一種紫外ccd花樣的平場矯正方法
【專利摘要】一種紫外CCD花樣的平場矯正方法：(1)至少采集5-10幅窄波平場圖像；(2)對采集的窄波平場圖像進(jìn)行處理，去除圖像中的本底信號，并將圖像合并為一幅平場圖像；(3)從平場圖像中進(jìn)行成份分離，分離出平場圖像的大尺度成份和小尺度成份；(4)根據(jù)上述確定的大尺度成份及小尺度成份，合成不同比率R下的修正平場圖像；(5)利用上述修正平場圖像對任選一幅真實(shí)的觀測圖像進(jìn)行定標(biāo)處理，根據(jù)定標(biāo)后得到的觀測圖像信號確定最優(yōu)的修正平場圖像及對應(yīng)的比率R；(6)利用上述確定的最優(yōu)修正平場圖像對紫外CCD相機(jī)的觀測圖像進(jìn)行平場定標(biāo)處理，完成其花樣的矯正處理。
【專利說明】一種紫外CCD花樣的平場矯正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紫外CCD花樣的平場矯正方法，應(yīng)用于紫外波段CCD測光天文觀測圖像的定標(biāo)處理=CXD花樣的平場矯正。

【背景技術(shù)】
[0002]CCD (Charge Coupled Device:電荷藕合器件圖像傳感器)相機(jī)是現(xiàn)代天文觀測中最為流行的終端設(shè)備，在現(xiàn)代天文觀測數(shù)據(jù)處理過程中，平場的處理是對CCD相機(jī)觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)的基本處理步驟之一。其主要的物理機(jī)制為:CCD是由許多個(gè)光敏像元按一定規(guī)律排列組成的一個(gè)面陣。面陣中的每個(gè)像元就是一個(gè)MOS電容器(大多為光敏二極管)，當(dāng)有I束光線投射到MOS電容器上時(shí)，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入MOS電容器襯底，最后光子轉(zhuǎn)換為電子，以電信號輸出。光子轉(zhuǎn)換為電子的效率稱為QE,由于制造工藝的限制，對于不同像元的光電轉(zhuǎn)換效率QE會有微小的差異這種差異被稱為像元之間的響應(yīng)差異?！捌綀觥本褪菍@一響應(yīng)差異進(jìn)行矯正和定標(biāo)處理的方法。標(biāo)準(zhǔn)的“平場”方法原理為:將照度均勻的光打在CCD像元陣面上，最后的每個(gè)像元的輸出電荷差異即為由以上不同像元的QE差異引起的不同。將這一平場圖像進(jìn)行歸一化，即除以圖像中所有像元響應(yīng)的中值，這樣會得到每個(gè)像元在I附近的響應(yīng)效率，對應(yīng)于觀測圖像中每個(gè)像元的真實(shí)觀測值除以對應(yīng)像元的響應(yīng)效率即可實(shí)現(xiàn)平場的處理，完成像元響應(yīng)差異的矯正。
[0003]在紫外波段的觀測(200nm-350nm)中，由于CXD本身的構(gòu)造和加工工藝特性，CXD的像元響應(yīng)差異一般會在觀測圖像中呈現(xiàn)出類似魚鱗狀的花樣，業(yè)內(nèi)也有人稱為結(jié)構(gòu)性花樣。該花樣的峰峰起伏為10%-15%，嚴(yán)重干擾天文觀測的數(shù)據(jù)測量精度。同時(shí)，對于不同的CCD，花樣的輪廓是不同的。并且具有隨機(jī)性和時(shí)間上的可變性(數(shù)月的時(shí)標(biāo)內(nèi)會有變化)。這就要求在空間天文觀測中，有在軌的平場燈光源進(jìn)行在軌平場圖像的獲取。由于紫外CCD的結(jié)構(gòu)性花樣對于光源的譜段覆蓋存在依賴關(guān)系的特殊性，因此要求平場光源必須與實(shí)際觀測光源譜段覆蓋一致。而在實(shí)際的空間天文觀測儀器中，由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，平場的光源一般采用LED燈，而LED燈的譜段覆蓋相對非常窄。例如，我國的月基紫外天文望遠(yuǎn)鏡，儀器上的LED平場燈光源譜段寬度為10納米左右，而實(shí)際觀測的譜段寬度達(dá)上百納米。這就導(dǎo)致一個(gè)問題:直接使用LED燈無法正常去除CCD圖像中的結(jié)構(gòu)性花樣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種紫外CCD花樣的平場矯正方法。解決了窄波段平場光源(如LED燈)無法矯正寬波段觀測圖像中的結(jié)構(gòu)性花樣的問題(在我國的月基紫外天文望遠(yuǎn)鏡觀測的平場處理中起到了關(guān)鍵作用)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種紫外CCD花樣的平場矯正方法，步驟如下:
[0006](I)至少采集5-10幅窄波平場圖像；
[0007](2)對步驟⑴中采集的窄波平場圖像進(jìn)行處理，去除圖像中的本底信號，并將圖像合并為一幅平場圖像；
[0008](3)從步驟⑵中得到的平場圖像中進(jìn)行成份分離，分離出平場圖像的大尺度成份Fuj和小尺度成份Fsij ；
[0009](4)根據(jù)上述確定的大尺度成份Fuj及小尺度成份Fsij，合成不同比率R下的修正平場圖像；
[0010](5)利用上述修正平場圖像對任選一幅真實(shí)的觀測圖像進(jìn)行定標(biāo)處理，根據(jù)定標(biāo)后得到的觀測圖像信號確定最優(yōu)的修正平場圖像及對應(yīng)的比率R ；
[0011](6)利用上述確定的最優(yōu)修正平場圖像對紫外CCD相機(jī)的觀測圖像進(jìn)行平場定標(biāo)處理，完成其花樣的矯正處理。
[0012]所述步驟(4)中的修正平場圖像合成公式如下:
[0013]F' Jj = [ (Fsij-Median (Fsij)) *R+Median (Fsij) ] *FLiJ.
