CN108683844A - 基于dmd的tdi推扫成像的实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DMD的TDI推扫成像的实现方法及装置，其中，方法包括以下步骤：成像区域在推扫区域内沿着推扫方向移动，并通过第一镜头在数字微反射镜器件DMD上进行一次成像；在一次成像后，通过DMD的微反射镜阵列进行光调制，并通过第二镜头在高帧频小面阵CCD上进行二次成像；在二次成像后，分别对DMD和CCD的驱动时序进行控制，以实现时间延迟积分TDI推扫成像。该方法不仅有效保证成像的灵活性和通用性，而且可以不引入噪声保证图像质量，简单易实现。

Description

基于DMD的TDI推扫成像的实现方法及装置

技术领域

本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种基于DMD(Digital MicromirrorDevice，数字微反射镜器件)的TDI(Time Delay Integration，时间延迟积分)推扫成像的实现方法及装置。

背景技术

时间延迟积分TDI是20世纪90年代兴起的一项前向像移补偿技术。由于机载或星载遥感成像仪的成像距离都较远，地面物体辐射的能量经过大气后被严重衰减，因此需要通过增加曝光时间来获得较大辐射能量。但由于成像仪与地面存在快速的前向相对运动，更长的曝光时间即意味着更严重的像移模糊，因此需要在曝光的过程中进行前向像移补偿。TDI的工作原理类似于对同一物体多次曝光并将曝光图像累加，即在曝光过程中以计算出的像移动速度同步驱动时钟电路、累加多次曝光能量值，在后期拼接成二维图像。

目前实现TDI功能的成像传感器主要有两种：TDI-CCD和TDI-CMOS。虽然由于TDI芯片的工作方式和CCD器件的成像及电荷转移机理完全一致，并且CCD的电荷转移和累加并不引入噪声。但是CCD由于其工艺限制，无法兼容大规模控制电路，因此TDI-CCD的功能较为单一，无法实现例如像素合并、模数转换、信号处理等功能，其灵活性和通用性较差。TDI-CMOS虽然克服了TDI-CCD这些缺点，但是这种图像传感器的电压相加要通过电路完成，这样每次相加就会引入新的电路噪声，降低图像质量。TDI-CCD灵活性和通用性较差和TDI-CMOS会引入噪声无法保证图像质量的局限，有待解决。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，该方法不仅有效保证成像的灵活性和通用性，而且可以不引入噪声保证图像质量，简单易实现。

本发明的另一个目的在于提出一种基于DMD的TDI推扫成像的实现装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，包括以下步骤：成像区域在推扫区域内沿着推扫方向移动，并通过第一镜头在数字微反射镜器件DMD上进行一次成像；在一次成像后，通过所述DMD的微反射镜阵列进行光调制，并通过第二镜头在高帧频小面阵CCD上进行二次成像；在二次成像后，分别对所述DMD和所述CCD的驱动时序进行控制，以实现时间延迟积分TDI推扫成像。

