基于某信噪比地分析报告

基于信噪比理论的光电成像系统性能分析与评价

摘要

本文主要讨论了典型的固体光学成像系统的信噪比。通过对光学成像系统成像的各个过程的噪声来源，种类，性质进行了归纳总结，最后得出整个光电成像系统的信噪比。并简要的指明了信噪比在光电成像系统评价中的特点及优势。最后，从提高系统信噪比的角度，提出了几点改进系统成像质量的建议。

关键词：信噪比，光电成像

1.前言：

由于在目前的应用中，人们使用最多的都是固体成像器件，因此，以下的讨论中将主要考虑固体成像器件。在固体成像器件中，光电转换部分使用最为广泛的还应该属于光电二极管。即使是对于常见到的CCD以及CMOS固体成像器件，

其像元中的光电转换部分多数还是与光电二极管的转换原理是一致的。所以，在接下来的讨论中，将以光电二极管作为光电转换器件的代表进行分析讨论。

2.光电成像器件的噪声来源：

通常，光电成像系统对某一目标物体的成像过程主要分为以下一个步骤：目标物体发出的辐射光线经过在大气中传播后，进入到光电成像系统的入瞳，入瞳处的辐射经过光学系统作用后到达光电转换器件的像面上进行曝光；然后，光电探测器将收集到的光信号转化为相应的电信号，而后输出到后续的电路中进行相应的信号处理；最终，最终输出可供目视判读的目标景物图像。

由于在整个光学成像系统工作的过程中，每一个过程都会伴随着噪声的干扰。因此，要分析整个系统的信噪比，就必须要对探测及成像过程中的每一个环节进行噪声的分析。其中，对于一个完整的系统来说，其误差来源可以分为外部误差来源和内部误差来源。

当光电成像系统进行工作时，所观察目标的辐射光线在到达光电系统的入瞳之前,由于大气层中的分子散射和气溶胶散射等原因的存在,造成了传播中的能

量衰减，此时，系统探测器像面上的曝光量由入瞳辐亮度、光学系统的相对孔径和透过率、探测器像元光敏面面积以及积分时间等参数共同决定。其中散射是造成辐射能量衰减的主要原因,最直接的结果将会是对光谱辐射透过率产生较大的

影响。当大气的散射作用对目标物发出的辐射作用很大时,就会使目标信号完全

被噪声噪声干扰所淹没而无法被探测到,这对于光电成像系统的正常使用是极为不利的。而内部干扰主要包括热噪声和探测器噪声等。由于外部的背景噪声和系统内部各种噪声都是随机变量,在探测器的输出中,总存在一种不可预见的起伏,对信噪比影响比较大。以下，将对各部分的噪声情况做进一步的分析。

2.1外部噪声：

外部的背景噪声主要有三部分:太阳光、地面反射和其他物体的漫反射光。将地球视为300 K的灰体,它的峰值辐射在10μm处,当辐射波长小于2μm时,地球辐射相对于太阳背景很小,可以不考虑;由于光电成像系统前端的光学镜头上常使用滤光片或镀膜等一些措施,反射光在很大程度上被抑制,也可近似忽略;太阳可视为5900 K黑体,它在0.2-1.5μm范围内辐射较强,将是系统主要的背景光噪声源。

2.2内部噪声：

系统的内部噪声又可以细分为光学成像过程中的噪声，光电探测过程中的噪声以及后续电路中的噪声。

由于在成像过程中，大气的抖动，探测器与目标物之间的相对移动以及由于光学系统自身成像质量和加工、调整等因素所引入的像点弥散，都会对光电系统的探测能力有较大的影响。

对于光学成像系统,其点扩散函数一般可采用对称高斯分布函数来表示，如

下式所示。式中为了简单起见，采取了一维的模型结构。

2

02

2

()exp

o

x

h x

x

-

=

式中

x o 为能量降为1/e2的弥散尺寸。其空间频率响应函数为

2

02

()exp

u

H x

σ

-

=

式中σ

光学响应指数；x

o 小时σ变大;H

o

(u)反映光学系统的光学传递函数特性。得知光

学系统的光学传递函数以后，就可以由该函数讨论出在成像过程中引入的误差，也即可以得出在该过程中的信噪比。

3.光电转换及信号处理过程中的信噪比：

当目标物发出的辐射光线经过光学系统到达光电探测器的像元表面时，光子在固体光电探测器的硅层中转换为光电子，这些光电子的组成信号中含有光子到达比率的统计意义上的变化量。该变化量就是光子噪声。光子噪声也被认为是光子发射噪声，由内在的光子能量的变化所造成的。由于固体光电探测器的像元所收集的光电子表现为泊松分布，并且信号与噪声之间存在均方根的关系。因此，

在使用光电探测系统对某一目标进行观察时，目标物体所发出的辐射光线在固体光电探测器的焦面上产生信号的同时也将引入光子声。光子噪声强度与信号强度

之间满足这样的关系p N =N p 为光子噪声强度，S 为信号强度。

在光电转换的过程中，由于周围的环境温度不为绝对零度，因此也会存在暗电流噪声的影响。暗电流噪声产生于固体光电探测器硅层中的热电子的统计变化，暗电流描述的是在给定的温度下，热电子产生的速率。暗电流噪声与光子噪声一样，也表现为泊松分布，它是在曝光时间内所产生的热电子的均方根。

如式所示：d N =N d 为暗电流噪声，I d 为暗电流，t int 为积分时间。实际上，温

度对暗电流噪声的影响很明显。因此，在一些实际的使用中，常会采取一些制冷措施，当固体光电探测器的工作温度降低到一定的程度时，一定的曝光时间内它的暗电流噪声可以忽略。

由以上噪声分析可知，光电转换环节的的信噪比模型可以表示为

SNR =式中，S 为固体成像器件上的光子流，单位为光子

数／像素／秒；B 为固体成像器件上的背景光流，单位与S 相同；背景光流来源于很多因素。通常为杂散光，若信号是光的唯一的来源的话，B 可认为是0；Q 为光电探测器的量子效率；t 为积分时间，单位为s ；I a 为暗电流大小，单位与S

相同，如上所述，

d N =Nr 为读出噪声，单位为电子数均方根／像素。

固体成像器件的量子效率、暗电流、读出噪声、采样频率等参数一般是可以得到的，如果知道附带的入射光流的水平，由这些参数就可以确定出光电成像器件的信噪比。由于入射光流、背景光流和量子效率都是波长的函数，当固体成像器件在宽带宽辐射源下曝光时，上述公式必须在全带宽上进行积分。

在短曝光条件下，读出噪声是占主导地位的。式中的分母内的第一项和第二

项可以忽略不计。因此，在这个区域内信噪比可以简化为SNRr ：

c r r SQ SNR t N =检测到的光子信号随着曝光时间的增长而增大，光子噪声也将逐渐在噪声成分中占

据主导地位。在这个区域中．信噪比可以简化为SNRo

：o SNR =有实验表明，在短曝光时间条件下，读出噪声超过光子噪声，图像数据中的读出噪声占主导地位；而在长曝光时间条件下，光子噪声将超过读出噪声和暗电流噪声，此时光子噪声在图像数据中占主导地位。