СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАТРИЧНЫХ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
METHOD FOR FORMING IMAGE SIGNAL USING CHARGE-COUPLED MATRIX DEVICES

Способ относится к измерительной технике в области спектроскопии и может быть использован для анализа данных принимаемого спектра оптических сигналов с прибора с зарядовой связью.
Известен способ пространственно-временной обработки изображений на основе матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью (см. патент RU2569811, опубликован 27.11.2015), заключающийся в пространственно-временной обработке изображения в виде свертки изображения, проецируемого на матрицу фоточувствительных приборов с зарядовой связью, с импульсной характеристикой реализуемого пространственно-временного фильтра на основе двух матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью с положительными и отрицательными отсчетами импульсной характеристики и формирования разности сигналов с выходов фоточувствительных приборов с зарядовой связью как общего выходного.
Известен способ пространственно-временной обработки изображений на основе матриц фоточувствительных приборов с зарядовой связью (см. патент RU2339180, опубликован 20.11.2008), заключающийся в свертке проецируемого на матрицу фоточувствительных приборов с зарядовой связью изображения с требуемой импульсной характеристикой, определяющей реализуемую пространственно-временную фильтрацию, путем дискретного накопления зарядов фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения в потенциальных ямах матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью в сочетании с взаимным пространственным смещением изображения и матрицы фоточувствительных приборов с зарядовой связью.
Известен способ формирования сигнала изображения с помощью матричных приборов с зарядовой связью (см. патент RU2529369, опубликован 27.09.2014), который выбран в качестве прототипа, заключающийся в увеличении частоты считывания матричных фотоприемников ПЗС-типа с формированием сигналов двух изображений, различающихся полем зрения и разрешением: панорамного с большим полем зрения и малым разрешением и окна интереса с малым полем зрения и большим разрешением.
Способ осуществляют следующим образом. Перед считыванием зарядовых пакетов задают положение окна интереса, характеризуемое количеством строк N1, N2, задают уровень снижения разрешения в панораме, характеризуемый количеством суммируемых строк панорамы M, зарядовые пакеты считывают в три этапа и формируют сигналы двух изображений. Первый и третий этапы считывания заключаются в выполнении соответственно N1 и N2 циклов строчного переноса, при этом считывание выходного регистра осуществляют лишь через каждые M циклов строчного переноса, во время второго этапа считывание выходного регистра осуществляют при каждом строчном переносе. Формируют два цифровых сигнала изображения: окна интереса и панорамы. Сигнал изображения окна интереса получают маскированием отсчетов сигнала, считанного во время второго этапа, а сигнал изображения панорамы получают последовательной композицией отсчетов сигнала, считанного в течение первого этапа, поэлементной суммой групп по M строк отсчетов сигнала, считанного в течение второго этапа, отсчетов сигнала, считанного в течение третьего этапа.
Недостатком указанного способа является возникновение нелинейных искажений результирующего спектра принимаемого сигнала с выхода прибора с зарядовой связью при изменении времени накопления сигнала.
Техническая проблема заключается в возникновении нелинейных искажений результирующего спектра проецированного сигнала изображения на светочувствительную поверхность прибора с зарядовой связью при изменении времени накопления сигнала.
Технический результат способа формирования сигнала изображения с помощью матричных приборов с зарядовой связью заключается в реализации алгоритма корректировки нелинейных искажений спектра, получаемого на анализаторе спектра, использующего в качестве принимающего устройства прибор с зарядовой связью.
t
t
0
Технический результат способа формирования сигнала изображения с помощью матричных приборов с зарядовой связью, заключающемся в проецировании изображения на светочувствительную поверхность прибора с зарядовой связью, накоплении зарядовых пакетов, направленном строчном переносе зарядовых пакетов к выходному регистру на одну строку и переносе крайней строки зарядовых пакетов в выходной регистр, считывании выходного регистра и преобразовании в строку цифровых отсчетов сигнала изображения при помощи аналого-цифрового преобразователя и повторе указанных действий до окончания считывания всех строк зарядовых пакетов, достигается тем, что при считывании выходного регистра и повторе считывания до окончания считывания всех строк зарядовых пакетов осуществляют корректировку нелинейных искажений спектра проецируемого на светочувствительную поверхность прибора с зарядовой связью изображения путем пересчета амплитуды выходного тока в каждой из точек спектра проецируемого изображения, полученных при произвольном времени накопления  и одновременном их занесении в память контроллера, для фиксированного времени накопления , причем пересчет амплитуды выходного тока в каждой из точек спектра проецируемого изображения осуществляют по формуле:
,
i
A
t, A
t
α
β
i
t
t
t
α
β
i
,0
0
0
