CCD像素响应非均匀的校正方法

分析了造成CCD像素灰度不均匀的原因,提出了一种基于最小二乘法的CCD非均匀校正算法.在不同辐照度下,采集每个像素的灰度值.用最小二乘法估计出辐照度和期望灰度值的对应关系.计算出每个像素的校正参数,形成CCD的校正矩阵.最后,对每个像素的实际灰度值进行校正,实现了在同一辐照度下,各像素灰度响应的一致性.校正前,各像素灰度值的最大偏差为76.5;采用该方法校正后,像素的灰度值最大偏差只有0.001 08.实验结果表明:该方法有效地校正了CCD像素响应的非均匀性.     

多输出CCD接缝校正

针对多输出CCD传感器成像存在接缝的问题,提出了一种基于延时积分（TDI）的校正方法。使用TDI的读出方式对均匀光源成像获得了具有亮度线性渐变的图像数据,建立了获得图像的行平均灰度和行曝光时间关系的模型,通过该模型对CCD每路输出特性进行拟合,校正了CCD多输出的不均匀性,解决了图像接缝问题,并在模拟前端（AFE）完成了校正过程。本方法仅使用一次成像过程,避免了辐照度调整精度对校正精度的影响。与传统的两点法和多点法（16点）相比,提出方法的输出非均匀性分别减少了2.428%和 1.052%,校正效果明显提高。实验显示：本方法校正精度高,实验工作量低,可以广泛用于多输出CCD的接缝校正中。     

CCD像素响应不均匀性的校正方法

从理论上分析了CCD暗电流和光电响应不均匀性产生的原因,根据光电响应模型提出了CCD像素光电响应不均匀性的校正方法,给出了像素光电响应不均匀性的校正系数用以计算校正量;并针对实际情况中干扰光的影响,提出了采用变波长去除干扰方法,对校正方法进行了修正;最后通过仿真对算法进行了验证.结果表明,能量和噪声的不同对算法的影响不大,校正量是随着光信号能量分布变化的,标定过程不受信号的影响,具有自适应性.该校正方法可以有效地减小CCD像素光电响应不均匀性带来的图像噪声.     

星上CCD成像非均匀性的实时校正

研究了时间延时积分(TDICCD)成像产生非均匀性的原因,基于两点校正算法探讨了星上图像非均匀性实时校正的可行性方案。鉴于工程一体化设计的要求,在常用的CCD时序处理器FPGA上实现了硬件实时校正。通过对相机均匀辐射定标,利用FPGA读取前32行TDICCD图像数据进行非均匀性等效灰度值(NUEDN)计算,根据工程经验,设定当NUEDN2时对数字图像进行非均匀性实时校正。硬件实时校正结果表明,均匀辐照下NUEDN可降至0.29。实验室动态目标滚筒成像试验表明,实时校正后TDICCD推扫成像均匀光滑,满足工程需要。     

多TDI-CCD拼接相机非均匀性校正方法

针对多TDI-CCD拼接相机成像存在非均匀性问题,开展了对拼接相机输出图像片内及片间综合校正算法的研究。首先,结合CCD相机特性,介绍了TDI-CCD的工作原理以及拼接相机非均匀性的产生机理。然后,分别对拼接相机片内及片间非均匀性校正的原理进行分析,提出了片内采用两点法校正、片间采用比值平均校正的综合校正算法。最后,对片内及片间综合非均匀性校正的参数标定及校正方法进行了探讨;实验结果表明,在原拼接输出图像存在8.4%非均匀性的条件下,采用片内与片间综合校正法校正后,图像非均匀性达到2.7%。该校正方法基本满足了对TDI-CCD拼接相机非均性校正的指标要求,算法有效实用。     

复合面阵CCD摄影相机的实验室辐射定标

为消除复合面阵CCD摄影相机全像面辐射定标时存在的严重渐晕现象和解决多片CCD之间相对定标目标值选取困难的问题,提出了一种适用于多片CCD的实验室辐射定标方法。该方法对每个像素进行暗信号标定后,修正渐晕区的像素灰度值,通过选取合适的全像面相对定标目标灰度值,最终实现对复合面阵CCD摄影相机的辐射定标。通过分析渐晕区的灰度分布特征,提出了适用于所有曝光时间和辐亮度下的灰度修正方法。分别计算每片CCD灰度值与输入辐亮度之间的多项式拟合系数,选取全局拟合误差最小的一组系数计算对应辐亮度下相对定标目标的灰度值。通过本方法辐射定标后,复合面阵CCD摄影相机的全像面非均匀性由大于20%降至优于2%,绝对定标精度为4.23%。该结果表明本文提出的辐射定标方法适用于多片面阵CCD的辐射定标,定标精度满足航空相机的辐射定标需求。     

多TDI-CCD拼接相机成像非均匀性的校正

针对多TDI-CCD拼接相机存在成像非均匀性问题,开展了对拼接相机输出图像的片内及片间综合校正算法研究.结合CCD相机特性介绍了TDI-CCD的工作原理以及拼接相机成像非均匀性的产生机理.然后,分别对拼接相机片内及片间非均匀性校正的原理进行分析,提出了片内采用两点法校正,片间采用比值平均综合法校正.最后,对片内及片间综合非均匀性校正的参数标定及校正方法进行了探讨.实验结果表明,对存在8.4%非均匀性的原拼接输出图像,采用片内与片间综合校正法校正后,图像非均匀性达到了2.7%,表明该校正方法可基本满足TDI-CCD拼接相机对成像非均性校正的要求,其算法有效实用.     

