一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法属于线阵图像传感器系统的误差校正方法领域，该方法将导致NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的各种误差分为与积分时间成正比的变量部分和一个常量部分，并在此基础上建立系统固定误差的数理模型，设计图像传感器的误差实时测量实验，根据实测结果最终给出基于该模型的固定误差的动态标定与校正方法。该方法摒弃了传统的针对各种误差源，分别从系统硬件设计或图像传感器工作环境条件上采取措施，以求减小测量结果中固定误差的长周期、高成本处理方式。
1.一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差进行整体数学建模，具体方法为：根据系统固定误差与积分时间的关系类型，将NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的数学模型表示为：E＝ER+T×ED (1)
式(1)中，E表示NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的总量，T为积分时间(单位为秒)，ED表示随积分时间变化的固定误差在1秒的单位时间内的累积量，ER表示不随积分时间变化的误差的总量；即图像传感器的m个像元中，任意一个像元的固定误差可以表示为：Ek＝ERk+T×EDk (2)
式(2)中，Ek是第k个像元的固定误差总量；ERk是第k个像元不随积分时间变化的误差的总量；EDk表示第k个像元随积分时间变化的固定误差在单位时间内的累积量；
步骤二、在无光照条件下进行N(N≥2，N为自然数)次误差测量，获得N组误差测量值，其具体包括如下子步骤：步骤2.1：在无光照条件下，使NMOS线阵图像传感器进行第一次测量，积分时间为T1，得到由m个像元各自在第一次测量中的输出信号值组成的第一组误差测量值，As1＝{E11，E21，……Ek1，……Em1} (3)其中，Ek1表示第k个像元在第1次误差测量中的输出信号值；
步骤2.2：使用与步骤2.1相同的方法，在无光照条件下，使NMOS线阵图像传感器再进行N-1次测量，并且使N-1次测量中每次测量的积分时间按照如下要求进行取值：T1
式(4)中，i(i≤N，i取自然数)为测量的次数序号；Ti为第i次测量中积分时间的取值；T1为第1次测量中积分时间的取值；TN为第N次测量中积分时间的取值；
N-1次测量后，得到N-1组误差测量值As2，As3，……Asi，……AsN，其中，Asi是由m个像元各自在第i次测量中输出信号值E1i，E2i，……Eki，……，Emi组成的第i组误差测量值；
步骤二中，共获得N组误差测量值As1，As2，As3，……Asi，……AsN；
步骤三、利用步骤二所述N组误差测量值，对步骤一所述像元固定误差数学模型中的未知参数进行求解，m个像元中每个像元都进行一次求解，得到对应的一组误差参数EDk、ERk；
步骤3.1：在步骤二的N组误差测量值As1，As2，……Asi，……AsN中，将第一个像元在N次误差测量中的误差输出值E11、E12、……、E1N取出，将N次误差测量中使用的N个积分时间T1、T2、……、TN取出，根据步骤1所述的系统固定误差的数学模型，可以得到m个方程：
式(5)中， 是第一个像元输出信号值中不随积分时间变化的误差ER1的估计值； 是第一个像元输出信号值中随积分时间变化的固定误差在单位时间内累积量ED1的估计值；
将 和 作为第1个像元ED1和ER1的数值大小，即：
步骤3.3：对于第2、3、…、m个像元中的每个像元，重复步骤3.1、3.2，求出第2、3、…、m个像元中每个像元所对应的EDk、ERk，即分别求得ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
步骤三中，对每个像元都会求解出一组误差参数EDk、ERk，m个像元总共会有m组误差参数，即ED1和ER1；ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
步骤四、在用NMOS线阵图像传感器接对外部入射光信号进行测量时，利用步骤二、三得到误差模型与参数，并对测量结果进行校正,其具体包括如下子步骤：步骤4.1：在用NMOS线阵图像传感器每次开始工作时或工作过程中每隔一段时间，遮挡入射到传感器的光信号，按照步骤二、三进行固定误差的实时测量与标定，得到图像传感器系统中m个像元的固定误差参数ED1和ER1；ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
