Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 27

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 27)

Движение электронов все еще ограничивается погоризонтали стоп-каналами столбцов, поэтому они мигрируют вертикально.Кроме того, некоторые электроны попадают в "ловушки зарядов" и непокидают ячейку в течение нескольких тактов. Эти эффекты приводят кпереполнению ячейки и "расплыванию" изображения по вертикали.Для целей формирования изображений общего плана расплываниеможет быть отредактировано.

Это очень утомительно делать вручную.Сначала блуминг идентифицируется, затем его удаляют и заменяютинтерполированными данными. Наконец, изображение звезды очищено иокруглено.Чтобы гарантировать качественное удаление, инструментавтоматически заменяет шумом удаляемые пикселы. Это эмулируетпоявление фона, присутствующего в смежных областях.

Фоновая статистикаформируется на основе анализа пикселов вне расплавы, но они могут бытьскорректированы вручную для лучшего эффекта.Подавление чересстрочности.В некоторых камерах изображения формируются с чересстрочнойразверткой: с четными и нечетными строками, сдвинутыми по времени. Еслипроисходит быстрое движение изображения, например из-за атмосферныхявлений, то в изображении могут возникнуть зубчатые контуры. Последниеможно устранить и улучшить общую разрешающую способность, разделяяизображение на два.

Результирующие четные и нечетные поля изображенияраздельно интерполируются, чтобы заменить отсутствующие пикселы.5.3.7. Кадры калибровкиВиды кадров калибровки.Непосредственно после выполнения наблюдений проводится съемкакадров темнового поля. При закрытом объективе телескопа выполняетсясъемка нечетного количества кадров (7, 9, 11) с той же экспозицией, с какойвыполнялось наблюдение. Затем формируется усредненный кадр темновогополя.Кадры темнового тока получаются в конце сеанса наблюдений. Какправило, получаются три кадра с одной и той же экспозицией, которые такжефильтруются по медиане отдельной программой.Кадры плоского поля (сумеречного неба) снимаются, по возможности,каждую или каждую вторую ночь.

При этом телескоп наводится на слабоезвездное поле, часовой механизм ставится на специальный режим быстрогодвижения и запускается отдельная программа с указанием нечетногоколичества кадров (рекомендуемое число - 7,9 или 11) и длительностиэкспозиции (по умолчанию оптимальную длительность экспозицииуказывает программа, предварительно анализируя примерный фон неба).Окончательный результат получается медианной фильтрацией всех отснятыхкадров.Вычитание темнового кадра очень ценно для улучшения качестваизображения. Но эта операция не может увеличить динамический диапазон.Поэтому важно разрабатывать ФПМ с малым уровнем темнового тока.Коррекция плоского поля позволяет компенсировать разбросчувствительности ячеек ФПМ и эффект виньетирования.При медианной фильтрации для фильтруемой точки берутся значенияее соседей и заносятся в таблицу. Таблица сортируется по возрастанию, и зановое значение точки принимается значение медианы таблицы.Медианой дискретной последовательности xl , х2 , ..., xL для нечетногоL называют такой ее элемент, для которого существуют (L - 1)/2 элементов,меньших или равных ему по величине, и (L - 1)/2 элементов, больших илиравных ему по величине.

Другими словами, медианой является средний попорядку член ряда, получающегося при упорядочении исходнойпоследовательности. Например, med(20,10, 3, 7,7) = 7.Рассмотрим составляющие шума, который может появиться наизображении. Уровень фона (F) изображения определяется яркостью неба ичувствительностью ПЗС. Процесс прихода квантов - случайный процесс,который подчиняется распределению Пуассона. Поэтому даже для идеальнойПЗС, которая не имеет собственных шумов, изменение уровня фона отпиксела к пикселу носит шумовой характер.

Среднеквадратичное отклонениешума пропорционально корню квадратному из среднего числа квантов,падающих на один пиксел. Это неизбежная составляющая шума,наблюдаемого на изображении.Собственные тепловые шумы (темновой ток) матрицы в единицувремени в значительной мере определяются ее физической температурой.Если матрицу не охлаждать, то заряд, вносимый собственными шумами, заочень короткое время "забьет" пикселы до уровня потенциального барьера иматрица работать, перестанет. Охлаждая матрицу, мы приближаем ситуациюк идеальной, когда основная составляющая шума определяется уровнем фонанеба.Еще одна составляющая шума обусловлена процессом считыванияскрытого изображения, накопленного ПЗС (шум считывания).

Его величиназависит не только от матрицы, но и от электронной схемы, обрабатывающейсигнал.Разброс чувствительности.Несмотря на то что ячейки ФПМ ПЗС изготавливаются в одномкристалле, их параметры не совпадают полностью. Ячейки различаютсячувствительностью, в том числе и спектральной.

Этот факт можно записать ввиде формулыгде Si(i,j) - входной сигнал ячейки (i,j); K(i,j) - коэффициент передачиячейки (i,j); S0(i,j) - выходной сигнал ячейки (i,j);i,j - номер строки и номерстолбца ячейки.Если коэффициент K(i,j) непостоянен, то одинаковые сигналы,пришедшие на разные пикселы, дадут разный отклик. Если разброскоэффициента передачи по полю матрицы составляет несколько процентов,матрица считается хорошей.Иногда на поверхность матрицы попадают пылинки, что такжеизменяет коэффициент передачи.

