光谱成像仪CCD焦平面组件非均匀性校正技术研究

　　0　引言

　　光谱成像技术能获得被测目标的空间和光谱信息,在航空航天遥感、军事侦察、环境监测、资源勘测等领域具有重要的应用价值.光谱成像仪CCD焦平面探测器是各种光谱成像仪的核心部件.由于光谱成像仪CCD焦平面探测器各个像元对光强和光谱响应度的不均匀性,使得光谱成像仪的成像质量较差,直接影响到仪器的光谱分辨率.本文主要讨论光谱成像仪CCD焦平面对光强响应的不均匀性.光谱成像仪CCD焦平面探测器的响应非均匀性问题不同于一般的图像噪音,一般的图像噪音是瞬态随机噪音.探测器的非均匀性是一种固定图形噪音(Fixed Pattern Noise).它是由于探测器的加工工艺、材料、温度和偏置情况等多种因素所造成的.为了改善成像质量和光谱分辨率,就需要对光谱成像仪CCD焦平面进行非均匀性校正.本文首先分析传统的非均匀性校正算法,然后提出二点多段线性校正算法,并给出校正的效果.

　　1　产生非均匀性的原因

　　图1反映了从一个512×256像元的面阵CCD中抽取一块像元的典型的响应不均匀性状况.

　　分析光谱成像仪CCD焦平面探测器的非均匀性产生原因对于建立校正算法模型是很重要的.以下就器件自身、器件工作状态和外界因素等三个方面来分析非均匀性的来源.

　　1.1　器件自身非均匀性

　　器件自身非均匀性是光谱成像仪CCD焦平面探测器非均匀性的主要组成部分.受目前的材料制造及工艺所限,CCD器件的材料中会出现掺杂不均、厚度不等和探测元尺寸不均等各种缺陷,造成不同探测单元之间参量的不同,从而引起探测元响应的差异.探测元产生的光生电荷信号必须被注入到读出电路实现输出.同样由于材料和制造工艺水平的制约,各个耦合传输通道的参量也不尽相同,使得探测单元和读出电路之间的信号耦合以及读出电路的电荷传输效率都存在着差异,这些都将引起器件响应输出信号的非均匀性.

　　1.2　CCD暗电流的不均匀性

　　暗电流的大小与光照强度无关,而与CCD像素的本征材料、大小、温度等有关.CCD暗电流的主要成分有:1)耗尽区内通过复合中心的热产生;2)通过表面态的热产生;3)通过本征跃迁过程的热产生;4)在耗尽区边界的扩散电流.在室温下,边界扩散电流可以忽略,以体内、表面复合中心贡献为主,本征产生贡献比它们小一个数量级以上.

　　1.3　工作状态引入的非均匀性

　　光谱成像仪CCD焦平面探测器的驱动信号和成像系统的光能量等与光谱成像仪工作状态相关,这些相关条件的变化将直接对探测单元的光学增益、注入效率、读出电路的增益等方面产生影响,从而影响到整个光谱成像仪CCD焦平面探测器响应的均匀性.