ICCD信噪比模型

王銀飛　張雨晨

摘 要：從ICCD的基本結構出發，分析光子在ICCD中的倍增過程和每個過程引入的噪聲，根據各噪聲所服從的概率分布函數，得到各個噪聲的理論表達式，進而對ICCD的信噪比模型進行了理論推導。

關鍵詞：ICCD；信噪比；ICCD噪聲

中圖分類號：TN249 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0022-02

Abstract： Starting from the basic structure of ICCD， the multiplication process of photons in ICCD and the noise introduced by each process are analyzed. According to the probability distribution function obeyed by each noise， the theoretical expression of each noise is obtained. Furthermore， the signal-to-noise ratio （SNR） model of ICCD is deduced theoretically.

Keywords： ICCD； signal to noise ratio （SNR）； ICCD noise

引言

ICCD通常作為成像系統的接收系統，目標反射回來的光信號需通過ICCD進行選通、放大和輸出顯示。因此，ICCD的噪聲特性是影響成像系統成像質量的主要因素之一。ICCD工作時，入射光從物鏡輸入，經光陰極、微通道板、熒光屏到最后被CCD探測輸出圖像均會產生噪聲，而且微通道板會在倍增進入的信號時，也會同時倍增隨信號一同進入的噪聲，還會產生二次噪聲。CCD信號電荷在注入、轉移、檢測輸出等過程也都會引入噪聲，CCD的主要噪聲為暗電流噪聲和讀出噪聲[1-2]，不過隨著技術和工藝的進步，CCD噪聲正在不斷被減弱[3-4]。而且性質不同的噪聲對ICCD信噪比的影響程度也不同，按噪聲與信號的關系可將噪聲分為與信號強度相關的乘性噪聲和與信號強度不相關的加性噪聲，ICCD的主要噪聲為乘性噪聲[5]。ICCD作為最常用光電探測器件之一，其信噪比模型對成像系統的研究具有重要意義。

1 ICCD的基本結構

ICCD由光陰極、MCP（像增強器）、熒光屏、中繼元件、CCD等器件組成。如圖1所示，ICCD工作時，入射光通過物鏡聚焦在光電陰極上，光陰極通過外光電效應將光子轉化為電子，電子經過高壓電場加速后進入MCP，通過MCP中的微通道板實現光電子的倍增輸出，從微通道板出射的電子高速轟擊熒光屏，重新激發出的光子圖像，再經中繼元件投射在CCD上，CCD接收增強了的光學圖像，并將光信號轉變成電信號，由放大器放大電信號，A/D轉換成數字圖像信號輸出，實現微光的探測。

ICCD的耦合方式通常有纖維光錐耦合和光學透鏡耦合。纖維光錐耦合是將像增強器和CCD直接耦合，具有尺寸小、重量輕、耦合效率高等優點，但是分辨率較低；光學透鏡耦合是利用中繼透鏡耦合，將像增強器熒光屏上的像成像于CCD上，具有使用靈活、分辨率高等優點，但是體積較大[6]。

2 ICCD的主要噪聲

根據噪聲性質的不同，ICCD的噪聲可分為乘性噪聲和加性噪聲，乘性噪聲主要包括光子散粒噪聲、光電陰極噪聲、MCP噪聲、熒光屏噪聲等，加性噪聲主要為CCD噪聲。

入射到光電陰極的光子流是呈泊松分布的隨機變量，本身具有噪聲，稱為光子散粒噪聲，用泊松分布的標準差表示。設入射的光通量為？椎，ICCD積分時間為τ，光子波長λ，光速c，h為普朗克常量，hc/λ表示每個光子能量，則光子散粒噪聲為Np可表示為[7]：

光電陰極將入射光子轉換為電子的過程也是符合泊松分布隨機過程，設光電陰極的量子效率為ηc，光電陰極噪聲Nc可表示為[7]：

光電陰極將光子轉化成電子進入MCP進行倍增，倍增的倍數與MCP端面的開口面積比、電子入射角度的因素有關，整體倍增過程服從弗瑞分布[7]，MCP在微通道板里會對電子進行多次倍增，二次倍增會產生額外噪聲[8]。設η為MCP輸入端面的探測效率，P0為入射電子能倍增的幾率，G為MCP的增益，δ為MCP二次電子倍增的平均值，P為各倍增級二次電子能再次倍增的幾率， MCP噪聲Nm可表示為[7]：

經過MCP倍增的電子射向熒光屏，熒光屏將電子重新轉化成光子，熒光屏的量子噪聲主要為入射電子的隨機分布導致的輸出光子噪聲和熒光屏本身發光的量子性導致的輸出光子噪聲，二者均符合泊松分布，設熒光屏的轉化效率為Ns，熒光屏噪聲Ns可表示為[7]：

熒光屏射出的光子被CCD探測并輸出，CCD噪聲讀出噪聲包括復位噪聲、放大噪聲等，可以通過雙采樣技術等技術較好抑制[3-4]，建模時通用一常量NCCD表示。

3 ICCD信噪比模型

設入射的光通量為？椎，積分時間為τ，則入射的信號光子數為：

由噪聲的隨機性可知ICCD的各個噪聲相互獨立，由第2節分析可知，乘性噪聲用噪聲所服從的概率分布函數的標準差表示，根據方差和標準差的性質，總的乘性噪聲Nadd可以表示為：

4 結束語

ICCD工作時，除光子本身的光子散粒噪聲外，光電陰極將光子轉化為電子的過程、MCP的倍增過程、熒光屏重新將電子轉換成光子的過程以及CCD的探測傳輸過程均會產生噪聲，通過分析各個過程產生噪聲的特點和性質可得到各個噪聲的理論表達式，進而可推導求得ICCD的信噪比模型。該信噪比模型詳細分析了ICCD工作過程中各部分噪聲產生的來源以及各個噪聲的性質，對ICCD的信號與噪聲分析具有一定借鑒意義。

參考文獻：

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