CN111510647A - 一种多谱段tdicmos的均匀电荷转移控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制方法，涉及多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制技术领域，解决现有多谱段TDI图像传感器的电荷转移存在图像的干扰，同时存在全色和多光谱之间的谱段干扰，在控制器内部存在多组的乘法和除法运算，存在占用的资源大或实时性差以及对不同行周期进行编码，对各跳变沿位置进行映射，存在操作复杂等问题，本发明提出将探测器全色的最小行周期对应的最小像素时钟个数为2的整数次幂，在实时计算行周期长度时不需要进行除法运算，仅需要乘法运算后截取高位数据。将各部分进行分区，统计各区域的跳变沿位置，然后进行编码。通过对全色的最小行周期的限定，保证敏感区域内尽可能少的跳变沿位置，减小存储寄存器的使用量。

Description

一种多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制方法

技术领域

本发明涉及多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制技术，具体涉及一种高动态传递函数低干扰低资源消耗的多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制方法。

背景技术

和两相位探测器相比，对于多相位的TDI图像传感器，当将整个行周期的时间长度均匀分为电荷转移相位数的2倍，则可大大提高动态传递函数。对于多相位多谱段的TDI图像传感器，采用严格的均匀电荷转移方案，可能存在电荷转移操作对图像的干扰，同时存在全色和多光谱之间的谱段干扰。另外，在实际的在轨应用中，TDI图像传感器的行周期取值范围变化较大，为实现精细的像移补偿，需要实时计算各驱动控制信号的跳变沿位置。在图像传感器的控制器内存在多组的乘法和除法运算，若并行处理，占用的资源大；若串行处理，实时性差。若使用matlab等软件事先计算出不同行周期下各信号的跳变沿位置，然后通过非易失存储器存储下来，一方面需要在轨存储大量的数据，还需要针对不同的行周期进行编码，进行各跳变沿位置的映射，操作复杂。

发明内容

本发明为解决现有多谱段TDI图像传感器的电荷转移存在图像的干扰，同时存在全色和多光谱之间的谱段干扰，在控制器内部存在多组的乘法和除法运算，存在占用的资源大或实时性差以及对不同行周期进行编码，对各跳变沿位置进行映射，存在操作复杂等问题，提供一种多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制方法。

一种多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制方法，该方法由以下步骤实现：

首先设定成像探测器全色时序操作的最小像素时钟个数n_{qs_min}为2的整数次幂；多光谱时序操作的最小像素时钟个数为全色时序操作的最小像素时钟个数的4倍：并要求所述最小像素时钟个数n_{qs_min}与应用的最小行周期t_{H_min}对应的像素时钟个数f_pix满足下述关系：

根据输入的多光谱行周期对应的像素时钟个数mul_lenth_new，确定多光谱段的驱动信号跳变沿的产生方式，具体步骤如下：

步骤一、进行跳变沿位置等比例增长；则新的跳变沿位置采用乘法操作后截取高位；即：n+2bit的当前输入的多光谱行周期长度和n+2多光谱跳变沿位置的乘积，然后截取高位的n+2bit；

步骤二、根据曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置变化，计算多光谱移动位置b_shifter；用公式表示为：

b_shifter<＝AG_B6_falling_step1-AG_B6_falling

式中，AG_B6_falling为进行等比例增长前的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置，AG_B6_falling_step1为进行等比例增长后的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置；

步骤三、判断多光谱跳变沿移动前位置mul_pos_step1是否大于等于所述多光谱移动位置b_shifter，如果是，则多光谱跳变沿移动后的位置为：

mul_pos_step23<＝mul_pos_step1-b_shifter如果否，则多光谱跳变沿移动后的位置为：

mul_pos_step23<＝mul_lenth_new+mul_pos_step1-b_shifter；

所述mul_lenth_new为多光谱行周期对应的像素时钟个数；

步骤四、统计各敏感区内的跳变沿位置的数量，并记录具体的跳变沿位置，然后对所述跳变沿位置进行编码；具体为：

利用行周期更新脉冲，对计数器进行复位，当计数器递增到2m+2后停止递增；在不同的计数位置，进行敏感区内各跳变沿位置的统计；当检测到在对应敏感区内的跳变沿后，计数器加1，同时将跳变沿的位置编码后进行存储；m为电荷转移的位相数；