本发明实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，利用数字微反射镜器件DMD和高帧频小面阵CCD组合控制的方式实现推扫成像，并可用于机载或星载推扫全色和高光谱成像仪以及其他类似的成像系统中，不仅有效保证成像的灵活性和通用性，而且可以不引入噪声保证图像质量，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，将所述DMD上的W×D数量的微反射镜像元作为光开关，以进行光调制，并在w×d的CCD上成像，其中，W、D、w、d均为正整数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：将所述DMD的微反射镜阵列均等划分为n×n的积分单元，并将每个积分单元与所述CCD上的像素进行一一对应，以探测对应积分单元内微反射镜的调制光能量，其中，n为正整数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：在所述推扫方向上，将所述n个积分单元构成一个N×n大小的循环单元，对于第k行循环单元，第k列上所述微反射镜依次循环工作在开启状态，其他所述微反射镜工作在关闭状态，其中，N为正整数，k依次为1、2……、n。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：根据所述每个n×n积分单元对应的CCD像素对同一区域n个积分时间曝光，并将所述调制光能量和作为该区域所述TDI的成像能量，通过对图像进行重建得到图像幅宽为W的所述TDI推扫图像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，每一行循环单元中，工作在开启状态的所述微反射镜所在列依次向右错开一个所述微反射镜像元，成像区域中不同列区域在时间和空间上错开成像，每n行循环单元实现对整个区域内的成像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：在初始时刻，第i行的一个循环单元中，第j个积分单元中第i列上的第j个所述微反射镜工作在开启状态，其他所述微反射镜工作在关闭状态，并在每个积分时间向下一个所述微反射镜像元移动，当移动到第n个微镜时，回到第1个所述微反射镜，其中，i、j均为正整数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：当所述CCD上的像素每完成n个积分时间的曝光后，读取对应区域成像数据，以重建出基于所述DMD的所述TDI推扫成像图像。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于DMD的TDI推扫成像的实现装置，包括：第一成像模块，用于成像区域在推扫区域内沿着推扫方向移动，并通过第一镜头在数字微反射镜器件DMD上进行一次成像；第二成像模块，用于在一次成像后，通过所述DMD的微反射镜阵列进行光调制，并通过第二镜头在高帧频小面阵CCD上进行二次成像；推扫成像模块，用于在二次成像后，分别对所述DMD和所述CCD的驱动时序进行控制，以实现时间延迟积分TDI推扫成像。

本发明实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现装置，利用数字微反射镜器件DMD和高帧频小面阵CCD组合控制的方式实现推扫成像，并可用于机载或星载推扫全色和高光谱成像仪以及其他类似的成像系统中，不仅有效保证成像的灵活性和通用性，而且可以不引入噪声保证图像质量，简单易实现。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的基于DMD的TDI推扫成像系统示意图；

图3为根据本发明一个实施例的DMD和CCD空间对应关系示意图；

图4为根据本发明一个实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法中DMD和CCD驱动控制时序图；

图5为根据本发明一个实施例的不同行的循环单元中微镜控制规律示意图；

图6为根据本发明一个实施例的不同行的循环单元n次积分时间t图像重建示意图；

图7为根据本发明一个实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在介绍基于DMD的TDI推扫成像的实现方法及装置之前，先简单介绍一下DMD。

DMD是一种被集成在寻址集成芯片上的快速数字光开关反射阵列，由许多小型铝制反射镜面构成，其显示分辨率决定了镜片的数量，一个镜片对应一个像素。上百万的微镜用铰链建造在CMOS存储器上，每个微镜单元下有一对寻址电极与其下方的SRAM单元CMOS电路的电压互补端通过导电通道连接。DMD有两种稳定的状态(+12°和-12°)，系统通过改变每个微镜对应的寻址电压可以单独控制微镜的翻转，最高可以实现全帧百万微镜超过30000Hz的刷新翻转控制。当DMD受到光源照射时，微镜面的正负两态将入射光以两种角度反射。定义DMD的两种状态分别为“ON”和“OFF”，当DMD微镜处于“ON”状态，微镜将入射光反射到高帧频小面阵CCD上，当DMD微镜处于“OFF”状态下，反射光不进入成像系统。通过计算出的像移动速度同步驱动DMD时钟电路和高帧频小面阵CCD实现TDI推扫成像功能。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法。

图1是本发明一个实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法的流程图。

如图1所示，该基于DMD的TDI推扫成像的实现方法包括以下步骤：

在步骤S101中，成像区域在推扫区域内沿着推扫方向移动，并通过第一镜头在数字微反射镜器件DMD上进行一次成像。

可以理解的是，如图2所示，成像区域在推扫区域内沿着推扫方向移动，并通过镜头1一次成像在DMD上。

在步骤S102中，在一次成像后，通过DMD的微反射镜阵列进行光调制，并通过第二镜头在高帧频小面阵CCD上进行二次成像。

可以理解的是，如图2所示，经过DMD微反射镜阵列调制后，通过镜头2二次成像在高帧频小面阵CCD上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，将DMD上的W×D数量的微反射镜像元作为光开关，以进行光调制，并在w×d的CCD上成像，其中，W、D、w、d均为正整数。

可以理解的是，本发明实施例将DMD上W×D数量的微反射镜像元作为光开关，对成像区域通过第一镜头在DMD上所成像进行光调制，经过DMD调制的像通过第二镜头会聚到w×d的高帧频小面阵CCD上。

