25/09/11Yn elk mjitsysteem - fan draadloze kommunikaasje oant digitale fotografy - is de signaal-ruisferhâlding (SNR) in fûnemintele maatstaf foar kwaliteit. Oft jo no teleskoopôfbyldings analysearje, mikrofoanopnames ferbetterje of problemen mei in draadloze ferbining oplosse, SNR fertelt jo hoefolle nuttige ynformaasje opfalt tusken net winske eftergrûnrûs.
Mar it korrekt berekkenjen fan SNR is net altyd ienfâldich. Ofhinklik fan it systeem moatte ekstra faktoaren lykas tsjustere stroom, lêsrûs of pikselbinning miskien yn oerweging nommen wurde. Dizze hantlieding liedt jo troch de teory, kearnformules, faak foarkommende flaters, tapassingen en praktyske manieren om SNR te ferbetterjen, sadat jo it sekuer kinne tapasse yn in breed skala oan konteksten.
Wat is sinjaal-lûdsferhâlding (SNR)?
Yn 'e kearn mjit de sinjaal-lûdsferhâlding de relaasje tusken de sterkte fan in winske sinjaal en de eftergrûnlûd dy't it ferberget.
● Sinjaal = de betsjuttingsfolle ynformaasje (bygelyks, in stim yn in oprop, in stjer yn in teleskoopôfbylding).
● Rûzje = willekeurige, net winske fluktuaasjes dy't it sinjaal ferfoarmje of ferbergje (bygelyks, statyske elektrisiteit, sensorrûzje, elektryske ynterferinsje).
Wiskundich wurdt SNR definiearre as:
Omdat dizze ferhâldingen oer in protte oarders fan grutte kinne ferskille, wurdt SNR meastentiids útdrukt yn desibel (dB):
● Hege SNR (bygelyks 40 dB): it sinjaal domineart, wat resulteart yn dúdlike en betroubere ynformaasje.
● Lege SNR (bygelyks 5 dB): rûs oerweldiget it sinjaal, wêrtroch ynterpretaasje lestich wurdt.
Hoe kinne jo SNR berekkenje
De berekkening fan 'e sinjaal-ruisferhâlding kin mei ferskillende nivo's fan presyzje útfierd wurde, ôfhinklik fan hokker ruisboarnen opnommen binne. Yn dizze seksje sille twa foarmen yntrodusearre wurde: ien dy't rekken hâldt mei tsjustere stroom en ien dy't oannimt dat it negearre wurde kin.
Opmerking: It tafoegjen fan ûnôfhinklike rûswearden fereasket dat se yn kwadratuur tafoege wurde. Elke boarne fan rûs wurdt yn it kwadraat opteld, opteld, en de fjouwerkante woartel fan it totaal wurdt nommen.
Sinjaal-lûdferhâlding mei tsjustere stroom
It folgjende is de fergeliking om te brûken yn situaasjes wêr't tsjustere stroomrûs grut genôch is om opname te fereaskjen:
Hjir is de definysje fan termen:
Sinjaal (e-): Dit is it sinjaal fan belang yn fotoelektronen, mei it tsjustere stroomsinjaal ôflutsen
It totale sinjaal (e-) sil it oantal fotoelektronen yn 'e piksel fan belang wêze - strikt net de pikselwearde yn ienheden fan griisnivo's. It twadde foarbyld fan it sinjaal (e-), ûnderoan de fergeliking, is de fotonshotrûs.
Tsjustere stroom (DC):De tsjustere stroomwearde foar dy piksel.
t: Eksposysjetiid yn sekonden
σr:Lês rûs yn kameramodus.
Sinjaal-lûdferhâlding foar ferwaarloosbere tsjustere stroom
Yn gefallen fan koarte (< 1 sekonde) bleatstellingstiden, plus koele, hege prestaasjes kamera's, sil tsjustere stroomrûs oer it algemien fier ûnder lêsrûs wêze, en feilich negearre wurde.
