[论文解读] Dark signal correction for a lukecold frame-transfer CCD

J.‐F. Hochedez, C.J. Timmermans+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 31被引用 5

一句话总结

本文提出了一种针对在−7.2 °C下运行的冷帧转移CCD的新型暗信号校正方法，利用非平衡哈尔变换检测暗电流时间序列中的断点，并采用鲁棒线性回归估计图像区和存储区的暗信号。该方法实现残差偏差为5 e⁻，均方根误差为25 e⁻，可实现50 e⁻·pxl⁻¹·s⁻¹的精确热点像素标记，并验证了非热点像素的暗电流水平为4.1 e⁻·pxl⁻¹·s⁻¹。

ABSTRACT

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研究动机与目标

• 校正仅在−7.2 °C下运行的帧转移CCD中的暗电流，该温度下热暗电流不可忽略，且在发射后出现热点像素。
• 在帧转移CCD架构中，分离图像区（积分期间）和存储区（读出期间）的暗电流贡献。
• 开发一种可靠、自动化的热点像素识别与标记方法，以确保PICARD任务中SODISM仪器获得精确的太阳辐照度测量结果。

提出的方法

• 对每个像素的暗电流时间序列应用非平衡哈尔变换，以检测暗信号行为发生显著变化的时刻。
• 在检测到的断点之间，假设图像区和存储区的暗电流恒定，从而实现分段线性建模。
• 采用鲁棒线性回归估计每个区段的暗电流随积分时间的变化关系，并从残差方差中推导出质量系数。
• 质量系数用于判断估计结果是否被接受为最终结果，或需进一步处理。
• 该方法已集成至SODISM Level 1数据处理流水线，用于PICARD任务的业务化运行。
• 该方法具有通用性，可适用于其他具有类似暗电流挑战的帧转移或全帧CCD。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在−7.2 °C下运行的帧转移CCD中，准确分离图像区与存储区的暗电流贡献？
• RQ2 针对单个像素的暗电流行为随时间发生突变时，检测与建模的最优方法是什么？
• RQ3 在CCD低温运行条件下，如何基于暗电流水平可靠地识别并标记热点像素？
• RQ4 非热点像素在图像区的实际暗电流水平是多少？该值是否与−7.2 °C下的理论预测一致？
• RQ5 热点像素随时间的产生速率如何？其对空间CCD长期数据质量有何影响？

主要发现

• 暗信号模型在7.4 s积分时间下，全局残差偏差约为5 e⁻，均方根偏差为25 e⁻，表明具有高精度。
• 非热点像素在图像区的暗电流水平实测为4.1 e⁻·pxl⁻¹·s⁻¹，与−7.2 °C下的理论预测高度一致。
• 确立了可靠的热点像素阈值为50 e⁻·pxl⁻¹·s⁻¹，发射时1.5 %的像素被标记为热点，至2012年12月增至11 %。
• 热点像素的平均增长速率为每天约500个，相当于图像区面积每年增加4.2 %。
• 该方法成功实现了在准冷CCD环境下的精确暗信号校正，尽管冷却条件并非最优，但仍证明了其可行性。
• 非平衡哈尔变换与鲁棒回归组件被证明在其他CCD应用中同样有效且可复用，适用于类似的暗电流建模任务。