电子倍增CCD成像自动增益控制算法及其实现(2)
微光夜视传感器件是微光夜视技术中的核心器件。传统的微光成像器件已不能满足人们的需求，电子倍增CCD（EMCCD）的出现，为微光和夜视技术的发展注入新的活力，为微光成像技术开辟了崭新而重要的研究领域。
EMCCD技术是一种全新的微弱光信号增强探测技术，其最大的特点在于读出寄存器后自带了电荷载流子倍增寄存器（CCM),在信号电荷进入读出放大器之前，利用碰撞电离来实现光生电荷的几乎无噪声的倍增，从而实现了对极微弱信号的实时快速动态探测。随着最新芯片电子倍增技术的解决，EMCCD在超弱光生物成像方面的应用日渐增多，在微光监视、生物分子探测以及天文探测等方面得到越来越广泛的应用，并且，在微光成像，航天探测微弱星光，航空及水下探测，复杂设备内部检测，医学和生物等重要国民经济领域均可使用，应用前景非常广泛。
微光图像与一般的可见光图像不同在于，它是经过多次光电转换和电子倍增后形成的，所以不仅与夜晚的天气情况和景物的反射率分布有关，还与增益有关。微光图像有很低的对比度，非常狭窄的灰度级分布范围，低增益下无法探测到微弱目标，高增益下会导致图像的饱和，因此增益的选择对EMCCD成像效果十分关键，这就要求配合自动增益控制（AGC）技术。
自动增益控制算法的设计使得系统自动获取符合人眼观察的清晰图像得以实现。不管军用还是民用，自动增益控制所带来的自动摄像系统都有着很大的现实需求。因此，对微光成像技术中EMCCD成像自动增益控制算法的研究将是一项重要的研究课题，且向着实时、高效、准确等方向进一步优化。
1.2 研究现状
1.3 本文的研究内容
电子倍增CCD（EMCCD）对微弱光线具有极强的探测能力，这得益于EMCCD中的电子倍增效应。通过对EMCCD倍增极施加不同的电压可以得到不同的增益值，增益过小无法探测到微弱目标，增益过大会导致图像的饱和，因此增益的选择对EMCCD成像效果十分关键。本课题要提出电子倍增CCD成像自动增益算法，通过FPGA实现CCD自动增益功能，得到最佳的成像效果。
本文的研究工作主要包括以下几个方面：
（1）通过查阅国内外文献资料，回顾列举目前针对普通CCD的自动增益控制算法，了解EMCCD自动增益控制的研究空白；
（2）了解近年来新型微光夜视成像器件及电子倍增CCD的发展概况，对本设计所用的Impactron系列的TC253SPD-30型EMCCD的原理和构造进行了解，深入研究EMCCD的成像过程以及它的一些性能。
（3）在查阅大量论文、专著以及专利的基础上，提出基于固定目标灰度级的自动增益控制算法，包括直接设置法和迭代法两种方法。
（4）对迭代法实现EMCCD成像系统增益值的自动调节进行深入研究。根据功能共分直方图统计、求均值、迭代比较三个模块。算法程序采用VHDL语言编写，并在FPGA硬件平台上实现，验证其可行性。
（5）对本文工作进行了总结，并对以后工作进行了展望。
2 EMCCD技术及其应用研究
2.1 EMCCD的发展
众所周知，限制普通固态光电器件在低照度条件下应用的瓶颈是光生电荷信号太微弱，以至于信号往往湮没在本征噪声中。因此，只有实现光生信号电荷的放大倍增，使得微弱的原始信号被放大后高于本征噪声，才可以使普通固态光电器件应用于低照度环境。借鉴雪崩光电二极管的工作机制，上世纪80年代，研究人员提出了电荷雪崩图像传感器的概念。电荷雪崩图像传感器以现有的图像传感器为基础，借助于高能载流子的碰撞电离效应实现光生电荷信号的倍增。其原理是：光生电荷在强电场作用下，加速运动并高速撞击硅晶格产生新的电子一空穴，新的电子一空穴与原始光生电荷共同组成倍增后的信号，从而实现了光生电荷信号的倍增[9]。
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