CN107677369B - 基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，涉及一种基于全局HDR模式的光谱成像系统，解决现有光谱成像系统在高空间和光谱分辨率应用存在光谱能量过低信噪比偏低的问题，包括光学系统、基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；光学系统接收外部光谱信息并在基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器上成像；成像控制器控制基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器输出高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像并分别将所述高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像送入外部存储器进行片外CDS和HDR处理后，输出光谱图像。本发明满足高空间和光谱分辨率的高帧频需求；在相同的帧频下，CMOS图像传感器的功耗更低，体积和重量更小。

Description

基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统

技术领域

本发明涉及一种基于全局HDR(高动态范围)模式的光谱成像系统，具体涉及工作在全局快门工作方式下采用基于高低通道增益图像合成实现HDR的高灵敏度的CMOS图像传感器光谱成像系统。

背景技术

由于成像光谱仪将景物像元的信息分成几十乃至上百个光谱通道，从而使得焦平面阵列探测器每个像元所接受到的能量大为降低，直接导致信噪比严重下降，在高空间分辨率(优于30m)的条件下成像光谱仪信噪比往往无法满足实际应用需求。成像光谱仪对地面目标推扫成像时，由于飞行器飞行速度很高，探测器上每个像元接收地面目标辐射的时间(积分时间)很短，当地面目标较暗时，探测器的信噪比将很低。例如，在轨道高度H＝400km时，飞行速度V＝6.878km/s，地面像元分辨力δ＝10m时，探测器每个像元积分时间只有1.45ms，探测器帧频将高达687.8fps。根据信噪比方程，要获得更高的信噪比，在系统的光学参数和探测器都确定的情况下，只有通过增加积分时间来实现。在成像光谱仪望远镜前端设置扫描镜进行运动补偿是增加积分时间的有效方法之一，美国的高分辨率成像光谱仪(HIRIS),沿海海洋成像光谱仪(COIS)等成像光谱仪均采用了该方法增加积分时间以提高信噪比。

光谱成像系统的应用效果非常依赖获取的图像信噪比。但在低照度条件下，特别是高空间分辨率下超光谱成像领域，受入射光能量、积分时间、光谱分辨率以及分光元件透过率的影响，仪器的信噪比受到较大的制约。由于光谱成像包含了空间和光谱两维信息，不能使用TDI模式解决光能量弱问题。

CMOS图像传感器和CCD相比，不需要多种工作电压的驱动电路，也不需要外部的视频处理器进行模数转换等操作，具有体积小、重量轻、功耗低的优点。但由于CMOS图像传感器的工作电压低，和CCD相比，像素内能存储的电荷量偏少。当把CMOS内的读出电路的电荷电压转换比设置得较小，则可在较宽的入射光能量范围工作，但读出噪声偏高；当把CMOS内的读出电路的电荷电压转换比设置得较大，则读出噪声可降低，但仅能在较窄的入射光能量范围工作。因此可以把高、低电荷电压转换比的图像进行组合，同时获得高空间和光谱分辨率的光谱图像最佳的信噪比和动态范围。

发明内容

本发明为解决现有光谱成像系统在高空间和光谱分辨率应用存在光谱能量过低信噪比偏低的问题，提供一种基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统。

基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，包括光学系统、基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；

所述光学系统接收外部光谱信息并在基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器上成像；所述成像控制器控制基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器输出高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像并分别将所述高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像送入外部存储器进行片外CDS和HDR处理后，输出光谱图像，其特征是；

成像信噪比计算表达式为：

K为波尔茨曼常数，T为绝对温度，B为带宽，R_a为放大器的输出电阻值。V_S表示由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，k_PGA为从读出放大器到模数转换器量化前的模拟增益；V_S为由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，σ_s表示入射光子散粒噪声，σ_d表示暗噪声，σ_qua表示量化噪声，CVF为电荷转换因子；

对于高增益通道，所述光谱成像系统的电荷转换因子CVF_high和模数量化位数及从读出放大器到模数转换器量化前的模拟增益的设置原则为：

式中为输入的最低光谱信号能量,k_{PGA_high}为高的可编程放大器增益；

对于低增益通道，要求模数转换器的输入的最大信号能接近模数转化器的最大量程，即：

k_PGA×V_OUT≤V_ad

式中，V_OUT为读出放大器输出的电压，设定小于等于CMOS的等效的满阱电子容量，且大于模数转换器的量程范围V_ad，Q_M为进入读出放大器的电荷电量，C_S为节点电容，G_read为读出放大器的增益。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的光谱成像系统和CCD成像相比，CMOS图像传感器可实现更高的帧频，满足高空间和光谱分辨率的的高帧频应用需求；在相同的帧频下，CMOS图像传感器的功耗更低，体积和重量更小；

二、本发明基于基于HDR工作方式，可以在若光谱能量的条件下获得较高的信噪比，在强光谱能量下也可获得高的信噪比，动态范围大，满足不同光谱谱段响应差异大的需求；

三、本发明基于三种地的回流抑制，可降低数字电路的干扰，提高信噪比，也可使探测器在更高的帧频下工作。

附图说明

图1为本发明所述的基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统的原理图；

图2为本发明所述的基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统中拟采用的CMOS图像传感器叠层方式示意图；

