帧累积型CCD摄像机
ccd camera of faint light accumulation
钱安平 王一年 王晓刚 沈 益
(南京841研究所，南京 210008)
【提要】 积累型微光ccd摄像机是利用ccd变积累控制技术［2］而研制成功的一种高灵敏度摄像机.该成果所采用的技术路线是提出对微光图像信号进行积分，抑制随机噪声，利用ccd图像传感器具有的电荷积累特性，改变其读取转移时间，延长信号在ccd靶面上累积电荷的时间，从而提高静目标或亚静目标的灵敏度.同时，研制了一系列抑制装置，从而有效地提高了信噪比.
关键词:图像增强，图像累积，噪声抑制
abstract: ccd camera of faint light accumulation is a high sensitivity camera,which makes use of transformed accumulating control technology of ccd.the technology route of this achievement is making integral of faint light image signal,restraining random noise,utilizing the specific property of charge accumulation of ccd image sensor,changing its read-out and shift time and extending charge accumulating time of signal on the target surface,thus increasing the sensitivity of static and substatic-objects.at the same time,a series of electric circuit and peripheral controlling devices are developed for restraining random noise,thus effectively increasing signal-to-noise ratio of system.
key words: image intensify,image accumulate,noise restrain
一、引 言
纵观国内外各种型号的高灵敏度摄像机，不管是“管子”型的还是“ccd”型，提高灵敏度的方法都是在摄像头前接入像增强器.采用这种方法固然有效，但由于其价格昂贵且寿命又短，使之推广应用受到局限性.为此，研制了一种累积型的高灵敏度ccd摄像机，用于对一些静态或亚静态的目标在微弱光照下的图像摄取.
二、基本原理及技术路线的考虑
1.基本原理
此设备的基本原理是利用ccd图像传感器具有的电荷积累特性，改变其读取、转移时间，延长信号在ccd靶面上累积电荷的时间，从而提高静目标的拍摄灵敏度.对于静止目标，由于各帧图像在同一空间位置的信号是相同的.而随机噪声互不相关，且服从泊松分布.
m帧积累后信号功率为：
m帧积累后噪声功率为：信号功率信噪比为：s/n=m2v2s/mv2n=m*(v2s/v2n);v2s/v2n为积累前信噪比，所以经m帧积累后，信号的功率信噪比可提高m倍［1］.
2.技术路线的考虑
(1)ccd传感器噪声对信号质量的影响
(a)ccd传感器电荷转移过程中引入的噪声对信号质量的影响.由于此噪声较大，对信号特别是对弱信号影响很大.为了减少此噪声对积累信号的影响，我们采用了与一般积累方式不同的一系列抑制随机噪声的电路系统及外围控制装置，从而有效地提高了信噪比.
(b)ccd传感器本底噪声的影响.此噪声的大小直接决定了ccd的灵敏度，积累法能提高静态目标的拍摄灵敏度，也可理解为对此噪声的抑制.由于此噪声在空间和时间上的随机性，使得其积累后的平均电平的增长速度远远低于静态目标光象电荷的增长速度，从而使静态目标的光像脱颖而出.
(c)ccd靶面不均匀性引入的噪声对积累信号的影响.在ccd面阵传感器的制造过程中，由于工艺方面的问题，在各“电荷阱”的面积、掺杂深度等方面均会引起不均匀性和缺损，从而产生“疵点”，在这些点上噪声扰动较大.因此经过积累，此点电荷会达到饱和，而在画面上形成亮点、亮线.随着积累时间的延长，亮点、亮线会增加.这些点、线的位置是固定的，不同芯片，点、线的位置、数量也不同.
(2)积累型ccd的限制因素
(a)目标运动速度对积累时间的限制.由于在积累时间内目标的移动会引起图像的模糊，因此目标的远近、移动速度、暂停时间直接影响画面质量.表现在图像细节的损失上，因此设备只能对静止目标，或有暂停的目标及运动不大的图像有效.具体操作上应选择相应的积累时间以获得较满意的效果.
(b)ccd动态范围对积累时间的限制.当积累时间增加时，ccd电荷将达到饱和而溢出，此时再积累将无效，因此ccd的动态范围越大，可积累的时间越长.提高ccd的动态范围是提高ccd可积累时间的一个方法.