步骤4.2：固定误差测量标定完成后，NMOS线阵图像传感器正常工作，进行光谱测量，并在每次测量读出时，针对NMOS线阵图像传感器的每一个像元，利用该次测量的积分时间和固定误差标定得到的模型与参数对像元的输出进行校正；某次测量的积分时间为t，m个像元的输出分别为y1，y2，…，ym；m个像元中每个像元固定误差的大小计算为：
步骤4.3：利用公式(8)的计算结果，对m个像元的输出分别进行校正：
当用步骤一至四所述方法分别求得 时，即完成了对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的校正过程。
一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法
技术领域
[0001] 本发明属于线阵图像传感器系统的误差校正方法领域，具体涉及一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法。
背景技术
[0002] NMOS线阵图像传感器是一种用于光信号能量测量的传感器，具有动态范围大、信噪比高、暗电流小、光谱响应范围宽和功耗低等优点，非常适合弱光信号和精密光谱信号的快速测量，已经广泛应用于地面光谱仪器中以及航空航天光谱测量设备中。NMOS线阵图像传感器具有较大的像元尺寸，动态范围大，因此可以对光谱信号进行长时间积分，能够提高探测的灵敏度。生产NMOS线阵图像传感器的公司，如日本滨松HAMAMATSU，美国RETICON等。
[0003] 固定误差表现为输出数据中的一个固定大小的误差，不会随时间产生随机变化，会使输出信号信噪比降低，影响传感器的测量灵敏度与动态范围。在弱光信号、精密光谱信号的测量应用中，要求NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路具有较高的信噪比，因此，需要降低NMOS线阵图像传感器的系统固定误差。
[0004] 导致NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的输出信号中存在系统固定误差的因素主要有两个来源，一是NMOS线阵图像传感器自身的误差，如暗电流产生的误差、像元复位产生的误差、漏电流产生的误差，这些固定误差的预估与校正比较困难。暗电流带来的误差可以采用制冷的方法来降低，但是该方法会大大增加传感器的复杂度，提高了系统的成本；同时需要制冷器件的驱动电路，增加了外围电路的复杂性，降低了系统的可靠性。
[0005] 另一个NMOS线阵图像传感器的系统固定误差重要来源是由NMOS线阵图像传感器的读出电路所引入的固定误差。对于某一个确定NMOS线阵图像传感器的外部读出电路来说，其输出信号中存在的系统固定误差可以认为是在短时间内相对固定不变的，而且可以通过实测得到。但是，受到器件老化、环境温度变化等因素长期累积的影响，这部分由读出电路引入的固定误差也会随着环境温度、工作时间产生的漂移等因素而缓慢产生变化，因此，很难通过一次性的预先测量和标定的方法一劳永逸地实现对输出信号的校正。由于使用环境的限制，设备交付使用后一般不允许再进行硬件调零，即使允许调零，硬件调零的间隔周期和频率也不易确定，而且，过于频繁的硬件调零也会降低系统精度，使设备使用寿命缩短。
[0006] 然而，现有的误差校正手段均侧重于针对各个误差源，分别从系统设计或图像传感器工作环境条件上采取措施，以求逐一、单独降低它们的误差输出水平，进而减小这些误差在系统整体固定误差中的叠加或累加。而针对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路所输出的系统固定误差进行基于实时测量结果的整体建模，并据此求解和修正该系统固定误差的尝试，目前则未见公开报道。
发明内容
[0007] 为了解决现有对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的校正手段均侧重于针对各个误差源，分别从系统设计或图像传感器工作环境上采取措施，以求逐一、单独降低它们的误差输出水平，进而减小这些误差在系统整体固定误差中的叠加或累加，而这些传统误差修正手段均带有局限性，效果也并不理想，而硬件调零的周期和频率不易把握，目前尚没有针对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路所输出的系统固定误差进行基于实时测量结果的整体数学建模并据此求解和修正该系统固定误差的方法的技术问题，本发明提供一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法。