где  – скорректированное значение амплитуды выходного тока точки спектра в -м оптическом элементе матричного прибора с зарядовой связью, () – измеренное значение амплитуды выходного тока точки спектра при времени накопления ,  и  – коэффициенты линейной зависимости углового коэффициента нарастания амплитуды выходного тока точки спектра с увеличением времени накопления сигнала, рассчитываемого путем решения системы линейных уравнений,  – порядковый номер оптического элемента в матричном приборе с зарядовой связью,  – время накопления сигнала при котором проводится калибровка,  – время накопления сигнала,  – время накопления сигнала при котором проводится калибровка, при этом составляющие  и  определяют составляющие путем решения системы линейных уравнений:
,
A
i
t
α
β
i
N
K
i
K
i
,0
0
i
i
где  – амплитуда выходного тока точки спектра, измеренная в -м оптическом элементе матричного прибора с зарядовой связью, после аналого-цифрового преобразования, выраженная в дискретных отсчетах аналого-цифрового преобразователя для времени накопления сигнала  при котором проводится калибровка,  и  – коэффициенты линейной зависимости углового коэффициента нарастания амплитуды выходного тока точки спектра с увеличением времени накопления сигнала,  – порядковый номер оптического элемента в матричном приборе с зарядовой связью,  – количество элементов в матричном приборе с зарядовой связью,  – коэффициент линейной зависимости нарастания амплитуды выходного тока точки спектра в -м оптическом элементе матричного прибора с зарядовой связью от времени накопления сигнала, при этом составляющую  определяют по формуле:
,
K
i
A
i
t
A
i
i
j
N
M
t
t
t
t
t
i
i
,0
0
i
,
j
0
j
0
N
j
где  – коэффициент линейной зависимости нарастания амплитуды выходного тока точки спектра в -м оптическом элементе матричного прибора с зарядовой связью от времени накопления сигнала,  – амплитуда выходного тока точки спектра, измеренная в -м оптическом элементе матричного прибора с зарядовой связью, после аналого-цифрового преобразования, выраженная в дискретных отсчетах аналого-цифрового преобразователя для времени накопления сигнала  при котором проводится калибровка,  – амплитуды выходного тока точки спектра, измеренные в -м оптическом элементе матричного прибора с зарядовой связью, после аналого-цифрового преобразования, выраженные в дискретных отсчетах аналого-цифрового преобразователя при различных временах накопления сигнала,  – порядковый номер оптического элемента в матричном приборе с зарядовой связью,  – порядковый номер дискретно заданных времен накопления сигнала,  – количество элементов в матричном приборе с зарядовой связью,  – количество дискретных времен накопления сигнала,  – время накопления сигнала при котором проводится калибровка,  – дискретно заданное время накопления сигнала в диапазоне от  (время накопления сигнала при котором проводится калибровка) до (максимально допустимое время накопления сигнала), при этом составляющую  определяют по формуле:
t
t
j
t
t
M,
j
0
M
0
= +⋅( – )/
t
t
t
j
M
t
t
j
0
N
0
M
где  – дискретно заданное время накопления сигнала в диапазоне от  (время накопления сигнала при котором проводится калибровка) до (максимально допустимое время накопления сигнала),  – порядковый номер дискретно заданных времен накопления сигнала,  – количество дискретных времен накопления сигнала,  – время накопления сигнала при котором проводится калибровка,  – максимально допустимое время накопления сигнала.
На фиг. 1 приведена блок схема устройства, реализующая предложенный способ формирования сигнала изображения с помощью матричных при-боров с зарядовой связью.
На фиг. 2 представлен алгоритм работы контроллера автоматической корректировки искажений спектров.
Устройство для осуществления предложенного способа формирования сигнала изображения с помощью матричных приборов с зарядовой связью, представленное на фиг. 1 содержит источник широкополосного оптического сигнала 1, оптический циркулятор 2, массив последовательно соединенных оптических фильтров 3, дифракционную решетку 4, прибор с зарядовой связью 5, а также контроллер автоматической корректировки искажений спектров 6, причем источник широкополосного оптического сигнала 1, вход которого является входом устройства, подключен к первому порту оптического циркулятора 2 посредством волоконного световода, массив последовательно соединенных оптических фильтров 3 подключен ко второму порту оптического циркулятора 2 посредством волоконного световода, третий порт оптического циркулятора 2 посредством волоконного световода подключен ко входу дифракционной решетки 4, выход которой подключен ко входу прибора с зарядовой связью 5, выход которого подключен к контроллеру автоматической корректировки искажений спектров 6, выход которого является выходом устройства, причем массив последовательно соединенных оптических фильтров 3 выполнен на основе волоконной решетки Брэгга с Гауссовой формой спектра отражения.
Устройство работает следующим образом. Предварительно в блок контроллера автоматической корректировки искажений спектров 6 загружают программу, работающую согласно алгоритму, который приведён на фиг. 2.
Подключают систему электропитания для блоков широкополосного оптического сигнала 1, контроллера автоматической корректировки искажений спектров 6.
Система электропитания необходимая для блоков источника широкополосного оптического сигнала 1, контроллера автоматической корректировки искажений спектров 6 на фиг. 1 не показана.