(c)背景亮度对积累时间的影响.当背景与目标的亮度差较小时，背景亮度越高，可积累时间越短，否则ccd会饱和而区别不出目标，因此降低背景亮度是工作中应用本设备非常重要的一环.背景亮度包括环境亮度和背景本身的发光亮度，原则上背景光在ccd原灵敏度范围内，可不采用积累方式.
三、电路设计
考虑以上诸因素和影响后，我们提出如下电路设计：视频输入电路、视频放大电路、箝位电路、同步分离电路、帧存电路、积累时间控制电路、转移时序控制电路、同步及同步恢复电路、定格控制电路等.整个系统的各部分电路设计均以可靠、稳定为目标.
四、主要技术参数
通过以上技术路线的考虑及电路的实施，并经过几年的不断改进、完善，96年我们研制成了实用型的累积型微光ccd摄像机.经计量部门测试，主要技术性能达到如下指标：
中心分辨率：≥560tv线；累积时间：0.08s～b门，分12档控制；累积灵敏度：8×10-6lux；光谱响应：300～1000nm；功耗：dc 12v，2.4w；ac 220v，5.0w
五、灵敏度及光谱响应检测
1.灵敏度检测
图1 灵敏度测试简图 (a)测试简图
(b)vgy90-1/1型分辨率靶标
灵敏度测试方法：微光照明由可调谐光源及靶标组成，靶标照度从10-1～10-6lux可调；靶标是透射式美空军标准分辨率靶标，对比度c=0.35(见图1(b))；摄像镜头se1212 f=12mm f=1:1.2.测试前首先把环境照度降至所测目标照度以下，然后用摄像机对准靶标进行不同照度下的测试.测试结果：在分划图案、线条都清晰的情况下，当靶标照度为5×10-4lux,累积时间为1s；当靶标照度为5×10-5lux，累积时间为8s；当靶标照度为8×10-6lux，累积时间为80s以上；最小分辨线条宽度为0.14mm.
2.光谱响应检测
本设备选用的摄像头是敏通公司生产的mtv-1881ex 1/2″ ccd［3］，供方提供的光谱响应曲线范围是400～1100nm(见图2)［2］，对应紫外区的响应情况，我们专门做了200～400nm光谱响应的相对测量.测试设备是pe公司的lambda-15紫外、可见分光光度计.测试方法：第一步测出仪器本身单色器(线宽4nm)输出的各波长的能量曲线，即定标；第二步在条件不变的情况下，把ccd摄像头(不含镜头)放入样品室接收单色光信号，再把ccd的输出连接二次仪表示波器，通过示波器的输出记下ccd对应各波长的输出电压，然后把这些输出电压与能谱图上各波长本身的定标电压进行修正，最后根据修正值作出相对应的光谱响应曲线，
六、本设备的优越性
1.分辨率高：被动式夜视仪由于像增强器分辨率限制在28～33线对/mm，所以整体信噪比很难超过40db，而ccd摄像头的分辨率达到600tv线，从而使整机中心分辨率大于560tv线.
2.光谱响应宽：本设备的光谱响应区域在300～1100nm之间；像增强型设备的光谱响应范围在400～900nm之间.
3.寿命长：ccd的寿命长达上万至几万小时，而像增强摄像机的寿命通常只有2000～3000小时.
4.抗强光能力强：ccd摄像头的靶面能经受几百至上万勒克斯的照射，适应工作能力非常强；而像增强器的靶面通常只能经受10lux以下的光照，虽然这类仪器设有防强光保护电路，但在使用过程中仍有严格的要求，它的正常工作范围在10-1～10-3lux之间.
5.价格低：本设备的整机价格通常只有国外像增强型摄像机的八分之一左右.
综上所述，由于本产品具有诸多的优越性，所以不失为微、弱光状况下静态目标摄取的良好设备.特别适用于公安、保卫、军事夜晚定点监控、靶标观测、材料分析等特殊领域.
参 考 文 献
1 陈钱等.ccd变积累控制技术.敏通科技.1996，8
2 林家明.敏通系列黑白ccd摄像机的近红外特性及应用.敏通科技.1996.8
3 陈永飞等.敏通黑白摄像机mtv-1881ex.敏通科技.1996，9
钱安平 1955年出生，南京841研究所高级工程师，研究室主任.1980年毕业于四川大学物理系，1993年获南京航空航天大学测试工程系硕士学位.多年从事光电子技术领域研究，发表论文10多篇.
王一年 1957年出生，南京841研究所高级工程师，研究室副主任.1982年毕业于南京邮电学院广播电视专业，多年从事视频技术及ccd的研究.
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