CN110971845A - 一种高动态范围的推扫成像系统 - Google Patents

Abstract

一种高动态范围的推扫成像系统，涉及成像技术领域，保证景物的高动态范围线阵推扫成像。包括成像光学系统、具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；成像光学系统将外部的景物信息成像在高低增益通道的TDI CMOS图像传感器上；成像控制器控制具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器输出高低增益的数字图像数据并传送至外部存储器进行片外高动态范围合成，输出高动态范围的图像；本发明使用单片TDICMOS实现高低增益通道输出。TDICMOS线阵的高增益通道针对低地物反射率应用，低增益通道针对高地物反射率应用；最终合成输出高动态范围的图像。本发明的推扫成像系统，有利用实现较高的信噪比。

Description

一种高动态范围的推扫成像系统

技术领域

本发明涉及成像技术领域，具体涉及一种高动态范围的推扫成像系统。

背景技术

现在的手机或商用相机调光，通常是采用面阵图像传感器，基于同一个目标多次拍摄，每次拍摄设置不同的曝光时间，然后对比不同曝光时间下的直方图或功率谱，选取获得的信息熵最大的曝光时间。而对地相对移动的线阵推扫观测应用，没有机会对相同的移动目标进行反复拍照；为了在成像过程中获得良好的动态传递函数，也不能随意设置积分时间，轨道确定，单级的积分时间就确定了。

现有星下点的平均速度，用下式表示为：

单级的积分时间为：

式中GSD为像元分辨率，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。t_int为不同像元分辨率下的最大积分时间。

因此，调整动态范围不能通过调整单级的积分时间达到，只能通过调整别的参数实现。

发明内容

本发明提供一种高动态范围的推扫成像系统，保证景物的高动态范围线阵推扫成像。

一种高动态范围的推扫成像系统，包括成像光学系统、具有高低增益通道的TDICMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；成像光学系统将外部的景物信息成像在高低增益通道的TDI CMOS图像传感器上；所述成像控制器控制具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器输出高低增益的数字图像数据并传送至外部存储器进行片外高动态范围合成，输出高动态范围的图像；

所述具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器的积分级数相同，像素增益和PGA增益不同；用下式表示为：

k_{TDI_high}＝k_{TDI_low}

k_{pix_high}×k_{PGA_high}＞k_{pix_low}×k_{PGA_low}

式中，k_{TDI_high}为高增益通道的TDI级数，k_{TDI_low}为低增益通道的TDI级数，k_{pix_high}为高增益通道的像素增益，k_{PGA_high}为高增益通道的PGA增益，k_{pix_low}为低增益通道的像素增益，k_{PGA_low}为低增益通道的PGA增益；

根据当前的太阳高度角和最大地面反射率所对应的成像光学系统入瞳处的目标积分辐亮度，进行积分级数M_i设置；用下式表示为：

式中，L_max为在当前太阳高度角最大地面反射率下成像光学系统入瞳处的目标积分辐亮度，A_d为TDI CMOS图像传感器的像元面积，t_int为TDI CMOS图像传感器的在轨的典型行周期，η为在TDI CMOS图像传感器谱段内的积分量子效率，τ_o为成像光学系统的透过率，F为成像光学系统的焦比，h为普朗克常量，ν为光波的中心频率，s_FWC为TDI CMOS图像传感器满阱的电子数。

本发明的有益效果：本发明的推扫成像系统基于双增益通道的TDICMOS线阵高动态范围推扫成像系统，针对不同的太阳高度角位置，设置不同的积分级数；针对同一太阳高度角下不同目标的地物反射率不同，使用单片TDICMOS实现高低增益通道输出。TDICMOS线阵的高增益通道针对低地物反射率应用，低增益通道针对高地物反射率应用；最终合成输出高动态范围的图像。

本发明所述的推扫成像系统，有利于实现较高的信噪比，同时不至于导致输出的图像饱和，从而实现高动态范围成像。

附图说明

图1为本发明所述的一种高动态范围的推扫成像系统的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，一种高动态范围的推扫成像系统，包括成像光学系统、具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；成像光学系统将外部的景物信息成像在高低增益通道的TDI CMOS图像传感器上；在成像控制器的控制下，具有高低增益通道的TDI 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高动态范围合成，输出高动态范围的图像；

