ICCD信噪比模型

王銀飛　張雨晨

摘 要：從ICCD的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析光子在ICCD中的倍增過(guò)程和每個(gè)過(guò)程引入的噪聲，根據(jù)各噪聲所服從的概率分布函數(shù)，得到各個(gè)噪聲的理論表達(dá)式，進(jìn)而對(duì)ICCD的信噪比模型進(jìn)行了理論推導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：ICCD；信噪比；ICCD噪聲

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）32-0022-02

Abstract： Starting from the basic structure of ICCD， the multiplication process of photons in ICCD and the noise introduced by each process are analyzed. According to the probability distribution function obeyed by each noise， the theoretical expression of each noise is obtained. Furthermore， the signal-to-noise ratio （SNR） model of ICCD is deduced theoretically.

Keywords： ICCD； signal to noise ratio （SNR）； ICCD noise

引言

ICCD通常作為成像系統(tǒng)的接收系統(tǒng)，目標(biāo)反射回來(lái)的光信號(hào)需通過(guò)ICCD進(jìn)行選通、放大和輸出顯示。因此，ICCD的噪聲特性是影響成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要因素之一。ICCD工作時(shí)，入射光從物鏡輸入，經(jīng)光陰極、微通道板、熒光屏到最后被CCD探測(cè)輸出圖像均會(huì)產(chǎn)生噪聲，而且微通道板會(huì)在倍增進(jìn)入的信號(hào)時(shí)，也會(huì)同時(shí)倍增隨信號(hào)一同進(jìn)入的噪聲，還會(huì)產(chǎn)生二次噪聲。CCD信號(hào)電荷在注入、轉(zhuǎn)移、檢測(cè)輸出等過(guò)程也都會(huì)引入噪聲，CCD的主要噪聲為暗電流噪聲和讀出噪聲[1-2]，不過(guò)隨著技術(shù)和工藝的進(jìn)步，CCD噪聲正在不斷被減弱[3-4]。而且性質(zhì)不同的噪聲對(duì)ICCD信噪比的影響程度也不同，按噪聲與信號(hào)的關(guān)系可將噪聲分為與信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)的乘性噪聲和與信號(hào)強(qiáng)度不相關(guān)的加性噪聲，ICCD的主要噪聲為乘性噪聲[5]。ICCD作為最常用光電探測(cè)器件之一，其信噪比模型對(duì)成像系統(tǒng)的研究具有重要意義。

1 ICCD的基本結(jié)構(gòu)

ICCD由光陰極、MCP（像增強(qiáng)器）、熒光屏、中繼元件、CCD等器件組成。如圖1所示，ICCD工作時(shí)，入射光通過(guò)物鏡聚焦在光電陰極上，光陰極通過(guò)外光電效應(yīng)將光子轉(zhuǎn)化為電子，電子經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)加速后進(jìn)入MCP，通過(guò)MCP中的微通道板實(shí)現(xiàn)光電子的倍增輸出，從微通道板出射的電子高速轟擊熒光屏，重新激發(fā)出的光子圖像，再經(jīng)中繼元件投射在CCD上，CCD接收增強(qiáng)了的光學(xué)圖像，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，由放大器放大電信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)微光的探測(cè)。

ICCD的耦合方式通常有纖維光錐耦合和光學(xué)透鏡耦合。纖維光錐耦合是將像增強(qiáng)器和CCD直接耦合，具有尺寸小、重量輕、耦合效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是分辨率較低；光學(xué)透鏡耦合是利用中繼透鏡耦合，將像增強(qiáng)器熒光屏上的像成像于CCD上，具有使用靈活、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但是體積較大[6]。

2 ICCD的主要噪聲

根據(jù)噪聲性質(zhì)的不同，ICCD的噪聲可分為乘性噪聲和加性噪聲，乘性噪聲主要包括光子散粒噪聲、光電陰極噪聲、MCP噪聲、熒光屏噪聲等，加性噪聲主要為CCD噪聲。

入射到光電陰極的光子流是呈泊松分布的隨機(jī)變量，本身具有噪聲，稱為光子散粒噪聲，用泊松分布的標(biāo)準(zhǔn)差表示。設(shè)入射的光通量為？椎，ICCD積分時(shí)間為τ，光子波長(zhǎng)λ，光速c，h為普朗克常量，hc/λ表示每個(gè)光子能量，則光子散粒噪聲為Np可表示為[7]：

