CCD的各类噪声及降噪技术

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1、PRLXX,201412(2014)PHYSICALREVIEWLETTERSXXXXXXXXXXXXCCD的噪声及降噪技术王宝斌SY1419204(北京航空航天大学物理科学与核能工程学院)摘要：众所周知，随着CCD的不断发展，应用场合的主见扩大，噪声已经成为CCD进一步发展的障碍。噪声是CCD的重要参数，它是决定信噪比的主要因素之一。我们将从物理基础入手，对CCD的各类噪声进行深入分析，指出CCD不同噪声产生原理，进而对现有的相关采样技术的局限性进行改进，提出一种新的双采样形式，这就是基于可交换带通滤波器的CDS新方法。

2、这种方法较之前存在的技术具有稳定性高、制作成本低等优点。这是对抑制CCD的输出噪声进行的一次有益尝试，将对提高CCD输出信号的信噪比起到积极的促进作用。4PRLXX,201412(2014)PHYSICALREVIEWLETTERSXXXXXXXXXXXX引言随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声研究成为阻碍CCD进一步发展的障碍。噪声是CCD的一个重要参数。它是决定信噪比的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增

3、加势必要减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。为了扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声。CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并且限制了信号电荷包的最小值。对微光CCD探测器来说，这就是说先治疗它的探测下限。CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD动态范围内，图像信号随目标亮度线性变化时尽可能消

4、除这些噪声和干扰。为了提高信噪比必须对CCD输出噪声种类、特性有比较深入的了解，然后才能有针对性的对产生机理不同、来源不一样的噪声采取相应的方法进行抑制。如果对于CCD的噪声不采取相应的措施进行抑制和降低，那么这种器件本身所具有的一些特性如高分辨率、高精度等就会受到影响，不利于CCD及相关产品的进一步发展。所以，本文对于CCD噪声的研究是非常有必要的，研究CCD的噪声进而采取相应的措施来抑制和消除它的影响势必会对CCD及相关产品的发展起到积极的促进作用。1.CCD的各类噪声源CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信

5、号，其中夹杂着各种噪声和干扰[1]。为了提高信噪比，必须对存在的噪声进行抑制。CCD的主要噪声源可以概括为以下几种：光子散粒噪声、暗电流噪声、KTC噪声和固定图形噪声。下面对这些主要噪声源进行分析[1]。1.1暗电流噪声暗电流噪声的产生来自水平CCD和垂直CCD发生的暗电流[2]，暗电流是基于在能级深处的电子因高热激发而产生的，其发生过程是没有规则的，瞬时观察其产生的电子数并不相同，这就是暗电流噪声。暗电流噪声等效电子数为暗电流信号产生电子数的平方根，公式中，为暗电流电子数。4PRLXX,201412(2014)PHYSI

6、CALREVIEWLETTERSXXXXXXXXXXXX所以要减小暗电流噪声，必须减小暗电流信号。即使CCD处于不工作的状态，由于光电二极管内部热运动产生的少数载流子也会逐步填充势阱，在驱动脉冲的作用下被转移，并在输出端形成电流，即暗电流。抑制暗电流噪声的方法有两种：第一降低CCD器件的工作温度，当CCD工作温度低于零下30摄氏度时，暗电流基本可以忽略；第二，利用水平CCD两端的少量哑像元，对哑像元输出信号采样，在保证外部环境与积分时间相同的情况下，将CCD有效像元采样信号与哑像元采样信号相减，消除暗电流噪声。1.2复位噪

7、声复位噪声一般又称为KTC噪声。复位噪声的产生与CCD输出结构有密切联系，复位噪声通常产生于输出检测单元为浮置扩散放大器结构的CCD中。浮置扩散放大器结构如图所示。每次信号的读取都以单个电荷包的形式出现在放大器的栅节点上，每个信号电荷包产生的电压变化被读出后，输出MOSFET的栅节点需加以复位。由于电阻热噪声的影响，每一次复位操作都将产生复位噪声。复位噪声所产生的等效电子数为式中玻尔兹曼常数为，为CCD工作温度。由于复位噪声与以上三个参数有关，所以亦称KTC噪声[3]。从式中可知输出电容越大、温度越高，复位噪声就越大。采用

8、相关双采样法可以使KTC噪声等效电子数从几百个减小到十几个甚至更小。1.3光子散粒噪声即使光强一定，由于光的粒子特性，同一时间内存入光电二极管内的光子数量也不会相同。这样的变动特性称为光子散粒噪声。它可以近似用离散型泊松分布函数表示式中，τ为光照时间，n为在τ秒内的光粒子数，α为每秒发出粒子的平均数。光