CCD的各类噪声及降噪技术

PRLXX,201412(2014)PHYSICALREVIEWLETTERSXXXXXXXXXXXX-1-CCD的噪声及降噪技术王宝斌SY1419204(北京航空航天大学物理科学与核能工程学院)摘要：众所周知，随着CCD的不断发展，应用场合的主见扩大，噪声已经成为CCD进一步发展的障碍。噪声是CCD的重要参数，它是决定信噪比的主要因素之一。我们将从物理基础入手，对CCD的各类噪声进行深入分析，指出CCD不同噪声产生原理，进而对现有的相关采样技术的局限性进行改进，提出一种新的双采样形式，这就是基于可交换带通滤波器的CDS新方法。这种方法较之前存在的技术具有稳定性高、制作成本低等优点。这是对抑制CCD的输出噪声进行的一次有益尝试，将对提高CCD输出信号的信噪比起到积极的促进作用。引言随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声研究成为阻碍CCD进一步发展的障碍。噪声是CCD的一个重要参数。它是决定信噪比的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必要减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。为了扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声。CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并且限制了信号电荷包的最小值。对微光CCD探测器来说，这就是说先治疗它的探测下限。CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD动态范围内，图像信号随目标亮度线性变化时尽可能消除这些噪声和干扰。为了提高信噪比必须对CCD输出噪声种类、特性有比较深入的了解，然后才能有针对性的对产生机理不同、来源不一样的噪声采取相应的方法进行抑制。如果对于CCD的噪声不采取相应的措施进行抑制和降低，那么这种器件本身所具有的一些特性如高分辨率、高精度等就会受到影响，不利于CCD及相关产品的进一步发展。所以，本文对于CCD噪声的研究是非常有必要的，研究CCD的噪声进而采取相应的措施来抑制和消除它的影响势必会对CCD及相关产品的发展起到积极的促进作用。1.CCD的各类噪声源CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰[1]。为了提高信噪比，必须对存在的噪声进行抑制。CCD的主要噪声源可以概括为以下几种：光子散粒噪声、暗电流噪声、KTC噪声和固定图形噪声。下面对这些主要噪声源进行分析[1]。1.1暗电流噪声暗电流噪声的产生来自水平CCD和垂直CCD发生的暗电流[2]，暗电流是基于在能级深处的电子因高热激发而产生的，其发生过程是没有规则的，瞬时观察其产生的电子数并不相同，这就是暗电流噪声。暗电流噪声等效电子数dark为暗电流信号产生电子数的平方根，darkdarkn公式中，darkn为暗电流电子数。PRLXX,201412(2014)PHYSICALREVIEWLETTERSXXXXXXXXXXXX2所以要减小暗电流噪声，必须减小暗电流信号。即使CCD处于不工作的状态，由于光电二极管内部热运动产生的少数载流子也会逐步填充势阱，在驱动脉冲的作用下被转移，并在输出端形成电流，即暗电流。抑制暗电流噪声的方法有两种：第一降低CCD器件的工作温度，当CCD工作温度低于零下30摄氏度时，暗电流基本可以忽略；第二，利用水平CCD两端的少量哑像元，对哑像元输出信号采样，在保证外部环境与积分时间相同的情况下，将CCD有效像元采样信号与哑像元采样信号相减，消除暗电流噪声。1.2复位噪声复位噪声一般又称为KTC噪声。复位噪声的产生与CCD输出结构有密切联系，复位噪声通常产生于输出检测单元为浮置扩散放大器结构的CCD中。浮置扩散放大器结构如图所示。