Для формирования сигнала изображения с помощью матричных приборов с зарядовой связью с помощью источника широкополосного оптического сигнала 1 генерируют широкополосный оптический сигнал f(λ) с центральной частотой, соответствующей середине полосы частот, перекрываемой массивом последовательно соединенных оптических фильтров 3. Сгенерированный широкополосный сигнал проходят через первый порт оптического циркулятора 2 и поступают на массив последовательно соединенных оптических фильтров 3, полосы частот которых равных друг другу и выбираются таким образом, чтобы покрыть весь диапазон частот широкополосного сигнала. В массиве последовательно соединенных оптических фильтров 3 в каждом из отдельных фильтров происходит изменение амплитуд спектральных составляющих широкополосного сигнала, попадающих в полосу пропускания и отражения каждого из отдельных фильтров массива последовательно соединенных оптических фильтров 3.
i
i
i
Полученный таким образом широкополосный сигнал g(λ) в канале отражения массива последовательно соединенных оптических фильтров 3 отражается обратно на второй порт оптического циркулятора 2 и через третий порт оптического циркулятора 2, поступает на дифракционную решетку 4, где происходит разложение спектра широкополосного сигнала g(λ) на отдельные спектральные составляющие g(λ), которые далее проецируются на светочувствительную поверхность прибора с зарядовой связью 5, где осуществляется накопление зарядовых пакетов, направленный строчный перенос зарядовых пакетов к выходному регистру на одну строку и перенос крайней строки зарядовых пакетов в выходной регистр, считывание выходного регистра и формирование отсчетов Aλ, с амплитудой А, которые в свою очередь поступают на контроллер автоматической корректировки искажений спектров 6, где проводится оцифровка и корректировка искажений спектра широкополосного сигнала после прохождения массива последовательно соединенных оптических фильтров 3, которые возникают в результате выбора различных времен накопления зарядов в приборе с зарядовой связью 5.
Рассмотрим осуществление способа формирования сигнала изображения с помощью матричных приборов с зарядовой связью. Осуществляется считывание выходного регистра, формирование отсчетов и оцифровка данных, принятых с прибора с зарядовой связью 5. Алгоритм, осуществляющий автоматическую корректировку искажений спектров оптических сигналов, работает в двух режимах: режиме калибровки и режиме измерения.
0
М
j
0
M
j
i
В режиме калибровки предварительно задаются количество дискретно заданных времен накопления сигнала М, калибровочное время накопления сигнала t и максимально допустимое время накопления сигнала t, которые определяются необходимой точностью измерения и корректировки на основе которых производится расчет шага перестройки времени накопления Δt и расчет дискретно заданного времени накопления сигнала t в диапазоне от tдо максимально допустимого время накопления сигнала t. Затем производится измерение амплитуды составляющих спектра принятого широкополосного сигнала для всех значений tна основе которых производится вычисление коэффициента линейной зависимости нарастания амплитуды выходного тока в i-м оптическом элементе матричного прибора с зарядовой связью 5 от времени накопления сигнала K и вычисление коэффициентов линейной зависимости углового коэффициента нарастания амплитуды с увеличением времени накопления сигнала α и β, которые записываются в память для корректировки искажений измеренных спектров проецируемого на светочувствительную поверхность прибора с зарядовой связью широкополосного сигнала изображения при работе в режиме измерения.
int
i
min
max
В режиме измерения предварительно задается диапазон изменения времени накопления tдля обеспечения изменения амплитуды измеренных спектральных составляющих A в диапазоне [A… A], определяемый необходимой точностью измерения. Затем производится измерение спектра проецируемого на светочувствительную поверхность прибора с зарядовой связью широкополосного сигнала изображения и корректировка значений амплитуды и длины волны его спектральных составляющих по ранее вычисленным значениям α и β.
Устройство для осуществления предложенного способа формирования сигнала изображения с помощью матричных приборов с зарядовой связью может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на центральной длине волны 785 нм (возможны и другие длины волн), например:
В качестве источника широкополосного оптического сигнала 1 может быть выбран широкополосный источник оптического излучения SLD-CS-331-HP3-SM-785-I компании Superlum;
В качестве оптического циркулятора 2 может быть выбран оптический циркулятор GateRay GR-CIRC-31;
В качестве массива последовательно соединенных оптических фильтров 3 могут быть выбраны волоконные решетки Брэгга;
В качестве дифракционной решетки 4 может быть выбрана дифракционная решетка SH.10G08-DO-RDG-RP компании Швабе;
В качестве прибора с зарядовой связью 5 может быть выбран прибор с зарядовой связью S9737-01 компании Hamamatsu;
В качестве контроллера автоматической корректировки искажений спектров 6 может быть выбран микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;
В качестве волоконных световодов могут быть выбраны эталонные шнуры или кабели ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ».
Для построения устройства для осуществления предложенного способа формирования сигнала изображения с помощью матричных приборов с зарядовой связью все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены в интегральном исполнении.
Все это позволяет говорить о достижении технического результата – корректировке нелинейных искажений спектров оптических сигналов на основе приборов с зарядовой связью путем реализации алгоритма корректировки нелинейных искажений спектра, получаемого на анализаторе спектра, использующего в качестве принимающего устройства прибор с зарядовой связью.