图3为本发明所述的基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统中拟采用的CMOS图像传感器接地和去耦方式的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，主要针对工作在全局快门工作方式下采用基于高低通道增益图像合成实现HDR(高动态范围)的高灵敏度的CMOS图像传感器光谱成像方法，因此需要同时读出高低增益通道的复位信号和感光图像信号，根据输入的光能量强度和高增益通道的线性范围进行合成，以获得最佳的各谱段光谱图像信噪比和线性度。对于高空间分辨率和高光谱分辨率的空间成像光谱应用，需要所有的像元同时曝光，CMOS图像传感器以高帧频运行，其内部不仅包含有成像感光的模拟电路，还包含有高工作电流的大量数字电路，为提高成像信噪比，因此需要对其供电及拓扑结构进行精心设计。

该系统具体包括光学系统、基于HDR工作方式的CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；光谱成像光学系统将外部的光谱信息成像在基于HDR工作方式的CMOS图像传感器上；在成像控制器的控制下，CMOS图像传感器输出高低增益的数字图像数据经送入外部存储器进行片外CDS(相关双采样)和HDR(高动态范围)算法处理后，进行光谱图像的输出。

本实施方式中，为满足高空间和光谱分辨率的光谱成像，要求CMOS图像传感器工作在全局快门工作方式下，具有HDR工作方式(有高电荷转换因子和低电荷转换因子的两种图像数据输出通道)，最小帧频为：

式中，b为面阵CMOS图像传感器的像元尺寸；G为万有引力常数，M为地球质量，R为平均地球半径，H为飞行器平均离地高度,f为光谱成像光学系统的焦距。

具有两种灵敏度(A_d×η×CVF)的数据输出通道，两种灵敏度的差别在于电荷转换因子不同。对于高增益通道，要求转换增益不低于2.1DN/e-；对于低增益通道，要求转换增益不低于0.04DN/e-。

成像信噪比计算表达式如下式：

K为波尔茨曼常数，T为绝对温度，B为带宽，R_a为放大器的输出电阻值。V_S表示由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，k_PGA表示从读出放大器到ADC量化前的模拟增益。V_S表示由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，σ_s表示入射光子散粒噪声，σ_d表示暗噪声，σ_qua表示量化噪声，CVF表示电荷转换因子。

对于高增益通道，光谱成像系统的电荷转换因子CVF_high和模数量化位数及从读出放大器到模数转换器(ADC)量化前的模拟增益的设置原则为：

式中为输入的最低光谱信号能量，k_{PGA_high}为高的可编程放大器增益；

对于低增益通道，应该保证输入信号的满量程使用，保证CMOS内的ADC的输入的最大信号能接近模数转化器的最大量程，即：

k_PGA×V_OUT≤V_ad

设定不大于CMOS的等效的满阱电子容量，且大于模数转换器的量程范围V_ad。G_read为读出放大器的增益。

G_read为读出放大器的增益(范围是0.8～1)，C_S为节点电容，Q_M为进入读出放大器的电荷电量,V_OUT为读出放大器输出的电压。

本实施方式所述的面阵CMOS图像传感器不仅包含有进行感光的模拟电路，进行时钟倍频的锁相环电路，还包含有时序产生、SPI控制、模数转换等数字电路，而且其数字电路部分的工作电流大于模拟电路和锁相环电路的工作电流，若将三种地直接相连会导致数字地的干扰噪声污染模拟地和锁相环地。另外，CMOS图像传感器内部的模拟电路、数字电路和锁相环电路未进行区域划分，难以进行区域分地处理，因此从两个方面进行数字干扰噪声的抑制：

回流耦合路径的控制：

根据平板电容的公式耦合电容c＝εs/d，c为不同网络间的耦合电容，ε为电路板的介电常数，d为不同网络之间的距离。信号的回流与耦合电容的关系是：i＝cdu/dt。为使顶层的模拟和锁相环地得到的耦合电流小，如图3所示，将模拟和锁相环地设置在线路板上与探测器相同的顶层，顶层同时放置与模拟和锁相环地进行等电位连通的数字地；顶层的相邻层全为数字地，信号和数字地放置在线路板的其余层；顶层的模拟和锁相环地与数字地的间距大于3mm，顶层与相邻数字地层的间距h1大于线路板厚度h的1/5；顶层模拟地的宽度，

w_模拟＝ki_模拟

顶层锁相环地的宽度

w_pll＝ki_pll

式中i_模拟为模拟电路的总峰值电流，i_pll为锁相环的峰值电流；1＜k＜5。

回流阻抗的控制：

结合图3说明本实施方式，外部DC/DC供电电源输出的电压经EMI滤波器滤波后，经各LDO(低压差电压转换芯片)进行电压转换后，分别给数字供电、锁相环供电和模拟供电部分提供电源。数字供电去耦电容直接连接在数字地上；模拟供电的去耦电容直接连接在模拟地上；锁相供电的去耦电容直接连接在锁相环地上。数字地和经EMI滤波器滤波后的电源回线通过多点接地直接相连，锁相环地和模拟地通过窄导线或0欧电阻与电源回线相连。