基于高斯拟合测量CCD灵敏度均匀性

在精密度要求较高的图像测量领域中,CCD灵敏度的不均匀对测量精度有较大的影响。因此,提出了一种基于小孔衍射原理的高斯曲面拟合像面光场测量CCD灵敏度均匀性的方法。由于CCD自身的物理结构设计不均匀性、响应非线性以及暗电流等噪声因素使得光响应偏离实际值,该方法通过对CCD像面上感兴趣光场域进行高斯曲面拟合来确定零点像素的灰度响应。对所有像素测量完成之后通过归一化即可计算出CCD灵敏度均匀性。实验结果表明:对所使用的CCD47-10系列,计算其CCD灵敏度均匀性为2.14%。该测量方法基本满足设计原理简单、稳定性可靠、抗干扰能力强的要求,完成了快速、自动测量。     

光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测方法

提出了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法,该方法首先对被检设备的CCD标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统检测。该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像。根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度。并且将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测。     

TDI CCD相机系统响应非均匀性校正

本文分析了该TDI CCD相机系统响应非均匀性产生的原因,并在分析非均匀性校正算法的基础上,针对线阵TDICCD遥感相机光电响应是线性的这一特点,采用两点定标校正算法,对每片TDI CCD进行了校正,得到了每一片TDI CCD的每一个像元的校正系数并给出了校正前后的统计特征.     

基于加权邻域相关性的显微镜自动聚焦函数

目的：提出了一种基于加权邻域相关性的显微镜自动聚焦函数,并在研究显微镜聚焦原理及成像过程的基础上,分析了显微镜图像中像素邻域灰度相关性及像散现象对聚焦评价的影响。方法：首先,分别计算每幅显微镜序列图像中各像素与其四邻域像素的灰度相关性。然后,计算基于此相关性加权平均值的二次多项式聚焦函数,其中权值根据对应像素与显微镜视场中心的距离来确定。最后,选取该函数值最大的图像为聚焦图像。结果：实验结果表明,与经典的聚焦函数如方差函数、绝对梯度函数、Roberts梯度函数及Tenengrad函数相比,本文方法的聚焦灵敏度因子提高了0.3185~0.3268,噪声环境下聚焦的平均正确率提高了0~40%。结论：该方法能够准确地评价图像聚焦的程度,并具有较高的灵敏度和较强的抗噪性。     

滚动轴承振动性能的混沌特性与不确定性之间的灰关系评估

鉴于滚动轴承振动性能的失效概率分布呈现多变性、非线性、不确定性等特征,提出分别用振动数据序列的Hurst指数和最大熵指标表征滚动轴承振动性能的混沌特性和不确定性。基于滚动轴承服役过程中的振动数据序列,在对数坐标系中运用最小二乘法拟合得到Hurst指数值,判断各个振动序列对应时间段内轴承运行性能状态的混沌特性。运用最大熵法求解各振动序列的最大熵值,进而对轴承振动性能的不确定性进行定量分析。运用灰关系分析法,计算均值归一化后的Hurst指数和最大熵序列之间的灰置信水平,分析轴承振动性能的混沌特性和不确定性之间的非线性相关程度。两个案例中Hurst指数与最大熵序列之间的灰置信水平分别为96.99%和82.1%,表明轴承振动性能的混沌特性和不确定性之间的关系非常紧密。     

CCD像元光电转换率不一致性分析及其修正方法

从理论上分析了CCD像元光电转换率不一致性产生的多种原因。提出了一种简易实用的方法对不一致性进行修正:用照度均匀的光照射CCD,测出每个像元上的光电转换信号大小,计算出像元间的差异,从而得到每个像元的修正系数。对实际CCD的测量值进行这样的修正后使得CCD各像元的光电转换率在表观上达到一致。实验结果表明:通过修正后可以有效地减少像元光电转换率的不一致性,误差均方根提高了一个数量级。     

超高分辨率CCD成像系统的设计

介绍了基于50 Mpixel超高分辨率全帧型CCD芯片KAF50100的成像系统设计方法.该系统采用幕帘式焦平面机械快门对CCD进行曝光控制,CCD输出图像信号在专用模拟前端(AFE)芯片AD9845B中进行处理和模数(A/D)转换后,经现场可编程门阵列(FPGA)缓存和排序,通过低压差分信号(LVDS)接口发送至上位机.系统中所有驱动时序和控制信号均由FPGA产生,上位机通过RS422总线对系统进行命令控制.针对KAF50100四路输出不均匀性问题提出了基于最小二乘法拟合的校正方法.实验验证表明,系统可在KAF50100的最大速度模式下工作,像素读出速度为4×18 MHz,最大帧速为1 frame/s,电路读出随机噪声为2.76@12bit,动态范围为63.4db.该成像系统设计方法可以充分发挥KAF50100的性能,并且具有良好的通用性和扩展性,可以广泛应用于超高分辨率CCD成像系统的设计中,如可见光水下探测、卫星遥感、天文观测等.     

