制于玻色2爱因斯坦统计 , 则 c n 与探测器工 作波段有关 。光子噪声引起的电流噪声 E[ i 2 Nn ]为 : ηPn Δf E[ i 2 N n ] = cn
( 3)
3) 电流积分与电压噪声 一般认为电流噪声为高斯分布的平稳随机过程 , 设探测器积分时间为 τ s ,则电压噪声均方值为 :
图1 噪声源组框图
Fig. 1 Composing diagram of noise source
压) 或 2 (探测器零偏压) ; R d 为探测器等效电阻 ; T 为探 测器工作环境温度 ; e 为电子电荷 ; k 为玻耳兹曼常数。 当探测器工作在负偏压时 , R d 很大 , 因此热噪声 可以忽略不计 。 2) 光子噪声 光子噪声功率谱密度 pn ( f ) 为 :
2 2 σ τ η + 0 . 5 cn η ) Pn + ( 2 k/ R d ) T + ueIso ] N1 = A V s[ ( e
( 1)
( 4)
Δf 为探测器量子效率、 式中 : Pn 为入射光子数通量 ;η、 带宽 ; I so 为二极管反向饱和电流 ; U 取 1 (探测器负偏
Ξ 收稿日期 :2000211209
0,
| ωt | Φ ωt0 | ωt | > ωt0
( 10) ( 11) ( 12)
τ τ R t ( x i , y i ,τ t ) = A t sin (ω t0 xt ) / (π t) 对于一般情况 ,可以将 n ( x , y , t ) 表示如下 :
n ( x , y , t ) = nx ( x , t ) nx ( y , t )
式中 : f s ( x , y , t ) 为非噪声分量 ; n ( x , y , t ) 为噪声分 量 ; x , y 为以红外成像系统为中心的方位 、 高低方向角 度坐标值 。 由于 f s ( x , y , t ) 主要为低频分量 , 对目标探测 、 提 取的影响可以忽略 , 因此 , ( 9 ) 式中的噪声分量 n ( x ,
Ξ
摘要 : 分析当对晴朗天空背景中的弱小目标进行探测的情况下红外成像系统的各种噪声源 ,给出各噪 声源引入的噪声均方值与工作环境温度和背景红外辐射特性的定性关系 ,然后对图像空间噪声的靶场 测量以及估计方法进行讨论 。 关键词 : 红外成像系统 ; 图像空间噪声 ; 噪声 ; 测量 中图分类号 : TN216 文献标识码 :A 文章编号 :100128891 ( 2001) 0320019204
景的红外辐射亮度有关 。 2. 1. 6 背景空间起伏噪声 从广义上讲 ,背景空间起伏噪声属于目标及背景的 红外辐射特征范畴。我们假设晴朗天空背景辐射亮度 空间噪声为各态历经平稳随机过程 ,可计算同一背景对 不同的红外成像系统所引起的空间起伏噪声的关系。 设背景空间亮度分布函数 f ( x , y , t ) 为 :
1 引言
在研究红外成像系统 ( 红外跟踪或红外侦察告警 系统) 对晴朗天空背景下小目标作用距离靶场试验评 估技术时 ,需要涉足到图像信号 、 图像空间噪声以及噪 ( 声下目标信号检测水平 即对应一定成像大小的目标 , 图像信噪比与检测概率关系问题) 的建模 、 靶场测量与 估计问题 。本文所讨论的是红外成像系统图像空间噪 声的建模 、 靶场测量与估计问题 。 本文首先对红外成像系统的各种噪声源进行分 析 ,给出噪声源引入的噪声均方值与工作环境温度和 背景红外辐射特性的定性关系 , 然后对图像空间噪声 的靶场测量方法 ,以及在不同的晴朗天空背景下图像 空间噪声估计方法进行讨论 。
20
认为 n ( x , y , t ) 是时间过程的平稳随机过程和 x 、 y 空间分布的各态历经平稳随机过程 。 设 n ( x , y , t ) 的时间过程功率谱密度 S t ( x i , y i , ωt ) 和自相关函数 R t ( x i , y i ,τ t ) 分别为 :
S t ( x i , y i ,ωt ) = At ,
,
( 14)
那么 , nx ( x , t i ) 、nx ( y , t i ) 空间分布的自相关函数 R x ( t i ,τ x ) 、R y ( t i ,τ y) 为 : τ τ R x ( t i ,τ x ) = A x sin (ω x0 x ) / (π x) τ τ R x ( t i ,τ y ) = A y sin (ω y0 y ) / (π y) 存在约束关系如下 : 2 σ = R t ( x i , y i , 0) = R x ( t i , 0) R y ( t i , 0)
我们把 nx ( x , t ) 、 nx ( y , t ) 当成是 x 、 y 的平稳随机过 程。 又设 nx ( x , t i ) 、 nx ( y , t i ) 空间分布的功率谱密度 S x ( t i ,ωx ) 、 S y ( t i ,ωy ) 为 :
S x ( t i ,ωx ) = Ax ,
f ( x , y , t) = f s ( x , y , t) + n ( x , y , t) ( 9)
差 。由于基准电压的漂移一般比较小 , 且其频谱集中 在低频端 ,因此 ,其对热成像系统各幅图像内的空间噪 2 声贡献可以忽略 。A/ D 转换的量化噪声为 σ N3 :
2 2 σ N 3 = q / 12
2. 1. 3 A/ D 转换噪声 A/ D 转换噪声源主要有基准电压漂移和量化误
( 5)
目 ; Ns 、 N s0 为信号电荷 、 填底电荷的载流子数 ; C 为势 阱电容 ; N ss 为界面态的面密度 ; A g 为一个门的面积 。