Wêr't termen opnij binne lykas hjirboppe definiearre, mei de útsûndering dat it tsjustere stroomsignaal net berekkene en fan it sinjaal ôflutsen hoecht te wurden, om't it gelyk wêze moat oan nul.
Beperkingen fan dizze formules en ûntbrekkende termen
De formules tsjinoer sille allinich juste antwurden jaan foar CCD enCMOS-kamera'sEMCCD en yntinsivere apparaten yntrodusearje ekstra rûsboarnen, sadat dizze fergelikingen net brûkt wurde kinne. Foar in folsleinere signaal-rûsferhâldingsfergeliking dy't rekken hâldt mei dizze en oare bydragen.
In oare rûsterm dy't faak (of eartiids) opnommen is yn SNR-fergelikingen is dy fan 'e foto-antwurd net-uniformiteit (PRNU), ek wol oantsjutten as 'fêste patroanrûs' (FPN). Dit fertsjintwurdiget de ûngelikensens fan fersterking en fan sinjaalrespons oer de sensor, dy't dominant wurde kin by hege sinjalen as se grut genôch binne, wêrtroch't SNR ferminderet.
Wylst iere kamera's genôch PRNU hiene om de opname dêrfan te fereaskjen, wiene de measte modernewittenskiplike kamera'shawwe genôch lege PRNU om har bydrage folle leger te meitsjen as dy fan fotonskotlûd, foaral nei't ynboude korreksjes tapast binne. It wurdt dêrom no meastentiids negeare yn SNR-berekkeningen. PRNU is lykwols noch altyd wichtich foar guon kamera's en tapassingen, en is foar folsleinens opnommen yn 'e mear avansearre SNR-fergeliking. Dit betsjut dat de levere fergelikingen nuttich binne foar de measte CCD/CMOS-systemen, mar net as universeel tapasber beskôge wurde moatte.
Soarten rûs yn SNR-berekkeningen
It berekkenjen fan SNR giet net allinich oer it fergelykjen fan in sinjaal mei ien rûswearde. Yn 'e praktyk drage meardere ûnôfhinklike rûsboarnen by, en it begripen dêrfan is essensjeel.
Skotlûd
● Oarsprong: statistyske oankomst fan fotonen of elektroanen.
● Skalearret mei de fjouwerkantswoartel fan it sinjaal.
● Dominant yn foton-beheinde ôfbylding (astronomy, fluoreszinsjemikroskopie).
Termyske lûd
● It wurdt ek wol Johnson-Nyquist-lûd neamd, produsearre troch elektronbeweging yn wjerstannen.
● Nimt ta mei temperatuer en bânbreedte.
● Wichtich yn elektroanika en draadloze kommunikaasje.
Tsjustere stroomlûd
● Willekeurige fariaasje yn tsjustere stroom binnen sensoren.
● Mear betsjuttingsfol by lange bleatstellings of waarme detektors.
● Fermindere troch it koeljen fan de sensor.
Lês lûd
● Lûd fan fersterkers en analoog-nei-digitaal konverzje.
● Fêst per útlêzing, dus kritysk yn regimes mei leech sinjaal.
Kwantisaasjelûd
● Yntrodusearre troch digitalisaasje (ôfrûnjen nei diskrete nivo's).
● Wichtich yn systemen mei lege bitdjipte (bygelyks 8-bit audio).
Miljeu-/systeemlûd
● EMI, oerspraak, ripple yn 'e stroomfoarsjenning.
● Kin oerhearskje as de ôfskerming/ierding min is.
Begripe hokker fan dizze dominant is helpt by it kiezen fan 'e juste formule en mitigaasjemetoade.