[0008] 本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
[0009] 一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法包括如下步骤：
[0010] 步骤一、对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差进行整体数学建模，具体方法为：
[0011] 根据系统固定误差与积分时间的关系类型，将NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的数学模型表示为：
[0012] E＝ER+T×ED (1)
[0013] 式(1)中，E表示NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的总量，T为积分时间(单位为秒)，ED表示随积分时间变化的固定误差在1秒的单位时间内的累积量，ER表示不随积分时间变化的误差的总量；即图像传感器的m个像元中，任意一个像元的固定误差可以表示为：
[0014] Ek＝ERk+T×EDk (2)
[0015] 式(2)中，Ek是第k个像元的固定误差总量；ERk是第k个像元不随积分时间变化的误差的总量；EDk表示第k个像元随积分时间变化的固定误差在单位时间内的累积量；
[0016] 步骤二、在无光照条件下进行N(N≥2，N为自然数)次误差测量，获得N组误差测量值，其具体包括如下子步骤：
[0017] 步骤2.1：在无光照条件下，使NMOS线阵图像传感器进行第一次测量，积分时间为T1，得到由m个像元各自在第一次测量中的输出信号值组成的第一组误差测量值，[0018] As1＝{E11，E21，……Ek1，……Em1} (3)
[0019] 其中，Ek1表示第k个像元在第1次误差测量中的输出信号值；
[0020] 步骤2.2：使用与步骤2.1相同的方法，在无光照条件下，使NMOS线阵图像传感器再进行N-1次测量，并且使N-1次测量中每次测量的积分时间按照如下要求进行取值：
[0021] T1
[0022] 式(4)中，i(i≤N，i取自然数)为测量的次数序号；Ti为第i次测量中积分时间的取值；T1为第1次测量中积分时间的取值；TN为第N次测量中积分时间的取值；
[0023] N-1次测量后，得到N-1组误差测量值As2，As3，……Asi，……AsN，其中，Asi是由m个像元各自在第i次测量中输出信号值E1i，E2i，……Eki，……，Emi组成的第i组误差测量值；
[0024] 步骤二中，共获得N组误差测量值As1，As2，As3，……Asi，……AsN；
[0025] 步骤三、利用步骤二所述N组误差测量值，对步骤一所述像元固定误差数学模型中的未知参数进行求解，m个像元中每个像元都进行一次求解，得到对应的一组误差参数EDk、ERk；其具体包括如下子步骤：
[0026] 步骤3.1：在步骤二的N组误差测量值As1，As2，……Asi，……AsN中，将第一个像元在N次误差测量中的误差输出值E11、E12、……、E1N取出，将N次误差测量中使用的N个积分时间T1、T2、……、TN取出，根据步骤1所述的误差模型，可以得到m个方程：
[0027]
[0028] 式(5)中， 是第一个像元输出信号值中不随积分时间变化的误差ER1的估计值；是第一个像元输出信号值中随积分时间变化的固定误差在单位时间内累积量ED1的估计值；
[0029] 步骤3.2：应用最小二乘法求解式(5)中 和
[0030] (6)
[0031]
[0032] 式(6)中i取自然数；
[0033] 将 和 作为第1个像元ED1和ER1的数值大小，即：
[0034]
[0035] 步骤3.3：对于第2、3、···、m个像元中的每个像元，重复步骤3.1、3.2，求出第2、3、···、m个像元中每个像元所对应的EDk、ERk，即分别求得ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
[0036] 步骤三中，对每个像元都会求解出一组误差参数EDk、ERk，m个像元总共会有m组误差参数，即ED1和ER1；ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
