一、观测模型定义
光子到数值的整个链路大致如下:
图1 光子到数值转换流程图
一般地,完整的电子域到数值域(ADU)的观测模型可以写为:
.
其中,表示观测到的信号值;
为模拟增益系数;
为带有散粒噪声的电子数,服从泊松分布,且
,其中
为实际干净的信号量;
为读出噪声,与信号量无关,符合高斯分布;
为数字增益系数;
为模数转换过程中产生的噪声(ADC噪声),与信号量无关,符合高斯分布;
为常数偏置,一般为黑电平,不参与噪声分析。
| 符号 | 含义 |
|---|---|
| 光电子数 | |
| 读出噪声 | |
| ADC噪声 | |
| 常数偏置 | |
| 模拟增益系数 | |
| 数字增益系数 |
二、噪声方差模型
由图1可知,观测模型分为有数字增益和无数字增益两种情况,现对两种情况分别推导噪声方差模型:
(1) 当无数字增益,即时,减去常数偏置
(黑电平一般在数据预处理时直接减去)有:
,
此时,总方差
总期望
令,则有:
一般地,令,
,则有噪声方程:
.
(2) 同理,当有数字增益,即时,且减去常数偏置
,则有:
此时,可推导出总方差和总期望分别为:
令,则有:
令,
,则有噪声方程:
.
三、噪声方差模型中系数与ISO的关系
(1)k/k'与ISO的关系
有定义1:
和定义2:
.
其中,和
分别表示模拟增益和数字增益,
为基础增益,
表示基础增益系数,
为总增益,
为总增益系数。整理以上两个定义可得:
.
令,则有:
.
因此,无论是否有数字增益(是否为1),总的增益系数
都与
成正比,即
与
可以统一用
来表示。为了减少噪声标定时的误差,常写成一般表达式,即
.
(2)b/b'与ISO的关系
前置信息:当模拟增益达到最大,即时,才会打开数字增益。此时的
和
均为固定常数,不再随
变化。
由前面推导可知,当无数字增益时,,显然与总增益
二次相关,又因为
与
线性相关,因此
与
二次相关。当有数字增益时,
,且此时
为固定常数,只需要判断数字增益系数
与
的关系即可。由前面推导以及
可得:
,
又由定义1可知与
线性相关(此时A和α为常数),因此的
与
线性相关,从而
与
二次相关。
综上,无论是否有数字增益,与
均与
二次相关,可以统一用
表示。写成一般式为:
.
因此,噪声方差模型的一般式可写为:
.
其中,表示观测信号值;
为观测信号的期望值,即
;
为总增益系数,与
线性相关;
为与信号无关的噪声方差,包括读出噪声和模数转换噪声,与
二次相关。
四、小结
(1) 噪声观测模型一般式:
,
当无数字增益,即=1时,有:
.
(2) 噪声方差模型一般式:
.
其中,表示观测信号值;
为观测信号的期望值,即
;
为总增益系数,与
线性相关;
为与信号无关的噪声方差,包括读出噪声和模数转换噪声,与
二次相关。
(3) 相关系数、
、
、
、
的标定。固定一个
,可以获取一系列的观测信号
,进而可以求出观测信号的期望
和方差
,那么多次观测就可以得到一系列的
坐标对,进而拟合出当前
下的
和
。进一步,多档ISO调节,重复操作,可以得到一系列的
和
,进而拟合出
、
、
、
、
的值。