具体而言，DMD上W×D数量的微反射镜像元作为光开关，反射调制后的光能量会聚到w×d的高帧频小面阵CCD上。DMD上的微反射镜能够实现独立高速地控制，能到达超过20000Hz的调制频率，微反射镜有两种工作状态，分别是翻转+12°(即“ON”状态)和-12°(即“OFF”状态)。只有“ON”状态下的微镜反射能量能够进入到第二镜头，被高帧率小面阵CCD探测到。

在步骤S103中，在二次成像后，分别对DMD和CCD的驱动时序进行控制，以实现时间延迟积分TDI推扫成像。

可以理解是，分别对DMD和高帧频小面阵CCD的驱动时序进行控制,实现TDI推扫成像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：将DMD的微反射镜阵列均等划分为n×n的积分单元，并将每个积分单元与CCD上的像素进行一一对应，以探测对应积分单元内微反射镜的调制光能量，其中，n为正整数。

可以理解的是，进行n级积分时间TDI推扫成像，需要均等地划分DMD上微反射镜阵列为n×n的积分单元，DMD上每个n×n积分单元与高帧频小面阵CCD上的一个像素进行对应，探测对应积分单元内微反射镜调制光能量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：还包括：根据每个n×n积分单元对应的CCD像素对同一区域n个积分时间曝光，并将调制光能量和作为该区域TDI的成像能量，通过对图像进行重建得到图像幅宽为W的TDI推扫图像。

可以理解的是，每个n×n积分单元对应的CCD像素，对同一区域n个积分时间曝光，探测到的能量和就是该区域TDI成像能量，通过对图像进行重建，就能够得到图像幅宽为W的TDI推扫图像。

具体而言，如图3所示，均等地划分DMD上微反射镜阵列为n×n的积分单元，DMD上每个n×n积分单元与高帧频小面阵CCD上的一个像素进行对应，满足W＝n×w、D＝n×d，探测对应积分单元内微反射镜调制光能量。在进行n级积分时间TDI推扫成像时，需要对成像区域分别进行n次积分时间为t的曝光，总的积分时间为n×t，这是通过不同位置微反射镜在周期内“ON”状态时间占空比控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：在推扫方向上，将n个积分单元构成一个N×n大小的循环单元，对于第k行循环单元，第k列上微反射镜依次循环工作在开启状态，其他微反射镜工作在关闭状态，其中，N为正整数，k依次为1、2……、n。

可以理解的是，在推扫方向上，DMD上每n个积分单元构成一个N×n大小的循环单元，对于第一行循环单元上的n个积分单元，第1列上微镜依次循环工作在“ON”状态，1→2→3→……→n→1，其他微镜工作在“OFF”状态；第二行循环单元上的n个积分单元，第2列上微镜依次循环工作在“ON”状态，1→2→3→……→n→1，其他微镜工作在“OFF”状态；对于第n行循环单元，第n列上微镜依次循环工作在“ON”状态，1→2→3→……→n→1，其他微镜工作在“OFF”状态。

具体而言，如图4所示，当n＝3时，空间中的“1”区域依次通过积分单元中第一列的第1、2、3个微反射镜。当“1”区域通过微镜时，控制该微镜在t时间长度内工作在“ON”状态，CCD上对应像素在这t积分时间对区域进行一次曝光。随着推扫的进行，3个微镜依次对空间中的“1”区域进行了3次t积分时间的曝光，CCD像素对3次积分时间得到的曝光能量进行t’时间读出。单个微镜驱动周期为T，依次进行驱动控制，CCD像素读出周期为T’，且满足T＝T’的关系。

如图3所示，在推扫方向上，DMD上每n个n×n的积分单元构成一个N×n大小的循环单元，整个DMD上有n行N×n的循环单元。因此满足D＝n×n×n、N＝n×n。对于第一行循环单元上的n个积分单元，第1列上微镜依次循环工作在“ON”状态，1→2→3→……→n→1，其他微镜工作在“OFF”状态；第二行循环单元上的n个积分单元，第2列上微镜依次循环工作在“ON”状态，1→2→3→……→n→1，其他微镜工作在“OFF”状态；对于第n行循环单元，第n列上微镜依次循环工作在“ON”状态，1→2→3→……→n→1，其他微镜工作在“OFF”状态。