[0037] 步骤四、在用NMOS线阵图像传感器接对外部入射光信号进行测量时，利用步骤二、三得到误差模型与参数，并对测量结果进行校正,其具体包括如下子步骤：
[0038] 步骤4.1：在用NMOS线阵图像传感器每次开始工作时或工作过程中每隔一段时间，遮挡入射到传感器的光信号，按照步骤二、三进行固定误差的实时测量与标定，得到图像传感器系统中m个像元的固定误差参数ED1和ER1；ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
[0039] 步骤4.2：固定误差测量标定完成后，NMOS线阵图像传感器正常工作，进行光谱测量，并在每次测量读出时，针对NMOS线阵图像传感器的每一个像元，利用该次测量的积分时间和固定误差标定得到的模型与参数对像元的输出进行校正；某次测量的积分时间为t，m个像元的输出分别为y1，y2，···，ym；m个像元中每个像元固定误差的大小计算为：
[0040]
[0041] 步骤4.3：利用公式(8)的计算结果，对m个像元的输出分别进行校正：
[0042]
[0043] 当用步骤一至四所述方法分别求得 时，即完成了对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的校正过程。
[0044] 本发明的有益效果是：该方法将导致NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的各种误差分为与积分时间成正比的变量部分和一个常量部分，并在此基础上建立系统固定误差的数理模型，设计图像传感器的误差实时测量实验，根据实测结果最终给出基于该模型的固定误差的动态标定与校正方法。该方法摒弃了传统的针对各种误差源，分别从系统硬件设计或图像传感器工作环境条件上采取措施，以求减小测量结果中固定误差的长周期、高成本处理方式。此外，本方法还在每次实际测量时均对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差进行补偿和抵消处理，提高了固定误差校正的精度，并降低了系统的设计、制造和维护、校准成本。
[0045] 此外，本方法通过简单易行的实时误差标定与数学模型求解实现软件调零，并将软件调零过程实时化，从而克服了传统硬件调零方法的周期和频率不易把握的问题。
具体实施方式
[0046] 下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
[0047] 本发明的一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法包括如下步骤：
[0048] 步骤一、对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差进行整体数学建模，具体方法为：
[0049] 根据系统固定误差与积分时间的关系类型，将NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的数学模型表示为：
[0050] E＝ER+T×ED (1)
[0051] 式(1)中，E表示NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的总量，T为积分时间(单位为秒)，ED表示随积分时间变化的固定误差在1秒的单位时间内的累积量，ER表示不随积分时间变化的误差的总量；式(1)中，ER和ED是未知量。即图像传感器的m个像元中，任意一个像元的固定误差可以表示为：
[0052] Ek＝ERk+T×EDk (2)
[0053] 式(2)中，Ek是第k个像元的固定误差总量；ERk是第k个像元不随积分时间变化的误差的总量；EDk表示第k个像元随积分时间变化的固定误差在单位时间内的累积量；
[0054] 步骤二、在无光照条件下进行N(N≥2，N为自然数)次误差测量，获得N组误差测量值，其具体包括如下子步骤：
[0055] 步骤2.1：在无光照条件下，使NMOS线阵图像传感器进行进行第一次测量，积分时间为T1，得到由m个像元各自在第一次测量中的输出信号值组成的第一组误差测量值，[0056] As1＝{E11，E21，……Ek1，……Em1} (3)
[0057] 其中，Ek1表示第k个像元在第1次误差测量中的输出信号值；
[0058] 步骤2.2：使用与步骤2.1相同的方法，在无光照条件下，使NMOS线阵图像传感器再进行N-1次测量，并且使N-1次测量中每次测量的积分时间按照如下要求进行取值：
[0059] T1
