CN110650299A - 一种电荷域和数字域混合双向tdi累加系统及方法 - Google Patents

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CN110650299A CN201910849132.4A CN201910849132A CN110650299A CN 110650299 A CN110650299 A CN 110650299A CN 201910849132 A CN201910849132 A CN 201910849132A CN 110650299 A CN110650299 A CN 110650299A
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万旻
翟立阳
李映宝
李苏原
申才立
贺强民
翟国芳
吴淞波
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Abstract

本发明涉及一种电荷域和数字域混合双向TDI累加系统及方法，控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，在电荷域按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；将在先产生的数字图像经过时间延迟后与在后的数字图像在数字域按列叠加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。本发明解决了单纯使用数字域TDI累加次数过多导致图像信噪比严重降低的问题和电荷域超大级数感光器件的工艺瓶颈问题。

Description

一种电荷域和数字域混合双向TDI累加系统及方法
技术领域
本发明涉及一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法，属于遥感相机超高分辨率成像电子学领域。
背景技术
目前国内遥感相机，尤其在可见光高分领域，分辨率已经达到分米级水平。商业遥感分辨率已进入0.5米水平，军用遥感领域在成像分辨率上的进一步需求也越发迫切。然而在分米量级分辨率下，受到入瞳能量的制约，弱光成像能力需要较大时间延迟积分(TDI)级数累加来弥补。TDI感光器件受到工艺和电荷阱深的制约无法实现较大规模的完全电荷域累加，同时采用完全数字域累加成像模式也会引入不必要的图像噪声，降低图像质量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种电荷域和数字域混合双向大级数累加方法，解决单纯使用数字域TDI累加次数过多导致图像信噪比严重降低的问题和电荷域超大级数感光器件的工艺瓶颈问题。
本发明的技术解决方案是：一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法:控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，在电荷域按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；将在先产生的数字图像经过时间延迟后与在后的数字图像在数字域按列叠加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
具体包括：
前向步骤：
(s1-1)、将时间延迟积分探测器的全部感光区域分成M个独立的子感光区域，每个子感区域至少包括连续n级感光像元；
(s1-2)、根据预设的积分时间，生成时间延迟积分电荷转移时序，控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；初始化i为1；
(s1-3)、将第i组数字图像缓存一段时间，实现时间延迟；
(s1-4)、将第i组数字图像的灰度值与第i+1组数字图像的灰度值按列进行累加；
(s1-5)、更新i为i加1，重复步骤(s1-3)和步骤(s1-4)，直到将所有对同一景象的M组数字图像全部累加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
所述缓存时间计算公式：Li为第i个子感光区第n级物理位置，Li+1为感光与第i+1个子感光区第1级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
后向步骤：
(s2-1)、将时间延迟积分探测器的全部感光区域分成M个独立的子感光区域，每个子感区域至少包括连续n级感光像元；
(s2-2)、根据预设的积分时间，生成时间延迟积分电荷转移时序，控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；初始化j为M；
(s2-3)、将第j组数字图像缓存一段时间，实现时间延迟；
(s2-4)、将第j组数字图像像元的灰度值与第j-1组数字图像像元的灰度值按列进行累加；
(s2-5)、更新j为j减1，重复步骤(s2-3)和步骤(s2-4)，直到将所有对同一景象的M组数字图像全部累加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
所述缓存时间计算公式为：Lj-1为第j-1个子感光区第1级物理位置，Lj为感光与第j个子感光区第n级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
本发明的另一个技术解决方案是：一种电荷域和数字域混合双向TDI累加系统，该系统包括M个电荷累加单元、M个前向缓存单元、M个后向缓存单元、M-1个前向累加单元和M-1个后向累加单元和控制时序模块，M大于等于2；
每个电荷累加单元，根据预设的转移时序，将时间延迟积分探测器内每个子感光区域内n级感光像元对同一景象感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化；第m个电荷累加单元将量化后的电荷输出至第m-1个前向缓存单元和第m-1个后向累加单元，m为1～M；