每个n×n积分单元对应的CCD像素，对同一区域n个积分时间t的曝光，探测到的能量和就是该区域TDI成像能量，通过对图像进行重建，就能够得到图像幅宽为W的TDI推扫图像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，每一行循环单元中，工作在开启状态的微反射镜所在列依次向右错开一个微反射镜像元，成像区域中不同列区域在时间和空间上错开成像，每n行循环单元实现对整个区域内的成像。

可以理解的是，每一行循环单元中，工作在“ON”的微镜所在列依次向右错开一个微镜像元，成像区域中不同列区域在时间和空间上错开成像，每n行循环单元实现对整个区域内的成像。

具体而言，如图5所示，一行循环单元工作在“ON”的微镜所在列依次向右错开一个微镜像元，成像区域中不同列区域在时间和空间上错开成像，每n行循环单元实现对整个区域内的成像。当n＝3时，对应成像区域第1、2、3列分别在第1、2、3行循环单元中进行3次t时间的积分。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：在初始时刻，第i行的一个循环单元中，第j个积分单元中第i列上的第j个微反射镜工作在开启状态，其他微反射镜工作在关闭状态，并在每个积分时间向下一个微反射镜像元移动，当移动到第n个微镜时，回到第1个微反射镜，其中，i、j均为正整数。

可以理解的是，在初始时刻，第i行的一个循环单元中，第j个积分单元中第i列上的第j个微镜工作在“ON”状态，其他微镜工作在“OFF”状态，之后每个积分时间向下一个微镜像元移动，当移动到第n个微镜时，回到第1个微镜，如此往复循环，实现对成像区域n级积分时间TDI成像

具体而言，如图5所示，第i行循环单元中的第j个积分单元中第i列上的第j个微镜工作在“ON”状态，其他微镜工作在“OFF”状态，之后每个积分时间向下一个微镜像元移动，当移动到第3个微镜时，回到第1个微镜，如此往复循环，实现对成像区域3级积分时间TDI成像。所以驱动DMD时只需要对每一行循环单元对应列上的微镜像元进行控制，对于每一行循环单元只驱动控制黑框标记列上的微镜像元，让这3×3个像元循环往复地依次发生翻转。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：当CCD上的像素每完成n个积分时间的曝光后，读取对应区域成像数据，以重建出基于DMD的TDI推扫成像图像。

具体而言，如图6所示是，图6为图5中成像区域在DMD相应区域移动时，DMD上微镜翻转规律和对成像区域进行n次积分曝光的示意图。当n＝3时，图5中第一行循环单元黑框标记的微镜列，随着成像区域推扫发生循环往复地依次翻转，分别对成像区域“1”在第一个积分单元中第一列的第1、2、3个微镜上，完成“1-1”、“1-2”和“1-3”三次积分曝光，并被CCD像素探测累加读出。以相同的驱动控制规律控制其他积分单元，实现在3行的循环单元上对成像区域的3列进行3级TDI推扫成像。更一般的，不同行的循环单元负责对成像区域不同列的TDI成像，每一行循环单元通过高帧频小面阵CCD上的像素完成n个积分时间t的曝光后，读取对应区域成像数据，重建出一列成像区域TDI图像，通过对不同行循环单元进行合并，最终得到完整的成像区域TDI图像，并通过不断推扫得到连续的TDI推扫图像。

根据本发明实施例提出的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，利用数字微反射镜器件DMD和高帧频小面阵CCD组合控制的方式实现推扫成像，并可用于机载或星载推扫全色和高光谱成像仪以及其他类似的成像系统中，不仅有效保证成像的灵活性和通用性，而且可以不引入噪声保证图像质量，简单易实现。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于DMD的TDI推扫成像的实现装置。