每次信号的读取都以单个电荷包的形式出现在放大器的栅节点上，每个信号电荷包产生的电压变化被读出后，输出MOSFET的栅节点需加以复位。由于电阻热噪声的影响，每一次复位操作都将产生复位噪声。复位噪声所产生的等效电子数为式中玻尔兹曼常数为，为CCD工作温度。由于复位噪声与以上三个参数有关，所以亦称KTC噪声[3]。从式中可知输出电容越大、温度越高，复位噪声就越大。采用相关双采样法可以使KTC噪声等效电子数从几百个减小到十几个甚至更小。1.3光子散粒噪声即使光强一定，由于光的粒子特性，同一时间内存入光电二极管内的光子数量也不会相同。这样的变动特性称为光子散粒噪声。它可以近似用离散型泊松分布函数表示式中，τ为光照时间，n为在τ秒内的光粒子数，α为每秒发出粒子的平均数。光子散粒噪声等效电荷数为式中，为τ秒内产生的电荷数的平均数。由此可见，光子散粒噪声与CCD在单位时间内产生的电荷数成正比。他与CCD传感器无关，完全取决与光子特性，是CCD器件的基本限制因素。主要在低光强下对成像有影响，是不能被消除的一种随机噪声。光散粒噪声由光信号电荷数目微小的波动而形成。光散粒噪声光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看作是独立、均匀、连续发生的随机过程。单位时间内产生的光信号电荷数目并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小波动。散粒噪声一个重要性质是噪声数目与频率无关。它在很宽的频率范围内有均匀的功率分布，如白噪声一样显示的是一个平坦的频谱图。散粒噪声与白噪声之间的基本不同之处是散粒噪声是因为载流子的突然出现和消失产生的，而白噪声是由自由载流子的不规则运动形成的。因此白噪声不受电流的约束，而散粒噪声和电流的大小相关。1.4固定图形噪声固定图形噪声，顾名思义是出现在图像中固定的位置，有着固定的体现形式的噪声。固定图形噪声产生的原因有很多，其主要的分类与产生原因如表所示：PRLXX,201412(2014)PHYSICALREVIEWLETTERSXXXXXXXXXXXX3由于固定图形噪声不随时间、空间变化，所以只要在获取图像后，检测分离出固定图形噪声加以消除就可以了。除了这几种主要噪声源外，相机系统中还存在一些次要噪声源，如电荷的转移损失噪声、视频信号处理产生的噪声、片内放大器产生的宽带白噪声和1/f、1/f2低频噪声[3，4]。对于输出信噪比要求比较高的场合对此应予以充分考虑。根据各噪声源的特点分别采取行之有效的措施。其中，光子散粒噪声为CCD固有噪声，不能被抑制；对于暗电流噪声，当CCD的工作温度降低到-15℃时，可以使暗电流噪声得到很大程度的抑制；所以，视频信号处理电路需要抑制的主要噪声源仅剩下KTC噪声和对系统噪声影响相对来说比较小的低频噪声和宽带白噪声。2.抑制噪声采用的一般方法噪声处理的好坏直接影响着后续信号的质量，并且与信噪比有着密切的关系，影响信噪比的因素有很多，前面我们已经对CCD的噪声的种类进行了较为详细的论述。同时，需要指出的是后续视频处理电路的噪声也是影响信号的一个重要因素。因此，对后续视频处理电路而言，首先要降低本身引入的噪声，在设计中为抑制和消除以上噪声应注意以下几方面:(1)选用低噪声器件。(2)在电路的设计上，增加直流电源的滤波,消除来自电源的干扰，缩短驱动电路与CCD器件的连线，降低时钟感应造成的尖峰干扰。(3)采用滤波电路滤除高频噪声。高频噪声的主要来源有被耦合到CCD信号中驱动脉冲的高频分量，还有在采样脉冲开关时刻产生的尖峰干扰。(4)对于确定的器件，可以采取行之有效的信号处理电路。实际上，人们常常是根据已有器件采用不同的处理电路来满足要求的。3.基于可交换带通滤波器的CDS新方法通过前面的介绍已经知道，高质量的CCD成像器件通常被用在集成芯片的读出放大器上面，但是很容易受到读出放大器的埋沟道MOSFET所产生噪声的限制[5,6]如图所示。MOSFET产生白噪声和低频噪声，这种低频噪声的频谱密度与1/xf成正比，x依赖于偏置、工作温度以及所使用的结构方法，x的范围为1～2。