CC BY
149
УДК 621.397
И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева
К уточнению оценки отношения сигнал/шум в телевизионном датчике на ПЗС-матрице
Рассматриваются вопросы определения отношения сигнал/шум в телевизионном датчике на ПЗС-матрице с учётом уточнённых значений числа сигнальных и фоновых фотоэлектронов.
Ключевые слова: ПЗС-матрица, фотоэлектроны, отношение сигнал/шум.
С учётом работ [1-5] отношение сигнала к шуму на уровне сигнала в телевизионном датчике на ПЗС при отсутствии фоновой засветки целесообразно оценивать по формуле
VI =
п.,
^фт + N
'фт -ПЗС
где псс - число сигнальных фотоэлектронов, соответствующих полезному сигналу (превышению сигнала над фоном); -ПЗС - среднеквадратическое (СКО) отклонение шума ПЗС-матрицы (собственные шумы ПЗС-сенсора и видеотракта); -фт - СКО фотонного
шума потока излучения от изображения объекта.
Фотонный шум подчиняется закону Пуассона, в соответствии с которым он принимается равным квадратному корню из числа сигнальных фотоэлектронов, т.е.
-фт =^псс . К сожалению, в работе [5] в некоторых формулах допущены опечатки: вместо пс должно быть псс , а в формуле (6) нужно исключить б2 .
Собственные шумы ПЗС-сенсора обусловлены многими факторами: тепловыми шумами в полупроводнике, шумами переноса зарядов, шумами выходного устройства преобразователя заряда в напряжение на выходе ПЗС и др.
За величину псс мы будем принимать число фотоэлектронов, соответствующих полезному сигналу, т.е. псс = пс -Пф , где пс - общее число сигнальных электронов на уровне сигнала с учетом фоновых фотоэлектронов (рис. 1).
1,3
пс 1,1
0,9
0,7
0,5
0,3 пф
0,1
пс
Пс
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51
Рис. 1.Число фотоэлектронов на выходе телевизионного датчика
п
t
И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева. К уточнению оценки отношения сигнал/шум
181
При наличии фона, которому соответствует число фотоэлектронов от фона Пф , отношение сигнала к шуму на уровне фона запишем в виде
псс
У1ф
^ + М1
фт; 'пзс
Для обеспечения заданного У1ф необходимое значение псс должно быть равно
псс =^1ф^пф + мпзс .
При оценке отношения сигнала к шуму на уровне сигнала
псс
У1с =
л/ПС
(1)
+ пф + МПЗС
Необходимое значение псс, при котором обеспечивается заданное У1с, найдем из выражения (1). Оно получается равным
псс = 0,5¥
1с
1 + 1 + мПЗС)
откуда находим пороговое значение псп , при котором = 1, т.е.
псп = 0,5
1 + л 1
^1 + 4(Пф
+ мпзс)
В телевизионных системах контроля для обеспечения минимизации погрешности измерения временного положения фронта видеоимпульса выбирается оптимальный порого-
Пс
вый уровень, отсчитываемый от уровня фона, т.е. ¡п = ——, который лежит в пределах,
псс
близких к уровню максимальной крутизны сигнала или несколько ниже, в зависимости от доли нестационарности шума [6]. Тогда отношение полезного сигнала к шуму на уровне порога будет равно
Усп =
Пс
пс + пф + МПЗС
а необходимое значение псс для получения заданного отношения сигнал/шум можно найти по формуле
псс = 0,5^^(1 + . 1 + ~^(Пф + мПзс) ,
^c4kl1
из которой при Тсп = 1 получаем
1 V1 + ^ + Мпзс)
псп = 0,5kп
1
В случае Пф << Мпзс из выражения (1) находим
псп ~ 0,5kп
(1)
1 + ]1 + ¡1^
а при 4 Мпзс >> ¡п получаем пс
N
ПЗС
При Пф >> Мпзс формулу (1) можно записать в виде
псп = ^¡п
4
¡п1
1 + , I1 + 7^ Пф)
а в случае 4 Пф >> ¡1п имеем псп « ^Пф .
Следует отметить, что для уточнения отношения сигнал / шум целесообразно использовать зависимости величины сигнала от освещённости объекта (фона), полученные в работе [7], а вопросы определения этого отношения в случае применения в телевизион-
ных датчиках (кроме приборов с зарядовой связью) электронно-оптических преобразователей требуют дополнительных исследований.
Литература
1. Миленин Н.К. Шумы в формирователях сигнала на ПЗС // Техника кино и телевидения. - 1980. - № 6. - С. 51-57.
2. Уваров Н.Е. Секреты высокой чувствительности ТВ-камер // Алгоритмы безопасности. - 2002. - № 6. - С. 14-18.
3. Князев М.Г. Расчёт пороговых значений потока излучения и освещённости для ПЗС-матриц Kodak KAI-1003M, Kodak KAI-1020 и Philips FTF3020M / М.Г. Князев,
A.В. Бондаренко, И.В. Докучаев // Цифровая обработка сигнала. - 2006. - № 3. -С. 49-56.
4. Березин В.В. Твердотельная революция в телевидении. Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле /
B.В. Березин, А.А. Умбиталиев, А.К. Цицулин, Н.Н. Шипилов; под ред. А.А. Умбита-лиева и А.К. Цицулина. - М.: Радио и связь, 2006. - 300 с.
5. Пустынский И.Н. Определение пороговой освещённости изображения в телевизионном датчике / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Труды 7-й Междунар. конф. «Телевидение: передача и обработка изображений», 29-30 июня 2009 г., Санкт-Петербург. -СПб.: Технолит, 2009. - С. 53-57.
6. Казанцев Г.Д. Измерительное телевидение: учеб. пособие для вузов / Г.Д. Казанцев, М.И. Курячий, И.Н. Пустынский. - М.: Высшая школа, 1994. - 288 с.
7. Пустынский И.Н. К расчёту освещённости изображения и числа сигнальных электронов в телевизионном датчике на ПЗС-матрице / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Доклады Том. гос. университета систем управления и радиоэлектроники. - 2009. -№ 2. - C. 5-10.
Пустынский Иван Николаевич
Д-р техн. наук, зав. каф. телевидения и управления ТУСУРа Тел.: (382-2) 41-34-23 Эл. почта: in@tu.tusur.ru
Зайцева Екатерина Викторовна
Аспирант каф. телевидения и управления ТУСУРа
Тел.: (382-2) 70-15-04
Эл. почта: katya@tu.tusur.ru
Pustynsky I.N., Zaitseva E.V.
To specification of the signal/noise ratio estimation in television sensor based on CCD matrix
In the paper, problems of signal/noise ratio determination in television sensor based on CCD matrix with taking into account the specified values of signal and background photoelectrons are considered. Keywords: CCD matrix, photoelectrons, signal/noise ratio.