Faak foarkommende flaters by it berekkenjen fan SNR
It is maklik om in protte 'koarte' metoaden tsjin te kommen om in sinjaal-rûsferhâlding yn ôfbylding te skatten. Dizze binne faak minder kompleks as de fergelikingen hjir tsjinoer, meitsje it makliker om ôf te lieden fan in ôfbylding sels ynstee fan kennis fan kameraparameters lykas lêsrûs te fereaskjen, of beide. Spitigernôch is it wierskynlik dat elk fan dizze metoaden ferkeard is, en sil liede ta skeve en ûnnuttige resultaten. It wurdt sterk oanrikkemandearre dat de fergelikingen hjir tsjinoer (of de avansearre ferzje) yn alle gefallen brûkt wurde moatte.
Guon fan 'e meast foarkommende falske fluchtoetsen binne:
1. Fergeliking fan sinjaalintensiteit tsjin eftergrûnintensiteit, yn griisnivo's. Dizze oanpak besiket de gefoelichheid fan 'e kamera, sinjaalsterkte of in sinjaal-ruisferhâlding te beoardieljen troch in peakyntensiteit te fergelykjen mei in eftergrûnintensiteit. Dizze oanpak is djip gebrekkich, om't de ynfloed fan kamera-offset de eftergrûnintensiteit willekeurich ynstelle kin, fersterking de sinjaalintensiteit willekeurich ynstelle kin, en gjin bydrage fan ruis yn it sinjaal of de eftergrûn wurdt meirekkene.
2. Sinjaalpieken diele troch de standertôfwiking fan in gebiet fan eftergrûnpiksels. Of, piekwearden fergelykje mei de fisuele rûs yn 'e eftergrûn dy't werjûn wurdt troch in lineprofyl. Oannommen dat de offset korrekt ôflutsen wurdt fan wearden foar dieling, is it grutste gefaar yn dizze oanpak de oanwêzigens fan eftergrûnljocht. Elk eftergrûnljocht sil typysk de rûs yn eftergrûnpiksels dominearje. Fierder wurdt de rûs yn it sinjaal fan belang, lykas sjitrûs, eins hielendal net yn rekken brocht.
3、Gemiddeld sinjaal yn piksels fan belang vs. standertôfwiking fan pikselwearden: Fergelykjen of observearjen hoefolle in pyksinjaal feroaret oer neistlizzende piksels of opienfolgjende frames is tichter by korrekt wêzen as oare fluchtoetsmetoaden, mar it is net wierskynlik dat it oare ynfloeden foarkomt dy't wearden ferfoarmje, lykas in feroaring yn it sinjaal dy't net ôflaat is fan rûs. Dizze metoade kin ek ûnkrekt wêze fanwegen lege pikseltellingen yn 'e fergeliking. It subtrahearjen fan 'e offsetwearde moat ek net fergetten wurde.
4. SNR berekkenje sûnder te konvertearjen nei yntensiteitsienheden fan fotoelektronen, of sûnder de offset te ferwiderjen: Om't fotonskotlûd typysk de grutste lûdsboarne is en ôfhinklik is fan kennis fan 'e offset en fersterking fan' e kamera foar mjitting, is it net mooglik om berekkening werom nei fotoelektronen foar SNR-berekkeningen te foarkommen.
5. SNR mei it each beoardielje: Wylst yn guon omstannichheden it beoardieljen of fergelykjen fan SNR mei it each nuttich wêze kin, binne d'r ek ûnferwachte falstrikken. It beoardieljen fan SNR yn piksels mei hege wearde kin dreger wêze as yn piksels mei legere wearde of eftergrûn. Subtilere effekten kinne ek in rol spylje: Bygelyks, ferskillende kompjûtermonitors kinne ôfbyldings mei heul ferskillend kontrast werjaan. Fierder kin it werjaan fan ôfbyldings mei ferskillende zoomnivo's yn software de fisuele uterlik fan rûch signifikant beynfloedzje. Dit is foaral problematysk as jo besykje kamera's te fergelykjen mei ferskillende pikselgruttes fan objektromte. Uteinlik kin de oanwêzigens fan eftergrûnljocht elke poging om SNR fisueel te beoardieljen ûnjildich meitsje.