CDS信号采集系统是在CCD的输出信号中提取像素信息、抑制所附加的噪声。已经知道像素信息(从像素中收集的一定数量的电荷)通过参考电压和信号电压的差值V反映在CCD的输出上。这种测量V的方法就是CDS，它能够清除由于复位过程所产生的KTC噪声。几种CDS在文献[7,8]中得到应用，有关灵敏度的最佳解决方法依赖于CCD输出信号的噪声谱密度和采集系统传递函数之间的匹配程度，这里提出的CDS方法适用于低噪声的场合[9]。这种方法是基于可变的带通滤波器的运用，带通滤波器的中心频率能从高频HF(HighFrequency)模式转换到低频LF(LowFrequency)模式，频率的改变是通过改变电阻值来实现的，这样时间常数就得到了改变。高频HF和低频LF模式可以允许提取具有较低等价噪声带宽的有用信号值V，基本方法是：在参考电压时间内首先利用高频HF模式把信号箝位到0V，然后刚好在信号电压到来之前把滤波器转换到低频LF模式。这种方法使等于V的输入阶跃信号产生一个输出脉冲，它的峰值出现在maxt刻，它的振幅等于KV,K相对带PRLXX,201412(2014)PHYSICALREVIEWLETTERSXXXXXXXXXXXX4通滤波器的增益来说是一个常量。在maxt刻,滤波器的输出信号被采样、量化，随后下一个像素序列重新开始。4.结论从降低噪声角度考虑，这种新的CCD信号采集方法不失为一种比较理想的选择，尤其是当每一个像素都要采样时，在所有的其他方法中，都至少需要两次采样，会增加制作成本和系统的稳定性。这种带通滤波技术的另一个优点在于它可以自然的分化从0到maxV，这就方便与A/D转换器进行连接，而A/D转换器在进一步的箝拉和转移过程中是必不可少的。最后，由于带通采样技术是在输出信号稳态时进行采样的，所以这种技术相对比较可靠、稳定。运用相关理论对以浮置扩散放大器读出方式工作的CCD复位噪声进行了分析，指出这种噪声具有低通特性，分别计算了MOSFET导通和截止是复位噪声的自由相关系数。对传统抑制CCD复位噪声的相关双采样锦兴路分析，并针对其在应用中的局限性，为CCD输出噪声寻求更加行之有效的方法进行了有研究，着重分析了基于可交换带通滤波器的CDS新方法，指出这种方法的优缺点和适用范围。希望寻求出一种抑制CCD输出噪声的新方法，为此而进行了一些有益的尝试，这将是对提高CCD输出信号的信噪比起到积极的促进作用，也希望这些探索能够对CCD的发展起到一定的作用。参考文献：[1]许秀贞，李自田，薛利军.CCD噪声分析及处理技术[J].红外与激光工程.2004（04）:343-346[2]李刚，周彦平.CCD图像传感器件的输出噪声及其处理电路研究[J].电子质量.2007（04）:25-29[3]PeterE.Doherty.DougW.Donaghue.High-speedprecisionslow-scanCCDcameras[M]，1993:46-63[4]JamesS.Flores.Analyticaldepletion-modeMOSFETmodelforanalysisofCCDoutputcharacteristics[M]，1992:[5]B.T.Turko.EliminationofartfactsinInterlineCharge-CoupledDeviceImages.Opt.Eng,1991,30:1542-1546[6]A.Farre,JohannesSolhusbik.MethodforShadingCorrectionofaCCD-SensorComprisingaRowofCCDElementsEmployingaReferenceStrip,ResearchDisclosure,1998,412:353-361[7]L.Lazovsky,G.Vishnevsky.VirtualPhaseCCDImagesforScientificApplication.NuclearInstrumentsandMethdsnPhysi