[发明专利]一种快速减小成像光谱仪反演误差的处理方法

权利要求书

1.一种快速减小成像光谱仪反演误差的预处理方法，其特征在于：所述预处理方法是指针对CCD探测器在成像过程中产生的电子学噪声，具体的实现步骤如下：

步骤(1)、假设在单幅光谱成像过程中暗电流产生率f_dc(t)不变，CCD成像区曝光时间t_e内产生暗电流可表示为t_e·f_dc(t)，在帧转移过程中，CCD每一行在成像区停留的时间不等，导致暗电流产生差异，与smear效应类似，第一行像元经过一次行转移到达存储区，而第r行则须经过r次行转移到达存储区，则每行产生的暗电流可表示为t_ft·r·f_dc(t)/N，其中t_ft为帧转移时间，N为CCD成像区总行数，EMI紫外通道CCD47-20总行数为1024，可见通道CCD55-30总行数为576，转移到存储区的信号电荷包通过读出寄存器读出，第一行靠近读出节点的像元首先读出，其他像元一次按照设定速率顺序读出，读出速率限制电荷包在存储区驻留时间，如最大读出率5MHz，即读出一个像元用时200ns秒，则第一个像元比整个像面最后一个像元早读出1024×1024×200ns≈0.2s，以此可计算出每个像元在存储区驻留时间t_s，产生暗电为f_dc(t)·t_s，综上所述，CCD成像区和存储区总暗电流可表示为：

其中，g为温度影响因子，含义为探测器实际温度暗电流T与参考温度T_ref下暗电流的比值，根据E2V公司官方数据手册暗电流公式并进行相应转换，可得到：

令参考温度T_ref＝293K，可得到不同温度下校正系数，将原始数据去除暗电流信号DN_dc(T)可实现暗电流校正；

步骤(2)、在暗背景测量模式下采集暗背景图像数据，成像区无入射光进入，在积分时间内只产生暗电流信号p[i][j]，曝光完成后开始进行帧转移，将成像区信号电荷全部转移在存储区相应位置，随后，存储区在行转移时钟的驱动下逐行将最靠近水平读出区的信号电荷读出，第一行(即最下面一行)转移到水平读出区的信号电荷可表示为：

第二行转移到水平读出区的信号电荷大小可表示为：

依次类推，第n行信号电荷转移到水平读出区的总信号电荷大小为：

其中，f_dc(t)为存储区暗电流，t为行转移时间，p[1][j]为第一行像元信号原始值，n为CCD探测器的行数；

步骤(3)、假设在温度T下CCD探测器的暗电流大小为f(T)，其单位为e^-/s，行转移时间为τ实际读出的暗背景DN响应信号为S，则在积分时间I内第n行像元产生的暗背景信号可表示为：

将上式(3)改写成矩阵形式，可表示为：

上式(4)中，第一项为CCD成像区有效积分时间内产生的暗电流信号，第二项为帧转移过程中产生的暗电流信号，需要说明的是，暗背景测量过程中EMI载荷入射狭缝处于遮挡状态，不会产生光响应信号，测量得到的图像为暗背景DN响应值，根据CCD探测器暗电流的温度特性，在相同温度的暗电流水平基本保持一致，可表示为：

f₁(T)＝f₂(T)＝…＝f_n(T)＝f(T) (5)

将上式(4)可改写为：

CCD探测器的暗电流大小实际值f(T)可通过上式计算得出，再乘以积分时间得到空间维方向暗电流噪声大小；

步骤(4)、根据CCD探测器成像过程中smear效应的产生机理进行校正，具体实施如下：

空间维方向的像元列是相互独立，而每行像元smear信号累积时间是相同，所以只需对按像元列进行分析，CCD探测器的成像过程是光电效应产生光生电荷的累积，经采样、放大、模数转换形成视频信号的过程，假设CCD感光面第m行接受曝光，该行中每个像元的电荷产生率都可认为是f(t)，单位为e^-/s，则在曝光时间内该行的平均电荷产生率f_m可表示为：

其中，t_start和t_end代表曝光起始和结束时刻，T为有效曝光时间，T＝t_end-t_start，smear信号只与曝光起始的电荷率f_m，start和结束时刻的电荷率f_m，end有关；

曝光结束之后所产生信号将迅速向CCD存储区转移(即帧转移)，第一行像元经过n次行转移到达存储区，第二行像元经过n-1次转移到达，最后一行直接进入存储区，受持续光照的影响，第一行像元进行一次行转移都会叠加前一行像元在行转移时间内产生的smear信号，同理，在前一次帧转移之后产生的smear信号同样叠加到之后的曝光信号之中，由于没个像元的信号是以电荷包形式传输，认为在前τ/2时间内电荷包没有进入下一行，τ为行转移时间，在后τ/2内才进入下一行，则总信号电荷数可表示为：

从上式可以看出，CCD在曝光后实际产生的电荷数由三部分组成，第一部分为曝光时间内产生的有效累积信号电荷，第二部分为上一次帧转移产生的smear信号电荷，第三部分为当前帧转移产生的smear信号电荷，smear效应产生的电荷量受曝光开始和结束时刻当前像元行的电荷产生率影响，为了简化smear效应的影响，假设感光条件在相邻成像帧不变，即曝光起始和结束时刻信号电荷产生率相等，f_start＝f_end＝f_m，则上式可简化为：

其中，的含义为CCD探测器像元电荷行转移时间与有效曝光时间之比，而有效曝光时间T＝T_frame-(n-1)τ，则可得到：

对于公式(9)，如果令则实际曝光时间外产生的smear信号可通过以下计算得到：