[发明专利]一种高灵敏度相机配置优化方法

说明书

本发明公布一种高灵敏度相机配置优化方法。该配置优化方法将杂散光影响，以信杂比形式作为散粒子噪声和背景电平的一部分，分别引入到相机信噪比和动态范围公式中，从而使光学系统性能和电学系统性能统一用相机工作性能评价，构建相机评价体系。该评价体系以目标相机的信噪比、动态范围和调制传递函数等为评价性能指标，以光学系统引入噪声与电学系统引入的噪声大小基本持平作为优化配置准则，以特定工作距、被探测物特性、工作波长和空间分辨率为约束条件，借助多参量优化算法，合理优化配置相机参量，做到相机配置最优，避免配置资源浪费或者失配。

技术领域

本发明属于光电成像领域，特别适用于固定工作环境下的光电成像仪器的配置优化设计。

背景技术

现阶段空间相机的评价指标有信噪比、动态范围、调制传递函数、视场、空间分辨率、光谱特定等。其中，相机两个关键评价指标信噪比、动态范围均会受到空间杂散光光源太阳的影响，但是现有教科书中计算公式停留在电子学部分，根本没有考虑空间相机杂散光的光学问题。相机配置参量中光学和电学的评价相对独立，缺少定量化的配合计算优化方法。特别是空间相机是一个庞大复杂的系统，分别优化光学系统和电学系统容易造成配合上的失调和资源的浪费。

本发明针对上述不足，提出一种光学和电学一体化相机配置优化方法，对固定环境下相机优化提供定量化的配置优化方法，突破了电学系统和光学系统评价指标相对独立的壁垒，建立了相机系统的评价指标体系，可以有效整体判断影响相机工作性能的最主要因素，在设计阶段有针对性地调整光学设计参量和电学设计参量，有效改善相机工作性能，使其达到预期要求同时，做到相机配置最优，避免配置资源浪费或者失配。

发明内容

本发明目的是提出一种光学和电学一体化的，定量化的相机配置优化方法。相机性能参量在优化方法中是因变量，包括：信噪比(SNR)、动态范围(DR)和调制传递函数(MTF)。

相机配置参量在优化方法中是自变量，包括：光学系统F数，相机口径D，光学系统信杂比SCR，探测器的像元面积A，探测器的量子效率ηi，探测器的电阻Rdet，积分电容Cint，积分时间Tint，探测器暗电流Idc，读出电路输出级增益Asf等参数。

优化配置准则：在相机性能满足应用要求的条件下，光学系统引入噪声与电学系统引入的噪声大小基本持平。

相机性能参量(因变量)与相机配置参量(自变量)之间的关系：

1)信噪比(SNR)

其中：

(1)系统信号用电流表达为Isig，当信号光仅为地表红外辐射时，表达式如下：

c＝3.0×108m/s是光速，h＝6.626×10-34J·s为普朗克常数，kB＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数，λ1～λ2为探测器的工作波段起止波长，Te是目标温度，τo是光学效率，τa是大气(环境)透过率，ε是地表辐射率。当信号光为太阳辐射经地表反射时，采用太阳辐射亮度和地表反射率进行表达。

(2)系统噪声包括探测器噪声和读出电路总噪声，探测器噪声用电流表示为满足如下表达式：

为热噪声，kB＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T是探测器工作温度；杂散光以信杂比SCR参数形式，通过散粒子噪声计入探测器噪声公式；Idc为探测器暗电流，e＝1.6×10-19C是电荷电量。读出电路总噪声用电压表达为满足如下关系式：

其中，输出级增益Asf，一般取1或0.8典型值；

输入级运放噪声：Cc为密勒电容，作用是提高系统稳定性，面阵探测器中其典型值为0.5pf；Cdet是探测器电容；