步骤五、统计非敏感区内距离敏感区边缘最近的跳变沿位置点；同时记录具体的跳变沿位置，然后对跳变沿位置进行编码；

步骤六、比较非敏感区域内最近跳变沿位置与敏感区域左右边缘的距离，将敏感区域内的跳变沿位置进行均匀分布，当敏感区域左侧与非敏感区域内最近跳变沿位置的距离大于敏感区域右侧与非敏感区域内最近跳变沿位置的距离，则将敏感区跳变沿位置设置在敏感区域的左侧；

当敏感区域右侧与非敏感区域内最近跳变沿位置的距离大于左侧与非敏感区域内最近跳变沿位置的距离，则将敏感区跳变沿位置设置在敏感区域的右侧；用下式表示为：

式中，P_{sense_i}为第i个敏感区内的位置经调整后的跳变沿位置；i的取值为1～p；P_left为左侧距离非敏感区内最近的跳变沿位置，D_left为与敏感区域左边缘的距离；P_right为右侧距离的非敏感区内最近的跳变沿位置，D_right为与敏感区域右边缘的距离。

本发明的有益效果：本发明所述的电荷转移控制方法，实现高动态传递函数低干扰低资源消耗成像。具体存在以下优点：

1、本发明所述的成像探测器全色的最小行周期对应的最小像素时钟个数为2的整数次幂，这样在实时计算行周期长度时不需要进行除法运算，仅需要乘法运算后截取高位数据，减小了在FPGA等器件内的除法运算资源消耗，提高了资源利用率。也避免使用matlab等软件事先计算出不同行周期下各信号的跳变沿位置，然后通过非易失存储器存储下来，一方面不需要额外的存储器，也不需要针对不同的行周期进行编码，仅根据当前的行周期进行处理。

2、本发明通过对全色的最小行周期的限定，保证敏感区域内尽可能少的跳变沿位置，减小存储寄存器的使用量；

3、本发明通过采用对敏感区的跳变沿位置的统计，采用编码方式对各位置进行录入，减小总资源的消耗量。

附图说明

图1为本发明所述的一种多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制方法中的多谱段TDICMOS的成像系统；

图2为多光谱新的跳变沿产生方式原理图；

图3为多光谱新的跳变沿产生方式原理图；

图4为多光谱敏感区跳变沿的统计方式原理图；

图5为敏感区内跳变沿位置调整方式原理图；

图6为多光谱非电荷转移信号的跳变沿的产生方式原理图；

图7为全色谱段新的跳变沿产生方式原理图；

图8为全色新的跳变沿平移方式原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图8说明本实施方式，一种多谱段TDICMOS的均匀电荷转移控制方法，包括多谱段TDICMOS的成像系统，所述成像系统包括电源转换电路、成像探测器、驱动和控制电路、成像控制器、数传接口电路和控制接口电路；

电源转换电路为各部分提供供电电源；外部输入的控制通信信号经控制接口电路，送入成像控制器；成像控制器产生的驱动和控制信号，经驱动和控制电路后，送入成像探测器；成像探测器输出的数字图像数据，经成像控制器调理后，经数传接口电路输出。

具体方法如下：

首先设定成像探测器全色时序操作的最小像素时钟个数n_{qs_min}为2的整数次幂；多光谱时序操作的最小像素时钟个数为全色时序操作的最小像素时钟个数的4倍：并要求所述最小像素时钟个数n_{qs_min}与应用的最小行周期t_{H_min}对应的像素时钟个数f_pix满足下述关系：

结合图2至图5说明本实施方式，所述成像控制器内部的多光谱电荷转移驱动信号AG跳变沿位置的处理复选器，根据输入的多光谱行周期对应的像素时钟个数mul_lenth_new，确定多光谱段的驱动信号跳变沿产生步骤为：

步骤一、跳变沿位置的等比例增长，则新的跳变沿位置采用乘法操作后截取高位；即：n+2bit的当前输入的多光谱行周期长度和n+2多光谱跳变沿位置的乘积，然后截取高位的n+2bit。本实施方式中只需要进行乘法和截取高位的操作，无除法。

步骤二、根据曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置变化，计算多光谱移动位置b_shifter；

b_shifter<＝AG_B6_falling_step1-AG_B6_falling

式中，AG_B6_falling为进行等比例增长前的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置，AG_B6_falling_step1为进行等比例增长后的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置；

