王银飞　张雨晨

摘 要：从ICCD的基本结构出发，分析光子在ICCD中的倍增过程和每个过程引入的噪声，根据各噪声所服从的概率分布函数，得到各个噪声的理论表达式，进而对ICCD的信噪比模型进行了理论推导。

关键词：ICCD；信噪比；ICCD噪声

中图分类号：TN249 文献标志码：A 文章编号：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通常作为成像系统的接收系统，目标反射回来的光信号需通过ICCD进行选通、放大和输出显示。因此，ICCD的噪声特性是影响成像系统成像质量的主要因素之一。ICCD工作时，入射光从物镜输入，经光阴极、微通道板、荧光屏到最后被CCD探测输出图像均会产生噪声，而且微通道板会在倍增进入的信号时，也会同时倍增随信号一同进入的噪声，还会产生二次噪声。CCD信号电荷在注入、转移、检测输出等过程也都会引入噪声，CCD的主要噪声为暗电流噪声和读出噪声[1-2]，不过随着技术和工艺的进步，CCD噪声正在不断被减弱[3-4]。而且性质不同的噪声对ICCD信噪比的影响程度也不同，按噪声与信号的关系可将噪声分为与信号强度相关的乘性噪声和与信号强度不相关的加性噪声，ICCD的主要噪声为乘性噪声[5]。ICCD作为最常用光电探测器件之一，其信噪比模型对成像系统的研究具有重要意义。

1 ICCD的基本结构

ICCD由光阴极、MCP（像增强器）、荧光屏、中继元件、CCD等器件组成。如图1所示，ICCD工作时，入射光通过物镜聚焦在光电阴极上，光阴极通过外光电效应将光子转化为电子，电子经过高压电场加速后进入MCP，通过MCP中的微通道板实现光电子的倍增输出，从微通道板出射的电子高速轰击荧光屏，重新激发出的光子图像，再经中继元件投射在CCD上，CCD接收增强了的光学图像，并将光信号转变成电信号，由放大器放大电信号，A/D转换成数字图像信号输出，实现微光的探测。

ICCD的耦合方式通常有纤维光锥耦合和光学透镜耦合。纤维光锥耦合是将像增强器和CCD直接耦合，具有尺寸小、重量轻、耦合效率高等优点，但是分辨率较低；光学透镜耦合是利用中继透镜耦合，将像增强器荧光屏上的像成像于CCD上，具有使用灵活、分辨率高等优点，但是体积较大[6]。

2 ICCD的主要噪声

根据噪声性质的不同，ICCD的噪声可分为乘性噪声和加性噪声，乘性噪声主要包括光子散粒噪声、光电阴极噪声、MCP噪声、荧光屏噪声等，加性噪声主要为CCD噪声。

入射到光电阴极的光子流是呈泊松分布的随机变量，本身具有噪声，称为光子散粒噪声，用泊松分布的标准差表示。设入射的光通量为？椎，ICCD积分时间为τ，光子波长λ，光速c，h为普朗克常量，hc/λ表示每个光子能量，则光子散粒噪声为Np可表示为[7]：

光电阴极将入射光子转换为电子的过程也是符合泊松分布随机过程，设光电阴极的量子效率為ηc，光电阴极噪声Nc可表示为[7]：

光电阴极将光子转化成电子进入MCP进行倍增，倍增的倍数与MCP端面的开口面积比、电子入射角度的因素有关，整体倍增过程服从弗瑞分布[7]，MCP在微通道板里会对电子进行多次倍增，二次倍增会产生额外噪声[8]。设η为MCP输入端面的探测效率，P0为入射电子能倍增的几率，G为MCP的增益，δ为MCP二次电子倍增的平均值，P为各倍增级二次电子能再次倍增的几率， MCP噪声Nm可表示为[7]：

经过MCP倍增的电子射向荧光屏，荧光屏将电子重新转化成光子，荧光屏的量子噪声主要为入射电子的随机分布导致的输出光子噪声和荧光屏本身发光的量子性导致的输出光子噪声，二者均符合泊松分布，设荧光屏的转化效率为Ns，荧光屏噪声Ns可表示为[7]：

荧光屏射出的光子被CCD探测并输出，CCD噪声读出噪声包括复位噪声、放大噪声等，可以通过双采样技术等技术较好抑制[3-4]，建模时通用一常量NCCD表示。

3 ICCD信噪比模型

设入射的光通量为？椎，积分时间为τ，则入射的信号光子数为：

由噪声的随机性可知ICCD的各个噪声相互独立，由第2节分析可知，乘性噪声用噪声所服从的概率分布函数的标准差表示，根据方差和标准差的性质，总的乘性噪声Nadd可以表示为：

4 结束语

ICCD工作时，除光子本身的光子散粒噪声外，光电阴极将光子转化为电子的过程、MCP的倍增过程、荧光屏重新将电子转换成光子的过程以及CCD的探测传输过程均会产生噪声，通过分析各个过程产生噪声的特点和性质可得到各个噪声的理论表达式，进而可推导求得ICCD的信噪比模型。该信噪比模型详细分析了ICCD工作过程中各部分噪声产生的来源以及各个噪声的性质，对ICCD的信号与噪声分析具有一定借鉴意义。

参考文献：

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[5]陈晨，许武军，翁东山.电子倍增CCD噪声来源和信噪比分析[J].红外技术，2007（11）：17-20.

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[8]Moran， SE，Ulich， BL，Elkins， WP.Intensified CCD（ICCD） dynamic range and noise， performance[J].1997，3173：430-457.