基于某信噪比地分析報告

基于信噪比理論的光電成像系統(tǒng)性能分析與評價摘要，從提高系統(tǒng)信噪比的角度，提出了幾點改進系統(tǒng)成像質(zhì)量的建議。關(guān)鍵詞：信噪比，光電成像前言：的還應(yīng)當(dāng)屬于光電二極管。即使是對于常見到的CCD以及CMOS固體成像器件，接下來的爭論中，將以光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件的代表進展分析爭論。光電成像器件的噪聲來源：應(yīng)的信號處理；最終，最終輸出可供目視判讀的目標(biāo)景物圖像。行噪聲的分析。其中，對于一個完整的系統(tǒng)來說，其誤差來源可以分為外部誤差來源和內(nèi)部誤差來源。之前,由于大氣層中的分子散射和氣溶膠散射等緣由的存在,造成了傳播中的能成輻射能量衰減的主要緣由,最直接的結(jié)果將會是對光譜輻射透過率產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)大氣的散射作用對目標(biāo)物發(fā)出的輻射作用很大時,就會使目標(biāo)信號完全被噪聲噪聲干擾所漂移而無法被探測到,這對于光電成像系統(tǒng)的正常使用是極為統(tǒng)內(nèi)部各種噪聲都是隨機變量,在探測器的輸出中,總存在一種不行預(yù)見的起伏,對信噪比影響比較大。以下，將對各局部的噪聲狀況做進一步的分析。外部噪聲：外部的背景噪聲主要有三局部:太陽光、地面反射和其他物體的漫反射光。300K10μm2μm地球輻射相對于太陽背景很小,可以不考慮;由于光電成像系統(tǒng)前端的光學(xué)鏡頭上常使用濾光片或鍍膜等一些措施,反射光在很大程度上被抑制,也可近似無視;光噪聲源。內(nèi)部噪聲：聲以及后續(xù)電路中的噪聲。的探測力氣有較大的影響。對于光學(xué)成像系統(tǒng),其點集中函數(shù)一般可承受對稱高斯分布函數(shù)來表示，如

h(x)exp2x20 x2o 式中o

H(x)expu20 2 式中σ光學(xué)響應(yīng)指數(shù)；xo

小時σ變大;H(u)反映光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)特性。得知光o也即可以得出在該過程中的信噪比。光電轉(zhuǎn)換及信號處理過程中的信噪比：Np

。式中，NSpS

為光子噪聲強度，S為信號強度。ItdintNItdintd

d

tint

為積分時間。實際上，溫的暗電流噪聲可以無視。由以上噪聲分析可知，光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的的信噪比模型可以表示為SQtc(Sc(SB)QtItN2c d r

式中，S為固體成像器件上的光子流，單位為光子數(shù)／像素／秒；BS于很多因素。通常為雜散光，假設(shè)信號是光的唯一的來源的話，B0；QIItd

為暗電流大小，單位與Sd一樣，如上所述，N d

，Nr為讀出噪聲，單位為電子數(shù)均方根／像素。器件在寬帶寬輻射源下曝光時，上述公式必需在全帶寬上進展積分。SNR 項可以無視不計因此在這個區(qū)域內(nèi)信噪比可以簡化為SNRr： r

SQctNr 檢NSQ(SSQ(SB)QIcctdoSNRo：流噪聲，此時間子噪聲在圖像數(shù)據(jù)中占主導(dǎo)地位。根。通常狀況下,光電檢測電路接收到的是隨時間變化的光信號,其特點是單一頻率或包含著豐富的頻率重量的交變信號。當(dāng)信號格外微弱時,由于背景噪聲、電路熱噪聲的影響,會遇到有用信號疊加上無用信號的問題,這些噪聲有的是與處將從噪聲電路的En-In模型動身,用解析的方法導(dǎo)出了光電檢測過程中的信噪比的公式，從而提出消退或減弱干擾噪聲的可行方法。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的噪聲模型：RfRfCIsVoutPHOTO圖1硅光電二極管運算放大器組合電路1R (Rf )//R Rfin 1A id 1A式中R為放大器開環(huán)輸入阻抗,對于場效應(yīng)管作為輸入級的狀況下,R>id1010Ω,AA>106,因此,Rin

id22Is

為光電二極管的光電流,Ins

為光電二極管散粒噪聲,它是由PN結(jié)中PNRd

,Ind

為內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲電流,它是由自由電子在電阻材料中隨機運動所產(chǎn)生的。C0

