一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法

摘要

一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法属于线阵图像传感器系统的误差校正方法领域，该方法将导致NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的各种误差分为与积分时间成正比的变量部分和一个常量部分，并在此基础上建立系统固定误差的数理模型，设计图像传感器的误差实时测量实验，根据实测结果最终给出基于该模型的固定误差的动态标定与校正方法。该方法摒弃了传统的针对各种误差源，分别从系统硬件设计或图像传感器工作环境条件上采取措施，以求减小测量结果中固定误差的长周期、高成本处理方式。

主权项

一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差进行整体数学建模，具体方法为：根据系统固定误差与积分时间的关系类型，将NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的数学模型表示为：E＝E_R+T×E_D   (1)式(1)中，E表示NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的总量，T为积分时间(单位为秒)，E_D表示随积分时间变化的固定误差在1秒的单位时间内的累积量，E_R表示不随积分时间变化的误差的总量；即图像传感器的m个像元中，任意一个像元的固定误差可以表示为：E_k＝E_Rk+T×E_Dk   (2)式(2)中，E_k是第k个像元的固定误差总量；E_Rk是第k个像元不随积分时间变化的误差的总量；E_Dk表示第k个像元随积分时间变化的固定误差在单位时间内的累积量；步骤二、在无光照条件下进行N(N≥2，N为自然数)次误差测量，获得N组误差测量值，其具体包括如下子步骤：步骤2.1：在无光照条件下，使NMOS线阵图像传感器进行第一次测量，积分时间为T₁，得到由m个像元各自在第一次测量中的输出信号值组成的第一组误差测量值，A_s1＝{E₁₁，E₂₁，……E_k1，……E_m1}   (3)其中，E_k1表示第k个像元在第1次误差测量中的输出信号值；步骤2.2：使用与步骤2.1相同的方法，在无光照条件下，使NMOS线阵图像传感器再进行N‑1次测量，并且使N‑1次测量中每次测量的积分时间按照如下要求进行取值：T₁<T₂<…<T_i<…<T_N   (4)式(4)中，i(i≤N，i取自然数)为测量的次数序号；T_i为第i次测量中积分时间的取值；T₁为第1次测量中积分时间的取值；T_N为第N次测量中积分时间的取值；N‑1次测量后，得到N‑1组误差测量值A_s2，A_s3，……A_si，……A_sN，其中，A_si是由m个像元各自在第i次测量中输出信号值E_1i，E_2i，……E_ki，……，E_mi组成的第i组误差测量值；步骤二中，共获得N组误差测量值A_s1，A_s2，A_s3，……A_si，……A_sN；步骤三、利用步骤二所述N组误差测量值，对步骤一所述像元固定误差数学模型中的未知参数进行求解，m个像元中每个像元都进行一次求解，得到对应的一组误差参数E_Dk、E_Rk；其具体包括如下子步骤：步骤3.1：在步骤二的N组误差测量值A_s1，A_s2，……A_si，……A_sN中，将第一个像元在N次误差测量中的误差输出值E₁₁、E₁₂、……、E_1N取出，将N次误差测量中使用的N个积分时间T₁、T₂、……、T_N取出，根据步骤1所述的误差模型，可以得到m个方程：$\begin{array}{c}{E}_{11}={\hat{E}}_{R1}+T_1\times {\hat{E}}_{D1}\\ E_{12}={\hat{E}}_{R1}+T_2\times {\hat{E}}_{D1}\\ .\\ .\\ .\\ E_{1N}={\hat{E}}_{R1}+T_N\times {\hat{E}}_{D1}\end{array}---\left(5\right)$式(5)中，是第一个像元输出信号值中不随积分时间变化的误差E_R1的估计值；是第一个像元输出信号值中随积分时间变化的固定误差在单位时间内累积量E_D1的估计值；步骤3.2：应用最小二乘法求解式(5)中和$\begin{array}{c}{\hat{E}}_{R1}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left(T_i\right)}^2\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{E}_i-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{T}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left(T_i{E}_i\right)}{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left(T_i\right)}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{T}_i\right)}^2}\\ {\hat{E}}_{D1}=\frac{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left(T_i{E}_i\right)-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{T}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{E}_i}{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left(T_i\right)}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{T}_i\right)}^2}\end{array}---\left(6\right)$式(6)中i取自然数；将和作为第1个像元E_D1和E_R1的数值大小，即：$E_{D1}={\hat{E}}_{D1},E_{R1}={\hat{E}}_{R1}---\left(7\right)$步骤3.3：对于第2、3、…、m个像元中的每个像元，重复步骤3.1、3.2，求出第2、3、…、m个像元中每个像元所对应的E_Dk、E_Rk，即分别求得E_D2和E_R2；E_D3和E_R3……E_Dm和E_Rm；步骤三中，对每个像元都会求解出一组误差参数E_Dk、E_Rk，m个像元总共会有m组误差参数，即E_D1和E_R1；E_D2和E_R2；E_D3和E_R3……E_Dm和E_Rm；步骤四、在用NMOS线阵图像传感器接对外部入射光信号进行测量时，利用步骤二、三得到误差模型与参数，并对测量结果进行校正,其具体包括如下子步骤：步骤4.1：在用NMOS线阵图像传感器每次开始工作时或工作过程中每隔一段时间，遮挡入射到传感器的光信号，按照步骤二、三进行固定误差的实时测量与标定，得到图像传感器系统中m个像元的固定误差参数E_D1和E_R1；E_D2和E_R2；E_D3和E_R3……E_Dm和E_Rm；步骤4.2：固定误差测量标定完成后，NMOS线阵图像传感器正常工作，进行光谱测量，并在每次测量读出时，针对NMOS线阵图像传感器的每一个像元，利用该次测量的积分时间和固定误差标定得到的模型与参数对像元的输出进行校正；某次测量的积分时间为t，m个像元的输出分别为y₁，y₂，…，y_m；m个像元中每个像元固定误差的大小计算为：$\begin{array}{c}{e}_1=E_{R1}+t\times E_{D1}\\ e_2=E_{R2}+t\times E_{D2}\\ .\\ .\\ .\\ e_m=E_{\mathrm{Rm}}+t\times E_{\mathrm{Dm}}\end{array}---\left(8\right)$步骤4.3：利用公式(8)的计算结果，对m个像元的输出分别进行校正：$\begin{array}{c}{\hat{y}}_1=y_1-e_1\\ {\hat{y}}_2=y_2-e_2\\ .\\ .\\ .\\ {\hat{y}}_m=y_m-e_m\end{array}---\left(9\right)$当用步骤一至四所述方法分别求得时，即完成了对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的校正过程。