所述TDICMOS图像传感器具有两个数据输出通道，两通道的设置的积分级数相同，像素增益和PGA增益不同。

k_{TDI_high}＝k_{TDI_low}

k_{pix_high}×k_{PGA_high}＞k_{pix_low}×k_{PGA_low}

式中，k_{TDI_high}为高增益通道的TDI级数，k_{TDI_low}为低增益通道的TDI级数，k_{pix_high}为高增益通道的像素增益，k_{PGA_high}为高增益通道的PGA增益，k_{pix_low}为低增益通道的像素增益，k_{PGA_low}为低增益通道的PGA增益。

本实施方式中，积分级数M_i的设置，根据当前的太阳高度角和最大的反射率所对应的光学系统入瞳处的目标积分辐亮度进行设置；

式中L_max为在当前太阳高度角最大地面发射率下光学系统入瞳处的目标积分辐亮度，A_d为TDICMOS图像传感器的像元面积，t_int为TDICMOS图像传感器的在轨的典型行周期，η为在TDICMOS图像传感器谱段内的积分量子效率，τ_o为光学系统的透过率，F为光学系统的焦比，h为普朗克常量，ν为光波的中心频率，s_FWC为TDICMOS图像传感器满阱的电子数。

本实施方式中，对单片TDICMOS图像传感器的高低增益的设置，进行单片内动态范围的提升。

式中，L_min为在当前太阳高度角最小地面反射率下光学系统入瞳处的目标积分辐亮度。

本实施方式中，最后的HDR合成公式：

DN_high为高增益通道输出的灰度值，DN_low为低增益通道输出的灰度值，DN_{line_max}为高增益通道的线性区最大灰度值，offset_low为低增益通道的偏置，offset_high为高增益通道的偏置。

本实施方式中，具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器采用长光辰芯公司定制的TDICMOS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FPGA 6vlx550tff1760；外部存储器采用美光公司的DDR3存储器；成像光学系统采用基于狭缝的光栅分光光学系统。

Claims (3)

1.一种高动态范围的推扫成像系统，包括成像光学系统、具有高低增益通道的TDICMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；成像光学系统将外部的景物信息成像在高低增益通道的TDI CMOS图像传感器上；所述成像控制器控制具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器输出高低增益的数字图像数据并传送至外部存储器进行片外高动态范围合成，输出高动态范围的图像；其特征是：

所述具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器的积分级数相同，像素增益和PGA增益不同；用下式表示为：

k_{TDI_high}＝k_{TDI_low}

k_{pix_high}×k_{PGA_high}＞k_{pix_low}×k_{PGA_low}

式中，k_{TDI_high}为高增益通道的TDI级数，k_{TDI_low}为低增益通道的TDI级数，k_{pix_high}为高增益通道的像素增益，k_{PGA_high}为高增益通道的PGA增益，k_{pix_low}为低增益通道的像素增益，k_{PGA_low}为低增益通道的PGA增益；

根据当前的太阳高度角和最大地面反射率所对应的成像光学系统入瞳处的目标积分辐亮度，进行积分级数M_i设置；用下式表示为：

式中，L_max为在当前太阳高度角最大地面反射率下成像光学系统入瞳处的目标积分辐亮度，A_d为TDI CMOS图像传感器的像元面积，t_int为TDI CMOS图像传感器的在轨的典型行周期，η为在TDI CMOS图像传感器谱段内的积分量子效率，τ_o为成像光学系统的透过率，F为成像光学系统的焦比，h为普朗克常量，ν为光波的中心频率，s_FWC为TDI CMOS图像传感器满阱的电子数。

2.根据权利要求1所述的一种高动态范围的推扫成像系统，其特征在于：所述具有高低增益通道的TDI CMOS图像传感器为采用单片TDICMOS；

式中，L_min为在当前太阳高度角最小地面反射率下成像光学系统入瞳处的目标积分辐亮度，V_{ad_max}为TDI CMOS图像传感器片内模数转换器接收的最大电压值。

3.根据权利要求1所述的一种高动态范围的推扫成像系统，其特征在于：所述高动态图像的合成公式为：

式中，DN_high为高增益通道输出的灰度值，DN_low为低增益通道输出的灰度值，DN_{line_max}为高增益通道的线性区最大灰度值，offset_low为低增益通道的偏置，offset_high为高增益通道的偏置。

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