光電陰極將入射光子轉(zhuǎn)換為電子的過(guò)程也是符合泊松分布隨機(jī)過(guò)程，設(shè)光電陰極的量子效率為ηc，光電陰極噪聲Nc可表示為[7]：

光電陰極將光子轉(zhuǎn)化成電子進(jìn)入MCP進(jìn)行倍增，倍增的倍數(shù)與MCP端面的開口面積比、電子入射角度的因素有關(guān)，整體倍增過(guò)程服從弗瑞分布[7]，MCP在微通道板里會(huì)對(duì)電子進(jìn)行多次倍增，二次倍增會(huì)產(chǎn)生額外噪聲[8]。設(shè)η為MCP輸入端面的探測(cè)效率，P0為入射電子能倍增的幾率，G為MCP的增益，δ為MCP二次電子倍增的平均值，P為各倍增級(jí)二次電子能再次倍增的幾率， MCP噪聲Nm可表示為[7]：

經(jīng)過(guò)MCP倍增的電子射向熒光屏，熒光屏將電子重新轉(zhuǎn)化成光子，熒光屏的量子噪聲主要為入射電子的隨機(jī)分布導(dǎo)致的輸出光子噪聲和熒光屏本身發(fā)光的量子性導(dǎo)致的輸出光子噪聲，二者均符合泊松分布，設(shè)熒光屏的轉(zhuǎn)化效率為Ns，熒光屏噪聲Ns可表示為[7]：

熒光屏射出的光子被CCD探測(cè)并輸出，CCD噪聲讀出噪聲包括復(fù)位噪聲、放大噪聲等，可以通過(guò)雙采樣技術(shù)等技術(shù)較好抑制[3-4]，建模時(shí)通用一常量NCCD表示。

3 ICCD信噪比模型

設(shè)入射的光通量為？椎，積分時(shí)間為τ，則入射的信號(hào)光子數(shù)為：

由噪聲的隨機(jī)性可知ICCD的各個(gè)噪聲相互獨(dú)立，由第2節(jié)分析可知，乘性噪聲用噪聲所服從的概率分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差表示，根據(jù)方差和標(biāo)準(zhǔn)差的性質(zhì)，總的乘性噪聲Nadd可以表示為：

4 結(jié)束語(yǔ)

ICCD工作時(shí)，除光子本身的光子散粒噪聲外，光電陰極將光子轉(zhuǎn)化為電子的過(guò)程、MCP的倍增過(guò)程、熒光屏重新將電子轉(zhuǎn)換成光子的過(guò)程以及CCD的探測(cè)傳輸過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生噪聲，通過(guò)分析各個(gè)過(guò)程產(chǎn)生噪聲的特點(diǎn)和性質(zhì)可得到各個(gè)噪聲的理論表達(dá)式，進(jìn)而可推導(dǎo)求得ICCD的信噪比模型。該信噪比模型詳細(xì)分析了ICCD工作過(guò)程中各部分噪聲產(chǎn)生的來(lái)源以及各個(gè)噪聲的性質(zhì)，對(duì)ICCD的信號(hào)與噪聲分析具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈飛，劉廣榮，金偉其.ICCD系統(tǒng)中對(duì)像增強(qiáng)器制冷降噪效果的分析[J].光學(xué)技術(shù)，2005（03）：114-116+120.

[2]王加朋，王淑榮，宋克非.像增強(qiáng)型CCD的噪聲抑制和性能評(píng)價(jià)[J].光電子.激光，2008（08）：33-35+39.

[3]郭偉強(qiáng)，萬(wàn)志，常磊.面陣CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的噪聲抑制[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2008（01）：210-214.

[4]新耕.抑制CCD復(fù)位噪聲的相關(guān)雙取樣原理電路[J].華中工學(xué)院學(xué)報(bào)，1982（04）：111-116.

[5]陳晨，許武軍，翁?hào)|山.電子倍增CCD噪聲來(lái)源和信噪比分析[J].紅外技術(shù)，2007（11）：17-20.

[6]楊鎮(zhèn)根，張巧寅.微光成像器件[D].夜視技術(shù)編輯部，1981：132-135.

[7]鄒異松.電真空成像器件及理論分析[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

[8]Moran， SE，Ulich， BL，Elkins， WP.Intensified CCD（ICCD） dynamic range and noise， performance[J].1997，3173：430-457.