SCION：SUPR 与 NDR

SCION VisGaAs/MCT 相机结合 SUPR 与无损读出（NDR）实现宽带低噪声高速 SWIR 成像。

需要较长曝光时间的成像应用程序通常面临一个基本挑战：同时捕获微弱的结构，同时避免同一场景中明亮特征的饱和。这在天文学、基于空间的成像和其他科学应用中尤其常见，在这些应用中，光子通量在整个视野中可能发生巨大变化。传统的单样本读出模式迫使灵敏度和动态范围之间进行权衡，经常导致像素饱和、强度信息丢失和定量精度下降。

Teledyne 科学相机的SCION SWIR VISGaAs相机独特地实现了真正的每像素无损读出（ NDR ） ，实现了具有扩展动态范围、降低有效读取噪声以及对随机电报噪声（ RTN ）和宇宙射线等辐射诱发事件的固有鲁棒性的采样向上放大（ SUPR ）操作。

NDR是指在单个积分周期内多次读取存储在像素中的信号而不重置或放电像素的能力。每次读取都会测量瞬时像素信号，同时保留累积电荷。

SUPR建立在NDR的基础上，随着时间的推移在一个像素上执行多次读取，随着该像素上的信号电平增加（甚至达到饱和）而“上升”。SUPR通常使用在曝光期间已知时间采集的一系列NDR读数，其中在恒定光子通量下，像素信号随时间线性增加（形成斜坡，如图1所示）。通过对样本序列拟合一条线，从斜坡的斜率而不是从单个最终样本估计光子通量。

由于SUPR从NDR数据中提取额外的性能和信息，因此具有NDR和执行SUPR的能力是科学相机的重要考虑因素。有关NDR和SUPR的更多技术细节，请参阅Offenberg等人（ 2005 ）的链接出版物。

术语“非破坏性读出”可以稍微松散地使用，一些传感器表现出“类似NDR”的行为，例如源跟随器像素或共享电容器，它们可以在读取时扰乱像素上的电荷，或者无法支持不间断斜坡的足够读取。

SCION SWIR VISGaAs相机通过其像素架构（包括电容性跨阻放大器（ CTIA ） ）实现真正的NDR。CTIA是像素内放大器配置，通过将电流集成到电容器中，将信号的光电子直接转换为电压。

光电二极管不直接存储电荷，并保持恒定电压（虚拟接地） ，确保任何信号都专门集成到反馈电容器中。这种虚拟接地可防止读出过程中的电荷共享或重新分配，使像素响应高度线性化，并通过有效地将信号存储与光电二极管本身分离来实现真正的NDR。

成功的SUPR依赖于关键假设，即在恒定照明下，像素信号随时间线性增加。只有通过CTIA像素架构的真正的NDR才能可靠地满足这个条件，允许高度线性斜坡，没有读取引起的电荷损失，并且在许多读取中保持稳定。

有关CTIAS的更多技术细节，请参阅附录一。

真正的NDR能够实现最佳的SUPR性能，这种读出格式有哪些好处？在SUPR模式下，每个非破坏性读取被存储为时间有序的样本，形成可以可视化为斜坡的每像素序列。在整个传感器上，这些斜坡形成一个三维数据立方体，其轴对应于x、y和时间（或样本索引） ，如图2所示。

这种时间分辨的数据立方体实现了单样本读出无法实现的高级处理技术，包括斜率拟合、饱和感知信号估计和瞬态事件检测。读取降噪和动态范围扩展也有好处。

SUPR的主要好处之一是通过重复采样降低有效读取噪声。在SUPR中，通过线性回归而不是简单的平均提取信号，但类似的降噪行为仍然适用。这种改进最终受到相关噪声源的限制，而相关噪声源又可以使用Allan方差进行分析，以确定最佳样本数量。

斜率不确定度明显低于与单次读数相关的不确定度，从而提高了精度。以SCION为例，单次读取的读取噪声约为30 e- ， SUPR模式的读取噪声< 1 e- ，允许在低信号应用和环境中进行更灵敏的成像。