步骤三、根据已进行等比例增长的跳变位置是否比多光谱移动位置b_shifter大，决定直接减去多光谱移动位置b_shifter还是增加多光谱行周期对应的像素时钟个数mul_lenth_new后再减去多光谱移动位置b_shifter；

式中，mul_pos_step1为多光谱跳变沿位置移动前的位置，mul_pos_step23为多光谱跳变沿移动后的位置。

步骤四、统计各敏感区内的跳变沿位置数量，同时记录具体的跳变沿位置，另外对跳变沿位置进行编码；

利用行周期更新脉冲，对计数器进行复位，当计数器递增到2m+2后停止递增；在不同的计数位置，进行敏感区内各跳变沿的统计；当检测到在此敏感区内的跳变沿后，统计的个数加1，同时把此跳变沿的编码进行存储。

编码的具体规定：2m个位置定义为0～(2m-1)；m为电荷转移的位相数。当检测到的计数值发生递增的时刻，根据计数值的大小进行不同的赋值：

当前计数值为1滞后一个时钟的计数值为0(当前的计数值从0变为1的时刻，判断在此时刻当前计数器为1，而把当前的计数器进行一个时钟的延迟，则该位置的延迟值为0)：将当前的跳变沿位置对第一个敏感区内的跳变沿位置进行赋值，同时将当前跳变沿的位置编码送入第一个编码器；

当前计数值为2滞后一个时钟的计数值为1：将当前的跳变沿位置对第二个敏感区内跳变沿的位置进行赋值，同时将当前跳变沿位置的编码送入第二个编码器；

依次类推；

当前计数值为t滞后一个时钟的计数值为(t-1)：将当前的跳变沿位置对将当前的跳变沿位置对第t个敏感区内的跳变沿位置进行赋值，同时将当前跳变沿位置的编码送入第t个编码器。

步骤五、统计非敏感区内距离敏感区边缘最近的跳变位置点；同时记录具体的跳变沿位置，另外对跳变沿位置进行编码；

利用行周期更新脉冲，对计数器进行复位，当计数器递增到(2m+2)后停止递增；在不同的计数位置，进行非敏感区内各跳变沿的统计；当检测到在此非敏感区内的跳变沿后，统计的个数加1，同时把此跳变沿的位置编码进行存储。

步骤六：比较敏感区域左右的距离，把敏感区的跳变沿位置安排在距离敏感区域更大的区间内，比较敏感区域左右非敏感区域内最近跳变沿与敏感区域边缘的距离，将敏感区域内的跳变沿位置进行均匀分布，当左侧的距离大于右侧的距离则设置在左侧，当右侧的距离大于左侧的距离则设置在右侧；将敏感区域的信号进行均匀分布(根据敏感区域的点数量和敏感区域左右的距离大小，进行敏感区域跳变沿位置的调整)；

式中，P_{sense_i}为第i个敏感区内的位置经调整后的跳变沿位置；i的取值为1～p；P_left为左侧距离非敏感器内最近的跳变沿位置，D_left为与敏感区域左边缘的距离；P_right为左侧距离非敏感器内最近的跳变沿位置，D_right为与敏感区域右边缘的距离。

结合图6说明本实施方式，本实施方式中，还包括多光谱非AG跳变沿位置的处理复选器对非电荷转移的驱动控制信号处理：在指定位置的边沿，增加不同与周期相关的长度；到不同的区域，增加不同的长度；

(1)当跳变沿位置小于1/4的新输入多光谱行周期，跳变沿位置不变；

(2)当跳变沿位置大于1/4的新输入多光谱行周期而小于1/2，跳变沿位置增加1/4的新输入多光谱行周期的增加值(新旧行周期的差值)；

(3)当跳变沿位置大于1/2的新输入多光谱行周期而小于3/4，跳变沿位置增加1/2的新输入多光谱行周期的增加值(新旧行周期的差值)；

(4)当跳变沿位置大于3/4的新输入多光谱行周期，跳变沿位置增加3/4的新输入多光谱行周期的增加值(新旧行周期的差值)。

结合7和图8，本实施方式中，所述成像控制器内部的全色电荷转移驱动信号AG跳变沿位置的处理复选器根据输入的全色行周期对应的像素时钟个数qs_lenth_new，确定全色谱段的驱动信号跳变沿产生步骤为：

