帧转移型CCD 图像去smear 效应研究
2015年3月07日 15:19 作者:杨小虎 中国科学院长春光学精密机械与物理杨小虎 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 吉林长春 130033
基金项目：国家自然科学基金（41074126） 和国家863 计划（2009AA12Z151）资助课题。
【文章摘要】
作为无快门CCD 的固有缺陷， Smear 效应严重影响其在遥感成像探测领域的应用。通过对帧转移型CCD 成像过程中smear 效应产生机理的分析，提出了一种减小甚至消除smear 效应的方法，即下传虚拟参考行法。利用该方法对一台成像光谱仪输出信号进行校正，很好地实现了smear 效应影响的消除，从而证明该方法的可行性。同时，也证明了下传虚拟参考行法对其他任何类型CCD 的适用性。
【关键词】
去Smear 效应；帧转移型；电荷耦合器件；虚拟参考行
中图分类号：TH391 文献标识码：A
【Abstract】
Smear as an inherent defect of Charge Coupled Device without shutter, has seriously affected the application on remote imaging and detecting. By analyzing the procedure of smear generation on CCD imaging, a method named download virtual reference line has been proposed to decrease or even erase smear. The output of an imaging spectrometer has been corrected by this method, which achieved a good result on removing the effect caused by smear, and proved the method to be available. Moreover, the download virtual reference line method convinced to be useful to any other kind of CCD.
Keywords: Smear removing; frame
【transfer】
CCD; virtual reference line
0 引言
电荷耦合器件（CCD）作为一种成像和数据存储器件，自上世纪70 年代被发明以来，已成为科学界各领域不可缺少的关键要素。CCD 最大的优势在于其容量无限以及数据的可回收性，因而其成为了遥感成像领域应用最广泛的探测接收器件，但不能忽视的是CCD 存在某些固有缺陷，如smear 效应。Smear 效应一般在行间转移CCD、帧转移CCD 以及去掉机械快门后的全帧转移CCD 中存在，它是在CCD 电荷转移期间形成的。Smear 效应不仅影响成像的质量，而且会导致数据探测出现偏差，国际上一般采用添加电子快门或采取一定的算法减小甚至消除其影响。
本文通过对帧转移型CCD smear 效应进行研究，提出了一种减小甚至消除smear 效应影响的方法，并通过实验证明了该方法的可行性。
2 帧转移型CCD smear 效应产生机理
帧转移型CCD 分成像区及存储区两部分，存储区和成像区大小相同或略大， 成像区完成光电转换后，将光电荷快速转移到存储区，再由存储区一行行转移至水平移位寄存器内进而完成读出。CCD 图像生成、转移及读出过程如图1 所示。
如图1 所示，假设成像区中间A 区有恒定圆斑光照，电荷由成像区到存储区进行快速转移时，成像区上部A1 区会随着向下转移过程中依次经过中间A 区圆斑光照曝光，其曝光量Q 即为电荷由成像区转移到存储区时间内对恒定圆斑光照的积分，当电荷快速转移完毕，此时在存储区可以看到A1’区出现拖影即smear 效应； 电荷完全转移到存储区后，继续向下一行行转移到水平移位寄存器进而读出，此时，成像区也会跟着一起进行一行行电荷转移，因而，当存储区中间A’区转移到下部A2’区时，成像区下部A2 区由中间A 区转移而来时接受了恒定圆斑光照曝光，从而产生光电荷，由图可知其曝光量同样
图1 CCD 图像生成、转移及读出过程示意图
Figure 1. Schematic diagram of CCD imaging procedure 014
实验研究
Experimental Research
电子制作
为Q ；当一帧图像恰好完全从水平移位寄存器读出时，存储区也恰好转移完一帧成像区图像，此时转移出的这帧图像只有圆斑一侧出现smear 拖尾；而当进行多帧连续采集时，成像区完成一定时间曝光后便开始转移，与存储区一起形成一种滚筒式电荷转移现象，成像区上部可理解为有无穷无尽的虚拟行不断地补充进来进行曝光及转移，每一行最终都依次通过成像区上、中、下部，存储区上、中、下部以及水平移位寄存器读出，因而任意一帧图像将会出现整列smear 拖影，即圆斑上下都出现拖尾，且由转移机理可知拖尾引起的曝光量都为Q。
值得注意的是，为了尽量消除电荷转移过程中的残留电荷，CCD 通常会在帧与帧之间进行多次清道，以减小残留电荷对有效电荷的影响，然而当最后一次清道完成时，成像区下部A2 区事实上在由中间A 区转移过来时已经进行了曝光，且其曝光量也为Q，此时再重复前面的电荷生成、电荷转移及电荷读出整个过程，这种在输出图像光照区上下都产生smear 效应的现象并没有改变。
2 Smear 影响消除
由前述smear 效应产生机理可知，其产生的原因在于电荷在转移读出过程中成像区始终还在曝光，且对多帧采集时， CCD 成像区整个电荷转移方向的所有像素均受到相同大小的smear 影响。传统的星体探测中通过定位smear 效应并结合周围相邻像素值消除smear 影响的方法，在全像面成像或在像面列方向成像时，这种方法并不可行，因为每一行信号都包括有效信号和smear 效应的叠加影响，不存在相邻像素只受smear 效应影响。此外人为添加电子快门的方式也不可行，因为航天遥感中有一定的帧频及寿命要求。
由前述CCD 滚筒式多帧采集原理，考虑在CCD 读完一帧数据的前提下，继续输出若干行虚拟参考行信号，如下图2 所示的虚拟参考行位置，当CCD 正常曝光时，虚拟参考行可认为完全不存在，而在电荷转移读出过程中，这若干行信号会依次经过成像区曝光，而该曝光量正好是由于smear 效应产生的，其大小反映smear 效应的影响。因此通过时钟脉冲控制CCD 电荷转移时间，使一帧图像转移完毕之后继续转移若干行信号，将前述一帧数据对应减去这若干行信号的平均值即可得到去除smear 影响后的真实有效信号，该方法也称为虚拟参考行法。
3 smear 消除试验
为了验证上述方法的可行性，对一台成像光谱仪CCD 进行smear 效应后续处理，成像光谱仪光谱范围300nm-1000nm， CCD 为英国e2v 公司生产的47-20 系列帧转移型CCD，为了查看smear 现象的大小，外加一片紫外深截止滤光片。图3 左为积分时间80ms 下正常采集的CCD 输出信号，由图可见，在成像光谱仪紫外波段范围，依然有高于两边暗信号二十多灰度值的信号，而紫外深截止滤光片截止效率达10-6 量级，不应该出现光谱漏光现象。利用前述虚拟参考行法，下传CCD 虚拟参考行3 行并取平均，从而给出消除smear 影响后的真实图像如图3 右所示， 可见，消除smear 后紫外被截波段范围内与暗信号在同一水平，从而证明该信号确为其他波段产生的smear 影响。
4 总结
Smear 现象广泛存在于没有机械快门装置的CCD 成像过程中，在微弱信号探测或短积分时间曝光下，其严重影响信号的准确性。本文提出的下传虚拟参考行法测量smear 效应大小简单可行，效果显著，可推广到其他任意CCD 后续数据处理中。
【参考文献】
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【作者简介】
杨小虎（1986-），男，博士，助理研究员，主要从事空间紫外遥感仪器辐射定标及数据处理方面的研究。
图2 下传虚拟参考行示意图
Figure 2. Schematic diagram of virtual reference line download
图3 smear 消除前后信号变化
Figure 3. Signal variation before/after smear removing 015
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