第m个前向累加单元，当工作模式为前向模式时，在前向指令的控制下，将对同一景象所对应的第m个前向缓存单元中电荷与第m个电荷累加单元输出的电荷按列进行累加，并将累加结果输出至第m+1个前向缓存单元，m＝1～M-1；
第m个后向累加单元，当工作模式为后向模式时，在后向指令的控制下，将对同一景象所对应的第m个后向缓存单元中电荷与第m个电荷累加单元输出的电荷按列进行累加，并将累加结果输出至第m+1个后向缓存单元，m＝1～M-1；
控制时序模块，接受外部输入的TDI扫描方向，确定工作模式，所述工作模式包括前向模式和后向模式，当TDI扫描方向为正向时，工作模式为前向模式；当TDI扫描方向为反向时，工作模式为后向模式；当工作模式为前向模式时将第M-1个前向累加单元的累加结果输出，否则，将第M-1个后向累加单元的累加结果输出；根据第m个子感光区第n级感光与第m+1个子感光区第1行感光像元之间的物理间隔、积分时间、像元尺寸，计算缓存时间，根据缓存时间得到前向控制时序或后向控制时序，按照前向控制时序，输出前向指令至各前向累加单元，按照后向控制时序，输出后向指令至各后向累加单元。
所述前向缓存单元缓存时间计算公式为：
Figure BDA0002196309930000031
Li为第i个子感光区第n级物理位置，Li+1为感光与第i+1个子感光区第1级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
所述后向缓存单元缓存时间计算公式为：
Figure BDA0002196309930000041
Lj-1为第j-1个子感光区第1级物理位置，Lj为感光与第j个子感光区第n级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
所述每个子感光区域至少包括n行感光像元。
外部输入的TDI扫描方向切换时，M个电荷累加单元、M个前向缓存单元、M个后向缓存单元、M-1个前向累加单元和M-1个后向累加单元清除全部缓存数据。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明与现有数字域累加成像相比，成像过程的绝大多数累加均为电荷域累加，感光器件内部的量化噪声、读出噪声和相关双采样噪声等均没有因为能量的叠加而成倍增长。因此本发明所描述的累加方法对图像质量有较大提升。
(2)、本发明与现有电荷域感光器件的应用方法相比，能够支持遥感相机较低能量的多次叠加，进一步提升图像动态范围和信噪比，在超高分辨率弱光成像方面有着较高的应用价值。
附图说明
图1为发明的一种超高行频混合域双向大级数累加方法框图。
图2为本发明实施例双向可调的图像延迟累加控制方法流程。
图3为本发明实施例缓存行数与景物移动的精确累加框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
针对较大TDI级数累加成像，本发明提供了一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法，通过将电荷域累加的多通道信号进行缓存和逻辑控制，从而达到精准化数字累加的目的。
如图1所示，本发明所提供的一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法为：控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，在电荷域按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；将在先产生的数字图像经过时间延迟后与在后的数字图像在数字域按列叠加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
考虑到时间延迟积分探测器可具备双向TDI扫描成像能力，本发明包括前向步骤和后向步骤：
前向步骤为：
(s1-1)、将时间延迟积分探测器的全部感光区域分成M个独立的子感光区域，每个子感区域至少包括连续n级感光像元；
(s1-2)、根据预设的积分时间，生成时间延迟积分电荷转移时序，控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；初始化i为1；
(s1-3)、将第i组数字图像缓存一段时间，实现时间延迟；
所述缓存时间计算公式：
Figure BDA0002196309930000051
Li为第i个子感光区第n级物理位置，Li+1为感光与第i+1个子感光区第1级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
(s1-4)、将第i组数字图像的灰度值与第i+1组数字图像的灰度值按列进行累加；
(s1-5)、更新i为i加1，重复步骤(s1-3)和步骤(s1-4)，直到将所有对同一景象的M组数字图像全部累加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
后向步骤为：
(s2-1)、将时间延迟积分探测器的全部感光区域分成M个独立的子感光区域，每个子感区域至少包括连续n级感光像元；
(s2-2)、根据预设的积分时间，生成时间延迟积分电荷转移时序，控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；初始化j为M；通过增加TDI累加级数n，可以提高航天遥感超高分辨率相机在弱光照下的成像能力。
(s2-3)、将第j组数字图像缓存一段时间，实现时间延迟；
所述缓存时间计算公式为：
Figure BDA0002196309930000061
Lj-1为第j-1个子感光区第1级物理位置，Lj为感光与第j个子感光区第n级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
(s2-4)、将第j组数字图像像元的灰度值与第j-1组数字图像像元的灰度值按列进行累加；