在传统的读出模式中，一旦像素饱和，关于更高光子通量的所有信息都会丢失。在SUPR中，如果在饱和之前在斜坡上存在足够的不饱和读数，则仍然可以恢复有用的信号信息，如图3所示。

在拟合斜坡时，饱和后采集的样本将从回归中排除。斜率仅由斜坡的线性不饱和部分确定，即使在最终样品饱和时也能准确估计光子通量。通过这种方式， SUPR通过及时编码信号信息而不是仅依赖于电荷容量来有效地扩展动态范围。

随机电报噪声（ RTN ）表现为像素偏移随时间变化的离散、步进式变化。同样，宇宙射线和其他辐射事件可以在累积的信号中引入突然跳跃。在SUPR斜坡中，这些影响表现为突然的异常值，将斜坡划分为不同的段。

由于SUPR估计信号来自斜坡的斜坡，而不是来自绝对电压水平，因此RTN或宇宙射线引起的阶跃变化对拟合斜坡的影响最小。在宇宙射线事件的情况下，可以对斜坡进行分割，并从未受影响的样本中估计斜率，从而保留潜在的光子通量测量。这种固有的鲁棒性使SUPR特别适用于空间和易受辐射的环境。

Teledyne 科学相机的SCION VISGaAs SWIR相机经过独特设计，通过其每像素CTIA架构支持真正的NDR和SUPR操作。SCION是目前唯一提供这些功能作为标准操作模式的相机平台。

SUPR操作引入了样本数量、数据量和处理复杂性之间的权衡。最佳性能取决于根据主要噪声源和应用要求选择适当的采样频率和读取次数。斜率提取可以在后处理中执行，也可以集成到下游数据管道中。

SUPR模式可以降低有效读噪声，这是以牺牲速度为代价的（ SUPR样本数量越多，有效读噪声越低，速度越低）。使用SUPR时的有效读取噪声和成像速度之间的平衡可以在图5中看到。

如图2所示，使用SUPR模式时生成数据立方体（ X和Y为相机传感器， Z为时间）。SCION在全帧时可以达到700 fps ，这意味着SUPR模式可以捕获多达700帧的数据，而不是标准模式下的单帧。使用SUPR时，这可能会导致文件更大。

在640 x 512传感器上以16位采集SCION图像，在标准模式下，每个采集帧的大小为0.6 MB。完全SUPR采样将导致文件最大700倍，最大420 MB。数据传输没有问题（ SCION的USB 3.2电缆的最低数据速率为5 Gbps或625 MB/s ） ，但请注意，启用SUPR模式将导致更大的文件大小，特别是在运行长时间实验或时间流逝的情况下。

Teledyne SCION相机的基于CTIA的VISGaAs架构实现了真正的无损像素读出，为SUPR操作奠定了基础。通过捕获一系列无损采样并从斜坡中提取信号信息， SUPR扩展了动态范围，降低了有效读取噪声，并减轻了RTN和辐射诱导伪影的影响。这些功能使SUPR和NDR成为强大的工具，适用于需要长曝光时间、高动态范围和强大信号完整性的苛刻成像应用，并将SCION定位为该领域独一无二的相机平台。

Offenberg, J. D., Fixsen, D. J., & Mather, J. C. (2005)。具有宇宙射线抑制的内存效率提升处理。太平洋天文学会出版物， 117 （ 827 ） ， 94-103。https://doi.org/10.1086/427566

在SCION中， CTIA集成到每个像素中。使用CTIA ，光电流仅集成到反馈电容器上，参见在曝光开始时，复位开关暂时短路Cf ，将输出电压设置为已知基线。复位释放后，光电流积分到电容器上，产生输出电压：

由于CTIA放大器的输入电流可以忽略不计，因此读取像素不会使电容器放电。因此，每次读取都会对瞬时输出电压Vout (ti)进行采样，而不会干扰存储的电荷。在时间t1、t2、...、tn处的重复读数产生斜率与入射光电流成比例的斜坡：

这种架构与传统的源跟随器像素形成对比，传统的源跟随器像素的读出固有地扰动存储的电荷，并防止真正的无损采样。CTIA像素架构示例如图6所示。