图7是本发明一个实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现装置的结构示意图。

如图7所示，该基于DMD的TDI推扫成像的实现装置10包括：第一成像模块100、第二成像模块200和推扫成像模块300。

其中，第一成像模块100用于成像区域在推扫区域内沿着推扫方向移动，并通过第一镜头在数字微反射镜器件DMD上进行一次成像。第二成像模块200用于在一次成像后，通过DMD的微反射镜阵列进行光调制，并通过第二镜头在高帧频小面阵CCD上进行二次成像。推扫成像模块300用于在二次成像后，分别对DMD和CCD的驱动时序进行控制，以实现时间延迟积分TDI推扫成像。本发明实施例的装置10不仅有效保证成像的灵活性和通用性，而且可以不引入噪声保证图像质量，简单易实现

需要说明的是，前述对基于DMD的TDI推扫成像的实现方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于DMD的TDI推扫成像的实现装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于DMD的TDI推扫成像的实现装置，利用数字微反射镜器件DMD和高帧频小面阵CCD组合控制的方式实现推扫成像，并可用于机载或星载推扫全色和高光谱成像仪以及其他类似的成像系统中，不仅有效保证成像的灵活性和通用性，而且可以不引入噪声保证图像质量，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

成像区域在推扫区域内沿着推扫方向移动，并通过第一镜头在数字微反射镜器件DMD上进行一次成像；

在一次成像后，通过所述DMD的微反射镜阵列进行光调制，并通过第二镜头在高帧频小面阵CCD上进行二次成像；以及

在二次成像后，分别对所述DMD和所述CCD的驱动时序进行控制，以实现时间延迟积分TDI推扫成像。

2.根据权利要求1所述的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，其特征在于，其中，将所述DMD上的W×D数量的微反射镜像元作为光开关，以进行光调制，并在w×d的CCD上成像，其中，W、D、w、d均为正整数。

3.根据权利要求1所述的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，其特征在于，还包括：

将所述DMD的微反射镜阵列均等划分为n×n的积分单元，并将每个积分单元与所述CCD上的像素进行一一对应，以探测对应积分单元内微反射镜的调制光能量，其中，n为正整数。

4.根据权利要求3所述的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，其特征在于，还包括：

在所述推扫方向上，将所述n个积分单元构成一个N×n大小的循环单元，对于第k行循环单元，第k列上所述微反射镜依次循环工作在开启状态，其他所述微反射镜工作在关闭状态，其中，N为正整数，k依次为1、2……、n。

5.根据权利要求3所述的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，其特征在于，还包括：

根据所述每个n×n积分单元对应的CCD像素对同一区域n个积分时间曝光，并将所述调制光能量和作为该区域所述TDI的成像能量，通过对图像进行重建得到图像幅宽为W的所述TDI推扫图像。

6.根据权利要求4所述的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，其特征在于，其特征在于，其中，

每一行循环单元中，工作在开启状态的所述微反射镜所在列依次向右错开一个所述微反射镜像元，成像区域中不同列区域在时间和空间上错开成像，每n行循环单元实现对整个区域内的成像。

7.根据权利要求6所述的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，其特征在于，还包括：

在初始时刻，第i行的一个循环单元中，第j个积分单元中第i列上的第j个所述微反射镜工作在开启状态，其他所述微反射镜工作在关闭状态，并在每个积分时间向下一个所述微反射镜像元移动，当移动到第n个微镜时，回到第1个所述微反射镜，其中，i、j均为正整数。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于DMD的TDI推扫成像的实现方法，其特征在于，还包括：

当所述CCD上的像素每完成n个积分时间的曝光后，读取对应区域成像数据，以重建出基于所述DMD的所述TDI推扫成像图像。

9.一种基于DMD的TDI推扫成像的实现装置，其特征在于，包括：

第一成像模块，用于成像区域在推扫区域内沿着推扫方向移动，并通过第一镜头在数字微反射镜器件DMD上进行一次成像；

第二成像模块，用于在一次成像后，通过所述DMD的微反射镜阵列进行光调制，并通过第二镜头在高帧频小面阵CCD上进行二次成像；以及

推扫成像模块，用于在二次成像后，分别对所述DMD和所述CCD的驱动时序进行控制，以实现时间延迟积分TDI推扫成像。