在模拟地和电源地、锁相环地和电源地之间相连的窄导线最小宽度w_w公式如下：

式中，ε_r为电介质的介电常数，h_w为顶层的模拟地层和锁相环地层与相邻数字地层的距离，h_d为数字地层的相邻两个导电层的间距，w_w为顶层的模拟地层和锁相环地层的窄导线最小宽度，w_d为数字地层的最小宽度，t_w为顶层的模拟地层和锁相环地层厚度，t_d为数字地层的厚度。

本实施方式中，基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器采用长光辰芯公司的CMOS图像传感器，可工作在全局快门工作方式下；成像控制器选用采用Xilinx公司的FPGA6vlx550tff1760；外部存储器采用美光公司的DDR3存储器；光谱成像光学系统采用基于狭缝的光栅分光光学系统。

Claims (3)

1.基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，包括光学系统、基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；

所述光学系统接收外部光谱信息并在基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器上成像；所述成像控制器控制基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器输出高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像并分别将所述高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像送入外部存储器进行片外CDS和HDR处理后，输出光谱图像，其特征是；

成像信噪比计算表达式为：

K为波尔茨曼常数，T为绝对温度，B为带宽，R_a为放大器的输出电阻值；V_S表示由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，k_PGA为从读出放大器到模数转换器量化前的模拟增益；V_S为由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，σ_s表示入射光子散粒噪声，σ_d表示暗噪声，σ_qua表示量化噪声，CVF为电荷转换因子；

对于高增益通道，所述光谱成像系统的电荷转换因子CVF_high和模数量化位数及从读出放大器到模数转换器量化前的模拟增益的设置原则为：

式中为输入的最低光谱信号能量,k_{PGA_high}为高的可编程放大器增益；

对于低增益通道，要求模数转换器的输入的最大信号能接近模数转化器的最大量程，即：

k_PGA×V_OUT≤V_ad

式中，V_OUT为读出放大器输出的电压，设定小于等于CMOS的等效的满阱电子容量，且大于模数转换器的量程范围V_ad，Q_M为进入读出放大器的电荷电量，C_S为节点电容，G_read为读出放大器的增益。

2.根据权利要求1所述的基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，其特征在于，具有HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器的最小帧频为：

式中，b为面阵CMOS图像传感器的像元尺寸；G为万有引力常数，M为地球质量，R为平均地球半径，H为飞行器平均离地高度，f为光谱成像系统的焦距。

3.根据权利要求1所述的基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，其特征在于，根据面阵CMOS图像传感器的工作特性，对所述面阵CMOS图像传感器进行数字回流干扰的抑制，具体包括回流耦合路径的控制和回流阻抗的控制；

所述回流耦合路径的控制方式为：

根据平板电容的公式耦合电容，c＝εs/d；

c为不同网络间的耦合电容，ε为电路板的介电常数，d为不同网络之间的距离；信号的回流与耦合电容的关系为：i＝cdu/dt；du/dt为电压的变化率；

将面阵CMOS图像传感器的模拟地和锁相环地设置在线路板上与探测器相同的顶层，顶层同时放置与模拟地和锁相环地进行等电位连通的数字地；顶层的相邻层全为数字地，信号和数字地放置在线路板的其余层；顶层的模拟地和锁相环地与数字地的间距大于3mm，顶层与相邻数字地层的间距h1大于线路板厚度h的1/5；顶层模拟地的宽度为：w_模拟＝i_模拟；

顶层锁相环地的宽度为：w_pll＝i_pll；

式中i_模拟为模拟地电路的总峰值电流，i_pll为锁相环地的峰值电流；

所述回流阻抗的控制方式为：

外部DC/DC供电电源输出的电压经EMI滤波器滤波后，经各低压差电压转换芯片进行电压转换后，分别为数字供电、锁相环供电和模拟供电部分提供电源；

所述数字供电去耦电容直接连接在数字地上，模拟供电的去耦电容直接连接在模拟地上，锁相供电的去耦电容直接连接在锁相环地上；

数字地和经EMI滤波器滤波后的电源回线通过多点接地直接相连，锁相环地和模拟地通过窄导线或0欧电阻与电源回线连接；

在模拟地和电源地、锁相环地和电源地之间相连的窄导线最小宽度w_w公式为：

式中，ε_r为电介质的介电常数，h_w为顶层的模拟地层和锁相环地层与相邻数字地层的距离，h_d为数字地层的相邻两个导电层的间距，w_w为顶层的模拟地层和锁相环地层的窄导线最小宽度，w_d为数字地层的最小宽度，t_w为顶层的模拟地层和锁相环地层厚度，t_d为数字地层的厚度。