步骤一、进行跳变沿位置的等比例增长，新的跳变沿的乘法操作：nbit的当前输入的全色行周期长度)和nbit的跳变沿位置相乘，然后截取高nbit。只需要进行乘法和截取高位的操作，无除法。

步骤二、根据曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置变化，计算全色移动位置p_shifter；

p_shifter<＝AG_B6_falling_step1-AG_B6_falling

式中AG_P36_falling为进行等比例增长前的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置，AG_P36_falling_step1为进行等比例增长后的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置。

步骤三、根据各已进行等比例增长的跳变位置是否比全色移动位置p_shifter大，决定直接减去移动位置p_shifter还是增加全色行周期对应的像素时钟个数qs_lenth_new后再减去移动位置p_shifter；

式中，pos_step1为跳变沿移动前的位置，pos_step23为跳变沿移动后的位置。

本实施方式中，电源转换电路采用510的DCDC模块；成像探测器使用长光辰芯公司的TDICMOS探测器；驱动和控制电路主要基于EL7457和ISL163245；成像控制器主要采用上海复旦微电子公司的FPGA和刷新新品牌；数传接口电路采用TLK2711芯片，控制接口电路主要采用54AC14、DS26LV31和DS26LV32。

Claims (6)

1.一种多谱段TDICMOS成像系统的均匀电荷转移控制方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

首先设定成像探测器全色时序操作的最小像素时钟个数n_{qs_min}为2的整数次幂；多光谱时序操作的最小像素时钟个数为全色时序操作的最小像素时钟个数的4倍：并要求所述最小像素时钟个数n_{qs_min}与应用的最小行周期t_{H_min}对应的像素时钟个数f_pix满足下述关系：

根据输入的多光谱行周期对应的像素时钟个数mul_lenth_new，确定多光谱段的驱动信号跳变沿的产生方式，具体步骤如下：

步骤一、进行跳变沿位置等比例增长；则新的跳变沿位置采用乘法操作后截取高位；即：n+2bit的当前输入的多光谱行周期长度和n+2多光谱跳变沿位置的乘积，然后截取高位的n+2bit；

步骤二、根据曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置变化，计算多光谱移动位置b_shifter；用公式表示为：

b_shifter<＝AG_B6_falling_step1-AG_B6_falling

式中，AG_B6_falling为进行等比例增长前的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置，AG_B6_falling_step1为进行等比例增长后的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置；

步骤三、判断多光谱跳变沿移动前位置mul_pos_step1是否大于等于所述多光谱移动位置b_shifter，如果是，则多光谱跳变沿移动后的位置为：

mul_pos_step23<＝mul_pos_step1-b_shifter如果否，则多光谱跳变沿移动后的位置为：

mul_pos_step23<＝mul_lenth_new+mul_pos_step1-b_shifter；

所述mul_lenth_new为多光谱行周期对应的像素时钟个数；

步骤四、统计各敏感区内的跳变沿位置的数量，并记录具体的跳变沿位置，然后对所述跳变沿位置进行编码；具体为：

利用行周期更新脉冲，对计数器进行复位，当计数器递增到2m+2后停止递增；在不同的计数位置，进行敏感区内各跳变沿位置的统计；当检测到在对应敏感区内的跳变沿后，计数器加1，同时将跳变沿的位置编码后进行存储；m为电荷转移的位相数；

步骤五、统计非敏感区内距离敏感区边缘最近的跳变沿位置点；同时记录具体的跳变沿位置，然后对跳变沿位置进行编码；

步骤六、比较非敏感区域内最近跳变沿位置与敏感区域左右边缘的距离，将敏感区域内的跳变沿位置进行均匀分布，当敏感区域左侧与非敏感区域内最近跳变沿位置的距离大于敏感区域右侧与非敏感区域内最近跳变沿位置的距离，则将敏感区跳变沿位置设置在敏感区域的左侧；

当敏感区域右侧与非敏感区域内最近跳变沿位置的距离大于左侧与非敏感区域内最近跳变沿位置的距离，则将敏感区跳变沿位置设置在敏感区域的右侧；用下式表示为：

式中，P_{sense_i}为第i个敏感区内的位置经调整后的跳变沿位置；i的取值为1～p；P_left为左侧非敏感区内距离最近的跳变沿位置，D_left为与敏感区域左边缘的距离；P_right为右侧非敏感区内距离最近的跳变沿位置，D_right为与敏感区域右边缘的距离。