Еще одним источником непостоянстваявляется стекло герметичного криостата, расположенное перед матрицей.Это дефекты стекла и осевшие на нем пылинки. Они видны на изображении ввиде темных колец, так как расположены перед фокальной плоскостьютелескопа. Такой же эффект дают фильтры фотометра, но диаметр колецбольше, пропорционален расстоянию фильтра от фокуса.Разброс спектральной чувствительностипикселов проявляется в виде обширных участков с более светлым илиболее темным фоном изображения.Итак, в результате экспозиции ФПМ ПЗС получаем изображение из N хМ пикселов, каждый из которых имеет интенсивность S(i, j).

Интенсивностьимеет следующие составляющие:отсчеты, пропорциональные излучению неба Si(i, j) и времениэкспозиции Т с учетом коэффициента передачи K(i, j) всей системы;темновой ток D(i, j), пропорциональный времени экспозиции Т;шумы считывания B(i, j);отсчеты электрического нуля изображения I0:Среднеквадратичное отклонение величины S(i,j)S(i,j) и σ(i,j) имеют размерность "электрон". В реальных системах зарядпопиксельно считывается с матрицы и аналого-цифровым преобразователемпереводится в двоичный код.

Число электронов, соответствующих одномудискрету преобразования, называется ADU (analog-digital unit). При работе среальными изображениями удобнее оперировать с дискретамиинтенсивности, а не с эфемерными электронами.Для получения темнового кадра нужно произвести экспозициюдлительностью Т с закрытым затвором. В результате получится изображениеВычитая U(i,j) из S(i,j), получим Si(i, j)K(i, j). Запишем ошибкурезультатаДабы уменьшить шумовую добавку, вносимую вычитанием, сделаем Lэкспозиций с закрытым затвором и попиксельно усредним полученнуюсерию U(i, j).

Результирующая шумовая ошибка U(i, j) зависит от L и отметода усреднения. При L > 10 она близка кПосле вычитания имеемС ошибкамиОстается совсем немного - получить K(i, j). Достаточно равномернозасветить все пикселы матрицы (плоское поле) и, согласно (5.9), найтиизображение Sf(i, j), отсчеты которого пропорциональны K(i, j). Так как вэтом случае Si(i, j) = const = Sif,Чтобы успешно устранить дефекты поля, нет необходимости знатьабсолютную величину K(i, j).

Достаточно знать относительные изменениякоэффициента передачи от пиксела к пикселу. Известно, что Sif - постояннаявеличина на всем поле зрения матрицы. Далее выбирается такая нормировка,которая доставляет меньше всего хлопот. Например, можно нормировать Sf(i,j) - U (i, j) на средний уровень фона в центре матрицы. ТогдаИ его величина близка к единице. Шумовая ошибкаЧем меньше Sk(i, j) по сравнению с истинной неравномарностью K(i, j),тем точнее мы можем выровнять коэффициент передачи изображения.

Из(5.10) следует два способа уменьшения ошибки. Во-первых, можноувеличить уровень "плоского поля" Sf(i, j); во-вторых, сделать серию"плоских полей" и усреднить их, снизив тем самым Sf(i, j).И последнее действие - деление:Учитывая, что Sk(i, j) много меньше K(i, j), используем формулупереноса ошибок отношения двух случайных независимых величин дляоценки ошибок S0(i, j):Реальные наблюдения показывают, что уровень фона изображения,если нет виньетирования, меняется не более чем на 10-15 %. В еще меньшихпределах меняется коэффициент передачи системы, исключая наиболее"выдающиеся" дефектные пикселы.

Поэтому нет смысла рассчитыватьошибку для каждого пиксела. Достаточно сделать среднюю оценку шумовполя:При рассмотрении формулы (5.11) возникает вопрос: зачем делать всеэти операции, если неизбежно шумы изображения будут ухудшаться? Ответпростой: если эти операции сделаны правильно и аккуратно, то уменьшениенеравномерности поля матрицы c запасом компенсирует шумовую добавку.Кроме того, резко ослабляется влияние откровенно дефектных пикселов напараметры близлежащих объектов.Уменьшение неравномерности поля - важнейший вопрос, от уровнярешения которого зависят предельные возможности наблюдений.Первый вопрос: как получить равномерную засветку? Можнопоставить перед приемной матрицей источник искусственного света.

Можноподсветить подкупольное помещение, которое находится в ближней зонетелескопа и, следовательно, не сфокусировано. Можно сделать короткуюэкспозицию по утреннему или вечернему небу. Почему на заре? Потому чтодостаточно короткой экспозиции, чтобы получить высокий уровень фона, азвезды не успели оставить след на изобрaжении.Однако эти методы не позволяют получить высокую точность, и ихможно использовать при работе с малочувствительными ПЗС-системами. Всетpи способа не дают спектр плоского поля, как у ночного неба, что непозволяет устранить спектральные неоднородности чувствительностиматрицы.Искусственное плоское поле с высокой степенью однородностипостроить очень сложно.

Характеристики

Список файлов лекций