(s2-5)、更新j为j减1，重复步骤(s2-3)和步骤(s2-4)，直到将所有对同一景象的M组数字图像全部累加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
上述先对多部分感光区域进行电荷域级数累加，之后对每一部分区域的图像进行数字域的精确缓存控制，进而实现景物精确匹配后的数字域累加的方法，解决了仅仅使用数字域累加的图像信噪比下降问题以及电荷域累加感光器件制作工艺瓶颈的问题。
基于上述方法，本发明还提供了一种电荷域和数字域混合双向TDI累加系统，其特征在于包括M个电荷累加单元、M个前向缓存单元、M个后向缓存单元、M-1个前向累加单元和M-1个后向累加单元和控制时序模块，M大于等于2。如图2所示的某一具体实施例中，本实施例中前向缓存单元和后向缓存单元采用FIFO实现。
每个电荷累加单元，根据预设的转移时序，将时间延迟积分探测器内每个子感光区域内n级感光像元对同一景象感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化；第m个电荷累加单元将量化后的电荷输出至第m-1个前向缓存单元和第m-1个后向累加单元，m为1～M；所述每个子感光区域至少包括n行感光像元。
第m个前向累加单元，当工作模式为前向模式时，在前向指令的控制下，将对同一景象所对应的第m个前向缓存单元中电荷与第m个电荷累加单元输出的电荷按列进行累加，并将累加结果输出至第m+1个前向缓存单元，m＝1～M-1；
第m个后向累加单元，当工作模式为后向模式时，在后向指令的控制下，将对同一景象所对应的第m个后向缓存单元中电荷与第m个电荷累加单元输出的电荷按列进行累加，并将累加结果输出至第m+1个后向缓存单元，m＝1～M-1；
控制时序模块，接受外部输入的TDI扫描方向，确定工作模式，所述工作模式包括前向模式和后向模式，当TDI扫描方向为正向时，工作模式为前向模式；当TDI扫描方向为反向时，工作模式为后向模式；当工作模式为前向模式时将第M-1个前向累加单元的累加结果输出，否则，将第M-1个后向累加单元的累加结果输出；根据第m个子感光区第n级感光与第m+1个子感光区第1行感光像元之间的物理间隔、积分时间、像元尺寸，计算缓存时间，根据缓存时间得到前向控制时序或后向控制时序，按照前向控制时序，输出前向指令至各前向累加单元，按照后向控制时序，输出后向指令至各后向累加单元。
所述前向缓存单元缓存时间计算公式为：
Figure BDA0002196309930000071
Li为第i个子感光区第n级物理位置，Li+1为感光与第i+1个子感光区第1级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
所述后向缓存单元缓存时间计算公式为：
Lj-1为第j-1个子感光区第1级物理位置，Lj为感光与第j个子感光区第n级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
外部输入的TDI扫描方向切换时，M个电荷累加单元、M个前向缓存单元、M个后向缓存单元、M-1个前向累加单元和M-1个后向累加单元清除全部缓存数据。
实施例：
如图3所示，双向累加控制方法的步骤如下：
首先确定级数n、积分时间、感光区个数M。生成TDI扫描方向的四相转移驱动时序实现电荷读出并量化。
接收M个感光区域数字图像D1、D2..DM。将D1缓存T1时间，T1为其中，L12为L2-L1，得到H1，H1与D2相加后缓存T2，T2为
Figure BDA0002196309930000082
其中L22为Li-Li-1，i取值3，得到H2，以此类推得到最终累加后的结果HM。此处L21为第二段感光区扫描方向像元数量对应长度。L12为第一段感光区与第二段感光区间距，Hm为最终累加后数据，H1～Hm-1为逐级缓存后数据。D1～Dm-1为缓存前每个感光区的读出数据，L11～Lm1为每片感光区长度，L12～Lm2为每个感光区间距。注意，此处的感光区之间的间隔L21、L22、L23、L2m是根据当前级数动态调整的。步骤二中所述数字累加方式如图3中下行箭头读出方式。
步骤三、当级数增加或减少时，需及时清除步骤二中全部缓存行数据重新开始计算。同时更改步骤一中电荷读出时序。
步骤四，当扫描方向与之前相反时，清除步骤二全部缓存数据。同时，缓存Tm后与相加。Tm为
Figure BDA0002196309930000085
其中L(m-1)2为L(m-1)-Lm，i取值m。相加后再缓存Tm-1，以此类推得到反向累加后数据
Figure BDA0002196309930000086
此处L(m-1)1为第二段感光区扫描方向像元数量对应长度。L(m-1)2为第一段感光区与第二段感光区间距，
Figure BDA0002196309930000087
为最终累加后数据，
Figure BDA0002196309930000088
为逐级缓存后数据。D2～Dm为缓存前每个感光区的读出数据，L11～Lm1为感光区长度，L12～Lm2为每个感光区间距。步骤四中所述数字累加方式如图3中上行箭头读出方式。
步骤五，若读完全部级数，停止累加后将累加后的数据输出。
上述方法存在以下两个优点：
本发明通过多片感光区之间的数字域TDI累加解决了航天遥感超高分辨率成像在弱光照下入瞳能量较低带来的图像质量变差的问题，特别适合于超高行频弱光照下遥感相机超高分辨率成像。
本发明通过每片感光区内电荷域累加的方式解决了单纯使用数字域TDI累加次数过多导致图像信噪比严重降低的问题和电荷域超大级数感光器件的工艺瓶颈问题。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法，其特征在于：控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，在电荷域按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；将在先产生的数字图像经过时间延迟后与在后的数字图像在数字域按列叠加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