2.根据权利要求1所述的一种多谱段TDICMOS成像系统的均匀电荷转移控制方法，其特征在于：

根据输入的全色行周期对应的像素时钟个数qs_lenth_new，确定全色谱段的驱动信号跳变沿的产生，具体为：

步骤A、跳变沿位置的等比例增长，则新的跳变沿移动前的位置采用乘法操作，即：nbit的当前输入的全色行周期长度和nbit的跳变沿移动前的位置相乘，然后截取高位nbit；

步骤B、根据曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置的变化，计算全色移动位置p_shifter；用公式表示为：

p_shifter<＝AG_B6_falling_step1-AG_B6_falling

式中，AG_B6_falling为进行等比例增长前的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置，AG_B6_falling_step1为进行等比例增长后的曝光开始时刻驱动信号的下降沿位置；

步骤C、判断全色跳变沿移动前的位置pos_step1是否大于等于全色移动位置p_shifter，如果是，则全色跳变沿移动后的位置为：pos_step23<＝pos_step1-p_shifter

如果否，则全色跳变沿移动后的位置为：

pos_step23<＝qs_lenth_new+pos_step1-p_shifter。

3.根据权利要求1所述的一种多谱段TDICMOS成像系统的均匀电荷转移控制方法，其特征在于：步骤四中，对各敏感区内跳变沿位置编码的具体要求为：

将2m个位置定义为0～2m-1，当检测到的计数值发生递增的时刻，根据计数值的大小进行不同的赋值：

当前计数值为1滞后一个时钟的计数值为0，将当前的跳变沿位置对第一个敏感区内跳变沿位置进行赋值，同时将当前跳变沿位置的编码值送入第一个编码器；

当前计数值为2滞后一个时钟的计数值为1，将当前的跳变沿位置对第二个敏感区内跳变沿位置进行赋值，同时将当前跳变沿位置的编码送入第二个编码器；

依次类推；

当前计数值为t滞后一个时钟的计数值为t-1，将当前的跳变沿位置对第t个敏感区内跳变沿位置进行赋值，同时将当前跳变沿位置的编码送入第t个编码器。

4.根据权利要求1所述的一种多谱段TDICMOS成像系统的均匀电荷转移控制方法，其特征在于：步骤五中，对跳变沿位置进行编码，具体为：

利用行周期更新脉冲，对计数器进行复位，当计数器递增到2m+2后停止递增；在不同的计数位置，进行非敏感区内各跳变沿的统计；当检测到在此非敏感区内的跳变沿后，统计的计数器加1，同时将此跳变沿的位置编码后进行存储。

5.根据权利要求1所述的一种多谱段TDICMOS成像系统的均匀电荷转移控制方法，其特征在于：还包括多光谱的非电荷转移的驱动控制信号处理：

在指定跳变沿位置的边沿，对新输入多光谱行周期的不同的区域位置，增加不同的长度；具体为：

当跳变沿位置小于1/4新输入多光谱行周期长度，则跳变沿位置不变；

当跳变沿位置大于1/4新输入多光谱行周期长度而小于1/2新输入多光谱行周期长度，则跳变沿位置增加1/4新输入多光谱行周期与原多光谱行周期的差值；

当跳变沿位置大于1/2新输入多光谱行周期长度而小于3/4新输入多光谱行周期长度，则跳变沿位置增加1/2新输入多光谱行周期与原多光谱行周期的差值；

当跳变沿位置大于3/4新输入多光谱行周期长度，则跳变沿位置增加3/4新输入多光谱行周期与原多光谱行周期的差值。

6.根据权利要求1所述的一种多谱段TDICMOS成像系统的均匀电荷转移控制方法，其特征在于，还包括多谱段TDICMOS成像系统，所述多谱段TDICMOS成像系统包括电源转换电路、成像探测器、驱动和控制电路、成像控制器、数传接口电路和控制接口电路；

电源转换电路为各部分提供供电电源；外部输入的控制通信信号经控制接口电路，送入成像控制器；成像控制器产生的驱动和控制信号，经驱动和控制电路后，送入成像探测器；成像探测器输出的数字图像数据，经成像控制器调理后，经数传接口电路输出。

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