[发明专利]一种CCD相机图像信号处理方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种CCD相机图像信号处理方法及系统，尤其适用于低照度、弱目标的CCD相机系统。

背景技术

CCD相机的应用非常广泛，尤其在图像质量要求非常苛刻的领域，如医学、天文深空观测等领域，有着不可替代的地位。在CCD相机设计时最为关注的参数之一就是相机的信噪比(SNR)，而在低照度、弱目标的情形下，读出噪声是CCD相机噪声的主要来源。目前对读出噪声抑制方法还是上个世纪70年代提出的相关双采样法或基于此方法改进的模拟滤波方法，主要包括：相关双采样法(CDS)、双斜积分法、开关指数滤波法、微分取样法、反射延迟法、相关四采样等。这些方法在使用时各有侧重，但它们在本质上是相同的，其原理都是利用复位噪声的缓变特性，采用相关处理技术，即都是通过将视频信号在一个像素周期内进行前后两次采样，然后分别送至差动放大器的两个输入端，在进行视频信号放大的同时消除复位噪声。由此可见，传统的CCD输出噪声处理技术都是在模拟域进行的。它有多种实现形式，但都是模拟电路实现，其频域特性对于CCD信号噪声特性而言不是最佳的。传统CCD相机视频信号处理链路框图如附图1所示。

传统方法的不足之处在于：

1)在抑制噪声的同时，又由于自身电路的存在(如：相关双采样电路)不可避免的引入电路噪声。

2)虽然已经实现了具有相关双采样电路的集成芯片，但要想获得高性能的噪声效果，还是得利用分立元件搭建相关双采样电路，为此又降低了电路的可靠性。

3)如图1所示，目前采用相关双采样技术在低读出速率时读出噪声限制在2e-水平，在1MHz读出速率时读出噪声通常为6e-水平，无法满足要求更高的低照度、弱目标天文观测的应用。

因而，必须考虑进一步减小读出噪声的新思路和新途径，以提高光学探测器的动态范围尤其对弱光目标的探测能力。

发明内容

本发明的目的在于突破传统CCD相机噪声的抑制瓶颈，提出一种数字域滤波的新方案，具体为一种新的CCD相机图像信号处理方法及系统。

本发明的技术思想是：

利用高速高分辨率模数转换器以远高于读出速率的采样频率直接将CCD视频信号数字化，然后针对CCD视频信号读出噪声的特性设计数字信号处理算法，将噪声抑制到亚电子水平。当前大规模集成电路技术尤其是高速高分辨率模数转换器技术和数字信号处理技术为这一新思路的实现提供了技术基础。该新技术相对EMCCD技术具有更强的通用性，不仅能减小CCD读出噪声，而且也为用高速低分辨率模数转换器(12bit)实现低速高分辨(16bit)的要求提供了一种技术途径。

本发明的技术方案具体如下：

一种CCD相机图像信号处理方法，包括以下步骤：

(1)CCD输出的像元信号经放大后，通过高速模/数转换电路对每个像元信号进行多点采样；采样得到的数据进行量化后输出数字信号；

(2)数字信号进行锁存和同步处理；

(3)通过高速传输接口将同步处理后的数字信号发送到采集/控制计算机，采集/控制计算机取得每个像元的所有采样点的样本信号；

(4)在采集/控制计算机中对每个像元的所有采样点实施滤波算法，获得每个像元的像素值，最终得到一幅完整图像。

上述高速传输接口采用Camera link接口协议。

上述步骤(4)所述的滤波算法按照以下方法确定：将包含有每个像元一个象元周期内所有采样点的样本信号的帧格式图像转换成二维数组，进行时域分析和频谱分析，从而确定合适的滤波算法。

上述步骤(1)所述的多点采样优选采样120-200个采样点。

上述步骤(4)所述滤波算法为数字域相关双采样、高斯权值滤波或各种频域滤波算法。

本发明提供的一种CCD相机图像信号处理系统，包括通过数据传输线依次链接的CCD、前置放大电路、高速模/数转换电路、时序驱动与数据处理电路、高速传输接口和采集/控制计算机，其中，自时序驱动与数据处理电路、高速传输接口至采集/控制计算机，还建立有控制线链接。

上述高速传输接口为Cameralink接口电路。

上述高速模/数转换电路是具有16位、160Msps的高速模/数转换器。

本发明不仅可以降低噪声，提高相机信噪比，而且简化了相机系统的硬件设计，提高了系统的集成度和可靠性。同时随着大规模集成电路的不断发展，为继续优化噪声抑制算法和提高运算速度提供了技术基础。具体表现在以下优点：