CCD 的Binning技术在光信号测量中的应用研究＊

韦晓茹，蔡志坚，居戬之

（苏州大学 信息光学工程研究所，江苏 苏州 215006）

引 言

光谱仪器是利用光的色散、吸收、散射等现象来对物质成分、结构等进行分析和测量的仪器。CCD 由于具有光谱响应范围宽、分辨率高、尺寸小等特点，近年来随着CCD 的发展，采用CCD 作为光电探测器的光谱仪在众多的领域中获得了广泛的应用［1］。但是在弱光检测的应用中，由于有效信号幅度较小，噪声对测量结果的影响严重，信噪比很抵，制约了光谱仪的应用，因此必须降低光谱仪的噪声。光谱仪的噪声大小主要取决于CCD 的噪声性能，对CCD 降噪是降低光谱仪噪声的有效办法。CCD 的噪声来源［2］主要有读出噪声、复位噪声、量子噪声和暗电流噪声等。读出噪声和复位噪声是由CCD 的信号输出电路引起的，这类噪声可由专用的相关双采样芯片来处理。量子噪声和暗电流噪声属于随机噪声，对于此类噪声的抑制常采用的有探测器制冷［3－5］和数学上的数据处理方法［6－7］等。除此之外，Binning也有助CCD 输出信号的噪声抑制［8］，可作为CCD 降噪的一种辅助方法。通过对Binning技术抑制随机噪声的理论推导和仿真，证明了Binning技术能有效提高信噪比。

1 Binning工作原理

Binning是一种图像读出方式，中文有“打包”的意思，即将CCD图像传感器相邻像元中感应的电荷加在一起，以一个像元的模式读出，可看出Binning可以大大提高光谱的利用率。由于有用信号和噪声的不同特性，信号是直接相加，噪声则是功率相加，因此Binning可以提高信噪比。Binning分为垂直方向和水平方向，垂直方向Binning是将相邻列的电荷加在一起读出，而水平方向Binning是将相邻行的像元感应电荷加在一起读出。图1和图2所示为垂直方向Binning和水平方向Binning的过程。

图1是将垂直方向的5×1像元的电荷合并。要完成Binning过程，垂直方向的驱动脉冲和水平方向驱动脉冲必须满足一定的相位关系：当垂直方向加上驱动脉冲即进行信号累积的时候，水平方向的驱动脉冲是停止的；当信号累计完成后，垂直方向的驱动脉冲停止，水平方向驱动脉冲开始工作。垂直方向Binning相当于增加了感光面积，提高了光谱的利用率。另外由于垂直方向累积的信号一起输出，与单个像元依次输出相比减少了信号读出的次数，因此降低了CCD 的读出噪声，提高了读出的速度。

图2所示的Binning是将相邻的1×2个像元的电荷合并。水平方向Binning可以提高信噪比，但是实际上是用相邻细的光谱线合并成1条粗的光谱线，因而降低了光谱的分辨率。对于线阵CCD，可以将相邻的1×m 个像元合并成一个像元，对于面阵CCD 可以将相邻的n×m 个像元合并成一个像元，即水平方向Binning与垂直方向Binning相混合。

图1 垂直方向Binning示意图Fig.1 Schematic diagram of vertical Binning operation

图2 水平方向Binning示意图Fig.2 Schematic diagram of horizontal Binning operation

2 Binning技术的效果分析

对于垂直方向Binning，设用相邻m×1个像元合并成一个像元，合并前每个像元的信号为s（i，j），每个像元的随机噪声的均方根值为n（i，j），i，j是像元的位置坐标。用S（j）表示合并后的信号，用N（j）表示合并后的噪声均方根值，假定m 个像元的信号均相同，m 个像元噪声的均方根值相同。信号是线性叠加，噪声则是按照噪声功率相加，噪声功率即噪声的均方值n2（i，j）。则有：

Binning前的信噪比为：

Binning后信噪比为：

对于水平方向Binning，设用相邻1×m 个像元合并成一个像元，信噪比同样提高了倍，信号也增强了m 倍，但是实际上是用相邻的m 条细的光谱线合并成1条粗的光谱线，因而降低了光谱的分辨率。在实际应用中可根据要求来确定采用水平方向Binning还是垂直方向Binning。

3 仿真实验

针对垂直方向Binning，利用MATLAB 软件来仿真Binning技术对于信噪比提高的效果。取没有Binning前的3行像元光谱信号为：

噪声信号为：

x 表示像元序数，噪声和光谱信号的单位都是mV。在这里假定3行像元的有效信号相等，3行像元的噪声信号的均方根值相等。但是3行像元的噪声都是互不相关的随机噪声。图3给出了垂直Binning仿真的结果，图中m 表示垂直方向Binning的像元个数。

图3 不同m 值时垂直Binning的仿真结果Fig.3 Simulation results of vertical Binning operation at different mvalues

图3中的（a）图是1行像元输出波形，图（b）和（d）分别是图（a）波形的2倍和3倍，因此图（b）、图（d）与图（a）的信噪比是一样的。图（c）是2行像元垂直Binning后的输出波形，图（e）是3行像元垂直Binning后的输出结果。比较图3中的图（b）与（c）可以直观地看出垂直Binning提高了信噪比，比较图（d）与（e）同样可以看出Binning后信噪比的提高。经过计算得m＝2时图（c）波形的信噪比比图（a）波形的信噪比提高了1.209，理论值是（即1.414）；m＝3时图（e）波形的信噪比比图（a）波形的信噪比提高了1.807，理论值是（即1.732）。计算值和理论值有一定的误差，这是由于仿真时取样点有限引起的。

4 结 论

介绍利用Binning提高信噪比的方法，通过仿真实验证明该方法能实现信噪比的提高，为Binning技术的实际应用提供了理论依据。Binning在实际的CCD 的应用中是通过改变CCD 的驱动脉冲来实现的，但值得注意的是Binning后的像元电荷量可能会超出CCD 势阱的容量，从而引起饱和，造成信息失真。遇到这种情况，通过减少Binning的像元个数就可以消除饱和。

［1］ 林炜卫，李滨言，蒋庭佳，等.基于ARM 的光谱检测系统的设计［J］.光学仪器，2011，33（3）：82－85.

［2］ 王庆有.光电技术［M］.北京：电子工业出版社，2008.

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［8］ 周望，沈为民，周健康，等.Binning技术在光谱仪中的实验研究［J］.激光与光电子学进展，2010，47（4）：96－100.