[0014]其中，MedianO為中值運(yùn)算符。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016](I)本發(fā)明降低了紫外C⑶觀測中對于平場光源譜段覆蓋寬度的限制。從而為空間天文觀測的平場設(shè)備構(gòu)造變得簡單而有效提供技術(shù)支持。
[0017]現(xiàn)有的方法有:“標(biāo)準(zhǔn)平場”方法要求平場光源與觀測的光譜覆蓋寬度一致，由于技術(shù)的限制，空間天文觀測的儀器一般采用LED燈，難以滿足這一要求?！疤煳狞S道光平場”方法是用黃道光作為光源，因?yàn)辄S道光很弱，需要許多幅重復(fù)觀測(上千幅)的天文圖像疊加來獲取。有時(shí)無法獲取黃道光，如果我國的月基紫外天文望遠(yuǎn)鏡觀測由于雜散光(來自來太陽)很強(qiáng)，較弱的黃道光平場難以用來做平場光源。本發(fā)明方法是目前我國月基紫外天文望遠(yuǎn)鏡觀測中唯一能實(shí)現(xiàn)該紫外CCD觀測中結(jié)構(gòu)性花樣進(jìn)行矯正的方法。
[0018](2)本發(fā)明通過研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要規(guī)律:不同譜段覆蓋寬度(紫外段)的光源在紫外CCD上產(chǎn)生的結(jié)性花樣直接影響的是對比度的差異，而形狀是完全一致的。利用這一規(guī)律，通過對不同響應(yīng)成份進(jìn)行分離和最優(yōu)化分析，將LED燈的平場圖像花樣的對比度調(diào)整到與目標(biāo)觀測圖像的花樣對比度一致，即為改正后的LED平場圖像，最后利用該改正圖像按標(biāo)準(zhǔn)的“平場”方法即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性花樣的完全去除，從而達(dá)到測光精度的提高。為提高紫外天文觀測數(shù)據(jù)的處理精度提供必要的處理技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明方法適用空間紫外CCD天文觀測數(shù)據(jù)的基本定標(biāo)處理，是在正常的與觀測譜段一致的標(biāo)準(zhǔn)平場圖像難以獲取情況下的一種實(shí)用有效的數(shù)據(jù)平場處理方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的紫外CXD結(jié)構(gòu)性花樣矯正流程圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的平場圖像中兩種信號成份分離的流程圖；
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例子中的紫外CCD結(jié)構(gòu)性花樣輪廓圖；
[0022]圖4a、4b分別為本發(fā)明實(shí)施例子中的LED燈平場圖像修正前后比較圖；
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例子的不同修正比率與矯正結(jié)果的相關(guān)比較圖；
[0024]圖6a_6d為本發(fā)明實(shí)施例子中矯正方法使用前后的對比圖；
[0025]圖7為本發(fā)明實(shí)施例子中矯正方法對測光結(jié)果影響對比圖；

【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明利用望遠(yuǎn)鏡上已有的窄波段光源(例如LED燈)產(chǎn)生的平場圖像，通過對這一平場圖像進(jìn)行大尺度成份和小尺度成分兩種信號的分離，將小尺度信號調(diào)整對比度后重新合成為一個(gè)修正后的平場圖像，利用這一修正的平場圖像對實(shí)際觀測的測試圖像進(jìn)行平場定標(biāo)處理。通過迭代優(yōu)化過程選取最優(yōu)化的修正平場圖像，利用這一平場圖像即可對實(shí)際觀測圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)性花樣的矯正處理。其具體實(shí)施過程如圖1如所示:
[0027](I)窄波平場圖像的獲?。话凑仗煳牡钠綀龀Ｒ?guī)要求，一般采集5-10幅左右的窄波段平場圖像，主要依據(jù)為:一般情況下越多的圖像觀測信噪比越高，但同時(shí)讀出噪聲又會隨圖像數(shù)目的增加而增加，考慮這兩者的平衡，在天文觀測的數(shù)據(jù)處理中采用5-10幅即可。
[0028](2)窄波段平場圖像的基本處理；對以上獲取的平場圖像進(jìn)行:減本底處理和圖像合并處理。其中減本底的處理過程為:①為提高信噪比和大的隨機(jī)干擾噪聲，需要獲取10-20幅的本底信號圖像(即零秒曝光圖像)。②合并本底信號圖像，根據(jù)公式:Bcu =Median(Bnij (η = I~I)),其中Bcij為合并后圖像的(i, j)像元處的信號！Bnij為第η幅圖中(i，j)像元處的信號，I為總圖像幅數(shù);Median()為中值運(yùn)算符，對一組圖像(共I幅)求中值。③去除本底信號=Fij = Frawij-Bcij,其中，F(xiàn)rawij為觀測的未去本底的原始圖像，其中Fij表示去除本底后圖像在第i行第j列像元的響應(yīng)信號。平場圖像的合并處理與上述第②步本底圖像合并處理方法一致。
[0029](3)窄波段平場圖像的兩種成份分離處理；該步驟的處理流程如圖2所示。最后分離出平場圖像中的大尺度成份:FUj和小尺度成份:FSij。大小尺度成份是對利用本發(fā)明處理方法得的兩個(gè)成份分量的稱呼。在本發(fā)明的處理中，背景起伏變化的尺度大于結(jié)構(gòu)性花樣典型尺度的為大尺度成份，而起伏小于結(jié)構(gòu)性花樣典型尺度的為小尺度成份。不同的紫外CCD其結(jié)構(gòu)性花樣的典型尺度會略有不同，可根據(jù)實(shí)際情況選取較有代表性的花樣測量其輪廓尺度，具體選取方法見本發(fā)明圖2流程①的說明。
[0030]圖2為平場圖像中兩種信號成份的分離流程圖，主要實(shí)現(xiàn)分離大尺度和小尺度變化兩種信號。主要步驟如下:
[0031]①將平場圖像分成若干個(gè)子格，每個(gè)子格的大小為結(jié)構(gòu)性花樣的典型輪廓尺度。如圖3的方框所示為一個(gè)典型結(jié)構(gòu)性花樣的輪廓尺度，在CCD圖像中選取一個(gè)中等花樣輪廓尺度作為典型的花樣輪廓尺度。對于不同的紫外CCD花樣輪廓的大小會有不同，在本發(fā)明的實(shí)施例中，其尺度為128X128像元。
[0032]②計(jì)算每個(gè)子格的典型背景值；首先計(jì)算均值m和方均根σ值，即

【權(quán)利要求】
1.一種紫外CCD花樣的平場矯正方法，其特征在于步驟如下: (1)至少采集5-10幅窄波平場圖像； (2)對步驟⑴中采集的窄波平場圖像進(jìn)行處理，去除圖像中的本底信號，并將圖像合并為一幅平場圖像； (3)從步驟(2)中得到的平場圖像中進(jìn)行成份分離，分離出平場圖像的大尺度成份Fuj和小尺度成份Fsij ； (4)根據(jù)上述確定的大尺度成份Fuj及小尺度成份Fsij,合成不同比率R下的修正平場圖像； (5)利用上述修正平場圖像對任選一幅真實(shí)的觀測圖像進(jìn)行定標(biāo)處理，根據(jù)定標(biāo)后得到的觀測圖像信號確定最優(yōu)的修正平場圖像及對應(yīng)的比率R ； (6)利用上述確定的最優(yōu)修正平場圖像對紫外CCD相機(jī)的觀測圖像進(jìn)行平場定標(biāo)處理，完成其花樣的矯正處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紫外CCD花樣的平場矯正方法，其特征在于:所述步驟(4)中的修正平場圖像合成公式如下:
F' ij = [ (Fsij-Median (Fsij) )*R+Median (Fsij) ]*FLij 其中，MedianO為中值運(yùn)算符。
【文檔編號】G06T7/00GK104166997SQ201410397693
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】吳潮, 魏建彥, 曹莉, 裘予雷 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