Tapassingen fan SNR
SNR is in universele metriek mei in breed skala oan tapassingen:
● Audio- en muzykopname: Bepaalt dúdlikens, dynamysk berik en betrouberens fan opnames.
● Draadloze kommunikaasje: SNR hat direkt te krijen mei bitflaterraten (BER) en datatrochput.
● Wittenskiplike ôfbylding: Yn 'e astronomy is in hege SNR nedich foar it opspoaren fan swakke stjerren tsjin in eftergrûnske himelgloed.
● Medyske apparatuer: EKG-, MRI- en CT-scans binne ôfhinklik fan hege SNR om sinjalen te ûnderskieden fan fysiologyske rûs.
● Kamera's en fotografy: Konsumintekamera's en wittenskiplike CMOS-sensoren brûke beide SNR om prestaasjes yn leech ljocht te benchmarken.
Ferbetterjen fan SNR
Omdat SNR sa'n krityske mjitte is, wurdt der flink wat muoite dien om it te ferbetterjen. Strategyen omfetsje:
Hardware-oanpakken
● Brûk bettere sensoren mei legere tsjusterstroom.
● Tapasse ôfskerming en ierding om EMI te ferminderjen.
● Koele detektors om termyske rûs te ûnderdrukken.
Software-oanpakken
● Tapasse digitale filters om net winske frekwinsjes te ferwiderjen.
● Brûk middeling oer meardere frames.
● Brûk algoritmen foar lûdsreduksje yn ôfbyldings- of audioferwurking.
Pikselbinning en syn effekt op SNR
It effekt fan binning op 'e sinjaal-ruisferhâlding hinget ôf fan kameratechnology en sensorgedrach, om't de lûdsprestaasjes fan binned en unbinned kamera's signifikant kinne ferskille.
CCD-kamera's kinne de lading fan oanswettende piksels 'op 'e chip' optelle. De útlêsrûs wurdt mar ien kear feroarsake, hoewol it tsjustere stroomsignaal fan elke piksel ek opteld wurdt.
De measte CMOS-kamera's fiere off-chip binning út, wat betsjut dat wearden earst metten wurde (en lêsrûs ynfierd wurde), en dan digitaal opteld wurde. De lêsrûs foar sokke opteldingen nimt ta troch fermannichfâldiging mei de fjouwerkante woartel fan it oantal piksels dat opteld wurdt, d.w.s. mei in faktor fan 2 foar 2x2 binning.
Om't it rûsgedrach fan sensoren yngewikkeld wêze kin, is it foar kwantitative tapassingen oan te rieden om de offset, fersterking en lêsrûs fan 'e kamera yn binned-modus te mjitten, en dizze wearden te brûken foar de fergeliking foar de signaal-rûsferhâlding.
Konklúzje
De sinjaal-rûsferhâlding (SNR) is ien fan 'e wichtichste metriken yn wittenskip, technyk en technology. Fan it definiearjen fan dúdlikens yn tillefoantsjes oant it mooglik meitsjen fan it opspoaren fan fiere stjerrestelsels, SNR ûnderpint de kwaliteit fan mjit- en kommunikaasjesystemen. It behearskjen fan SNR giet net allinich oer it ûnthâlden fan formules - it giet oer it begripen fan oannames, beheiningen en echte ôfwagings. Fanút dit perspektyf kinne yngenieurs en ûndersikers betrouberdere mjittingen meitsje en systemen ûntwerpe dy't sels yn lawaaiige omstannichheden betsjuttingsfolle ynsjoch ekstrahearje.
Wolle jo mear witte? Besjoch relatearre artikels:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rjochten foarbehâlden. By it sitearjen, neam asjebleaft de boarne:www.tucsen.com