2.根据权利要求1所述的一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法，其特征在于包括前向步骤：
(s1-1)、将时间延迟积分探测器的全部感光区域分成M个独立的子感光区域，每个子感区域至少包括连续n级感光像元；
(s1-2)、根据预设的积分时间，生成时间延迟积分电荷转移时序，控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；初始化i为1；
(s1-3)、将第i组数字图像缓存一段时间，实现时间延迟；
(s1-4)、将第i组数字图像的灰度值与第i+1组数字图像的灰度值按列进行累加；
(s1-5)、更新i为i加1，重复步骤(s1-3)和步骤(s1-4)，直到将所有对同一景象的M组数字图像全部累加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
3.根据权利要求2所述的一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法，其特征在于所述缓存时间计算公式：
Figure FDA0002196309920000011
Li为第i个子感光区第n级物理位置，Li+1为感光与第i+1个子感光区第1级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
4.根据权利要求1所述的一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法，其特征在于还包括后向步骤：
(s2-1)、将时间延迟积分探测器的全部感光区域分成M个独立的子感光区域，每个子感区域至少包括连续n级感光像元；
(s2-2)、根据预设的积分时间，生成时间延迟积分电荷转移时序，控制时间延迟积分探测器进行电荷转移，分时对每个子感光区域内n级感光像元针对同一景物感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化并输出灰度值，得到按TDI扫描方向分时产生的M组数字图像；初始化j为M；
(s2-3)、将第j组数字图像缓存一段时间，实现时间延迟；
(s2-4)、将第j组数字图像像元的灰度值与第j-1组数字图像像元的灰度值按列进行累加；
(s2-5)、更新j为j减1，重复步骤(s2-3)和步骤(s2-4)，直到将所有对同一景象的M组数字图像全部累加，从而实现景物在TDI方向上的精准匹配。
5.根据权利要求4所述的一种电荷域和数字域混合双向TDI累加方法，其特征在于所述缓存时间计算公式为：
Figure FDA0002196309920000021
Lj-1为第j-1个子感光区第1级物理位置，Lj为感光与第j个子感光区第n级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
6.一种电荷域和数字域混合双向TDI累加系统，其特征在于包括M个电荷累加单元、M个前向缓存单元、M个后向缓存单元、M-1个前向累加单元和M-1个后向累加单元和控制时序模块，M大于等于2；
每个电荷累加单元，根据预设的转移时序，将时间延迟积分探测器内每个子感光区域内n级感光像元对同一景象感光产生的电荷，按列进行累加，将累加后的电荷进行量化；第m个电荷累加单元将量化后的电荷输出至第m-1个前向缓存单元和第m-1个后向累加单元，m为1～M；
第m个前向累加单元，当工作模式为前向模式时，在前向指令的控制下，将对同一景象所对应的第m个前向缓存单元中电荷与第m个电荷累加单元输出的电荷按列进行累加，并将累加结果输出至第m+1个前向缓存单元，m＝1～M-1；
第m个后向累加单元，当工作模式为后向模式时，在后向指令的控制下，将对同一景象所对应的第m个后向缓存单元中电荷与第m个电荷累加单元输出的电荷按列进行累加，并将累加结果输出至第m+1个后向缓存单元，m＝1～M-1；
控制时序模块，接受外部输入的TDI扫描方向，确定工作模式，所述工作模式包括前向模式和后向模式，当TDI扫描方向为正向时，工作模式为前向模式；当TDI扫描方向为反向时，工作模式为后向模式；当工作模式为前向模式时将第M-1个前向累加单元的累加结果输出，否则，将第M-1个后向累加单元的累加结果输出；根据第m个子感光区第n级感光与第m+1个子感光区第1行感光像元之间的物理间隔、积分时间、像元尺寸，计算缓存时间，根据缓存时间得到前向控制时序或后向控制时序，按照前向控制时序，输出前向指令至各前向累加单元，按照后向控制时序，输出后向指令至各后向累加单元。
7.根据权利要求6所述的一种超高行频混合域双向大级数累加系统，其特征在于所述前向缓存单元缓存时间计算公式为：
Figure FDA0002196309920000031
Li为第i个子感光区第n级物理位置，Li+1为感光与第i+1个子感光区第1级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
8.根据权利要求6所述的一种超高行频混合域双向大级数累加系统，其特征在于所述后向缓存单元缓存时间计算公式为：
Figure FDA0002196309920000032
Lj-1为第j-1个子感光区第1级物理位置，Lj为感光与第j个子感光区第n级物理位置，d为像元尺寸，Δt为积分时间。
9.根据权利要求6所述的一种超高行频混合域双向大级数累加系统，其特征在于所述每个子感光区域至少包括n行感光像元。
10.根据权利要求6所述的一种超高行频混合域双向大级数累加系统，其特征在于外部输入的TDI扫描方向切换时，M个电荷累加单元、M个前向缓存单元、M个后向缓存单元、M-1个前向累加单元和M-1个后向累加单元清除全部缓存数据。
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