[0060] 式(4)中，i(i≤N，i取自然数)为测量的次数序号；Ti为第i次测量中积分时间的取值；T1为第1次测量中积分时间的取值；TN为第N次测量中积分时间的取值；
[0061] N-1次测量后，得到N-1组误差测量值As2，As3，……Asi，……AsN，其中，Asi是由m个像元各自在第i次测量中输出信号值E1i，E2i，……Eki，……，Emi组成的第i组误差测量值；
[0062] 步骤二中，共获得N组误差测量值As1，As2，As3，……Asi，……AsN；
[0063] 步骤三、利用步骤二所述N组误差测量值，对步骤一所述像元固定误差数学模型中的未知参数进行求解，m个像元中每个像元都进行一次求解，得到对应的一组误差参数EDk、ERk；其具体包括如下子步骤：
[0064] 步骤3.1：在步骤二的N组误差测量值As1，As2，……Asi，……AsN中，将第一个像元在N次误差测量中的误差输出值E11、E12、……、E1N取出，将N次误差测量中使用的N个积分时间T1、T2、……、TN取出，根据步骤1所述的误差模型，可以得到m个方程：
[0065]
[0066] 式(5)中， 是第一个像元输出信号值中不随积分时间变化的误差ER1的估计值；是第一个像元输出信号值中随积分时间变化的固定误差在单位时间内累积量ED1的估计值；
[0067] 步骤3.2：应用最小二乘法求解式(5)中 和
[0068] (6)
[0069]
[0070] 式(6)中i取自然数；
[0071] 将 和 作为第1个像元ED1和ER1的数值大小，即：
[0072]
[0073] 步骤3.3：对于第2、3、···、m个像元中的每个像元，重复步骤3.1、3.2，求出第2、3、···、m个像元中每个像元所对应的EDk、ERk，即分别求得ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
[0074] 步骤三中，对每个像元都会求解出一组误差参数EDk、ERk，m个像元总共会有m组误差参数，即ED1和ER1；ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
[0075] 步骤四、在用NMOS线阵图像传感器直接对外部入射光信号进行测量时，利用步骤二、三得到误差模型与参数，并对测量结果进行校正,其具体包括如下子步骤：
[0076] 步骤4.1：在用NMOS线阵图像传感器每次开始工作时或工作过程中每隔一段时间，遮挡入射到传感器的光信号，按照步骤二、三进行固定误差的实时测量与标定，得到图像传感器系统中m个像元的固定误差参数ED1和ER1；ED2和ER2；ED3和ER3……EDm和ERm；
[0077] 步骤4.2：固定误差测量标定完成后，NMOS线阵图像传感器正常工作，进行光谱测量，并在每次测量读出时，针对NMOS线阵图像传感器的每一个像元，利用该次测量的积分时间和固定误差标定得到的模型与参数对像元的输出进行校正；某次测量的积分时间为t，m个像元的输出分别为y1，y2，···，ym；m个像元中每个像元固定误差的大小计算为：
[0078]
[0079] 步骤4.3：利用公式(8)的计算结果，对m个像元的输出分别进行校正：
[0080]
[0081] 当用步骤一至四所述方法分别求得 时，即完成了对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差的校正过程。
[0082] 就是NMOS线阵图像传感器系统经校正后m个像元均剔除在固定误差后的准确测量值。
[0083] 本发明的一种NMOS线阵图像传感器系统固定误差动态标定与校正方法通过将导致NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的各种误差分为与积分时间成正比的变量部分和一个常量部分，并在此基础上建立系统固定误差的数理模型，设计图像传感器的误差实时测量实验，根据实测结果最终给出基于该模型的固定误差的动态标定与校正方法。该方法摒弃了传统的针对各种误差源，分别从系统硬件设计或图像传感器工作环境条件上采取措施，以求减小测量结果中固定误差的长周期、高成本处理方式。此外，本方法还在每次实际测量时均对NMOS线阵图像传感器及其外部读出电路的系统固定误差进行补偿和抵消处理，提高了固定误差校正的精度，并降低了系统的设计、制造和维护、校准成本。
[0084] 此外，本方法通过简单易行的实时误差标定与数学模型求解实现软件调零，并将软件调零过程实时化，从而克服了传统硬件调零方法的周期和频率不易把握的问题。