CCD辐射响应函数矩阵的建立与应用

为了能采用物理意义明确的函数式来表述大格式电荷耦合器件(CCD)的性能参数,直观地实现对面阵CCD辐射性能的评价,本文提出利用“辐射响应函数矩阵”概念来表述CCD每个像元的辐射性能参量.首先,分析了该矩阵各元素的物理意义,提出了对CCD每个像元的绝对辐射响应度、响应非线性度、暗噪声、信噪比以及非均匀性的描述方法.其次,对面阵CCD KAI-16000进行辐射性能检测,并利用回归分析计算出各像元的响应系数.最后,以测试结果为例,讨论和描述该矩阵的应用和结果.实验结果表明:该CCD近似成线性响应,通过矩阵函数可以计算出CCD非均匀性为3.1％,暗噪声为3.84.此方法实用,满足对大格式CCD直观表述的要求.     

中心偏移的全景环形图像快速展开

采用机器视觉技术检测管道内表面质量时,获取的原始图像几何中心与其前景区管壁全景环形图像中心存在偏移,从而会使以图像几何中心展开的图像产生失真的现象.本文针对存在中心偏移的全景环形图像提出了快速展开算法以减小由上述原因造成的图像中几何特征量的测量误差.提出的算法通过最小二乘拟合圆心法找到全景环形图像上代表管壁某一截面的拟合圆,继而得到全景图像的中心参数,然后通过四分之一圆扫描方法快速展开全景图像,并对展开图像的帧纵横比进行修正,还原全景图像.实验结果表明:将一幅全景图像环状检测区域展开成分辨率为2 044 pixel×199 pixel的矩形图像所需时间为0.868 s,展开图像中目标外形尺寸相对误差均在1.54％以内,满足图像处理对实时性和准确性的要求.     

CCD数字像元的合并方法及其应用

星载差分吸收光谱仪中的科学级帧转移型电荷耦合器件(CCD)通常使用四行像元合并(4-Binning)方法提升载荷的信噪比,但该方法仅能工作在目标光强较弱的环境。为使载荷适应目标光线较强的环境,设计了数字像元合并方法(4-AVR)来提升载荷的探测能力。考虑相对常规的4-Binning方法,4-AVR方法会产生CCD信号衰减现象,故对这一现象进行了理论分析,得到由于CCD读出速率导致的信号衰减系数为0.699。在实验室搭建了测试装置,验证了上述结果,结果表明,4-AVR方法下获取的CCD像素值相对于4-Binning方法获取的像素值的衰减系数为0.698,从而证实了理论分析的正确性。实验显示,使用这一系数可完成对4-AVR方式下获取的像素值的校正,从而实现两种方法的无差别化。将校正方法作为载荷一级数据处理的一部分,进行了大气痕量气体的反演测试。结果表明数字像元合并方法可保证大气痕量气体的反演精度,进一步验证了数字像元合并方法的可靠性。     

直线度自动检查仪的研制

研制了采用准直激光束作为测量基准轴线、线阵CCD光电器件作为位置传感器、由单片机进行数据采集、处理与测量结果显示的直线度自动检查仪。介绍了系统结构原理以及空间直线度误差的最小二乘评定法数学模型。     

基于全相位谱分析的傅里叶望远镜外场实验数据处理

为了提高傅里叶望远镜(FT)的成像质量,实现对运动目标的高分辨率成像,研究了能抑制由声光移频器移频误差、光学器件偏差及信号采样截断等产生的频谱泄漏且能实时计算信号频率的数据处理方法。首先,采用全相位预处理技术对外场静态目标的采样信号进行处理;通过搜索算法得到每束干涉光的整点频率最大值。然后,基于apFFT谱分析时移相位差校正法计算每束干涉光的真实频率。最后,对非整点频率解调,采用5点最小二乘拟合方法,得到目标的傅里叶分量信息。实验结果表明:与传统方法相比,本文提出的数据处理方法得到的重构图像的斯托里尔比(Strehl)相应提高了3%。另外,本文方法对频谱泄漏的抑制能力更强;对静态目标实验数据进行处理后,重构图像质量有一定的提升;该方法也为运动目标的成像数据处理提供了参考。