為電路的布線電容。E、Inn分別為放大器等效輸入噪聲電壓密度和等效輸入噪聲電流密度,則放大器等效輸:EN=EΔf,IN=IΔf,rn n i阻,Enf

Rf

,r0

為放大器的輸出電阻,一般有r0

Rf噪聲計算中可略去不計,因而光電流Is

通過反響回路Rf

在r上產(chǎn)生的電壓降可以0略去。中，一般通過對電路的優(yōu)化設(shè)計來減小讀出噪聲。(1)光(2)輸入回路中光電二極管的內(nèi)阻Rd

和放大器的反響電阻Rf

Rd

的大小取決于二極管的選擇,選用小面積的光電二極管,并在較低溫度下工作,可以得到較大的R值,dRf

阻值,既有利于信噪比改善,也有利于提高電流電壓轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換系數(shù)。(3)放大器的等效輸入噪聲電流電壓及失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響。在總等效輸入噪聲電流中,放大器產(chǎn)生的噪聲電流占主調(diào)整時能加以補償,但是漂移的影響將在電路的輸入端造成噪聲,所以選擇或設(shè)計失調(diào)電壓和失調(diào)電流較低、噪聲性能更優(yōu)的放大器是至關(guān)重要的。系統(tǒng)的信噪比：系統(tǒng)參數(shù)、成像器件的選擇和后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計有很重要的參考意義。信噪比定義為目標(biāo)輻射在探測器像面上產(chǎn)生的信號電子數(shù)和噪聲電子數(shù)之S聲電子數(shù)。

SNR20lg

eNe式中：Se

為信號電子數(shù)；Ne噪聲的主要來源，在這里僅就探測器噪聲對信噪比的影響加以分析和估算。當(dāng)不同的噪聲之間統(tǒng)計獨立時,依據(jù)中心極限定理,相加所得的隨機變量近n

4kTf2 2e(G n n n

AR Ir r

)fG2d RL

式中τn光通過光學(xué)系統(tǒng)的傳輸效率,Gn

為系統(tǒng)對背景光的光學(xué)增益,Mr

為系統(tǒng)所在平面的R

為探測器的平均光譜響應(yīng)率,Ir電流,k為玻爾茲曼常數(shù),T為確定溫度,RL

λ d為系統(tǒng)內(nèi)部等效電阻。在探測過程中,雖然有很多噪聲源,但是只有一些是主要的,噪聲可表示為n2n2phn2 n2 n2thro1fnoise式中:n為光子噪聲電子數(shù);n為熱噪聲ph th等效電子數(shù);nro

為讀出噪聲;n1/f

1/f噪聲。在相對長的積分時間里,1/f

N noise

n2n2ron21fn2

v2Cro

2int

2Iqn2 Iq

t2 lnmro q2

1f 21 f1 f

2v為光電探測器的讀出均方ro根電壓噪聲;I1/f

為噪聲電流;Cint

為光電探測器的等效積分電容;m為掃描幀數(shù)在慮的光譜范圍為(0.4-2.5)μm,我們期望系統(tǒng)能夠工作在光子噪聲限下,光子和1/ft總結(jié)：通過以上對信噪比的分析可知,系統(tǒng)探測力氣主要是受背景干擾下造成的成像系統(tǒng)的重量，尺寸，造價等方面的要求。因此，要依據(jù)實際的應(yīng)用場合和要統(tǒng)的成像質(zhì)量，可實行相應(yīng)的措施。比方，承受光學(xué)全反射成像系統(tǒng)來提高光學(xué)為了減小背景輻射帶來的噪聲的影響，可考慮在夜晚進展觀測,這時的背景干擾較好的信噪比。并且，還可以在后續(xù)的信號處理電路中參與濾波電路，最大限度像系統(tǒng)的信噪比。參考文獻：陳錦,袁艷，李立英,目標(biāo)探測的信噪比分析[J]，應(yīng)用光學(xué)2023(6)[J]，光學(xué)技術(shù)2023(3)[J]，科學(xué)版)2023(12)[J]，2023(11)，TDICCD[J]，航天返回與遙感2023[J]，半導(dǎo)體光電2023(10)劉湘寧，光電探測器的噪聲分析[J]，青海師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2023(4)[J]，應(yīng)用根底與工程科學(xué)學(xué)報2023(9)[J]，光學(xué)技術(shù)2023(1)鄒異松，電真空成像器件及理論分