CN111654650B - 基于深空探测的高动态范围tdicmos成像系统 - Google Patents

基于深空探测的高动态范围tdicmos成像系统 Download PDF

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Abstract

基于深空探测的高动态范围TDI CMOS成像系统，现有对深空探测相机的图像特性进行动态范围优化过程中，存在统计的区域段过多，耗费的资源过多；若统计的区段过少，又存在统计的精度太差等问题，包括TDI CMOS图像传感器和成像控制器；所述成像控制器产生TDI CMOS图像传感器的相关控制信号，并通过SPI接口对TDI CMOS图像传感器的成像参数进行控制，所述TDICMOS图像传感器返回SPI读出数据的反馈信号，输出串行图像数据到成像控制器内部进行处理；本发明基于探测器可用的积分级数、像素增益和PGA增益范围来设置使用的成像工作参数组，同时设置统计图像的灰度直方图的区域段数，实现与成像参数的最佳匹配。

Description

基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统
技术领域
本发明涉及深空探测的高动态范围相机成像技术领域，具体涉及一种与成像参数匹配的深空探测的高动态范围相机系统。
背景技术
航天相机特别是深空探测相机，针对星球的两极和赤道成像，所经历的太阳高度角变化范围接近89.5度，太阳高度角引起的入射光能量变化超过了114倍，地面反射率的变化会导致所需的动态范围进一步加大。TDICMOS探测器可调节积分级数、像素增益和PGA增益来改变输出的灰度值，但不同调节方式获得的信噪比是不同的。基于图像的灰度直方图统计图像的特性进行动态范围的优化，若统计的区域段过多，耗费的资源过多；若统计的区段过少，又存在统计的精度太差等问题。
发明内容
本发明为解决现有对深空探测相机的图像特性进行动态范围优化过程中，存在统计的区域段过多，耗费的资源过多；若统计的区段过少，又存在统计的精度太差等问题，提供一种基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统。
基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统，包括TDICMOS图像传感器和成像控制器；所述成像控制器产生TDICMOS图像传感器的相关控制信号，并通过SPI接口对TDICMOS图像传感器的成像参数进行控制，所述TDICMOS图像传感器返回SPI读出数据的反馈信号，输出串行图像数据到成像控制器内部进行处理；
所述成像控制器按照最小的像素增益、PGA增益和m个TDI积分级数，制作出m组成像参数，每组成像参数为：kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i，kpix_gain_min为像素增益最小值，kpga_gain_min为PGA增益最小值，ktdi_i为第i个TDI积分级数，i的取值为0～m-1；
若
Figure BDA0002551923190000011
kpix_gain_max为像素增益最大值，kpga_gain_max为PGA增益最大值，ktdi_i+1为第i+1个TDI积分级数，ni的取值大于2，则需要在参数(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i)与(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i+1)之间插入ni-1组参数；
或若
Figure BDA0002551923190000021
且
Figure BDA0002551923190000022
则需要在参数(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i)与(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i+1)之间插入ni-1组参数；
当
Figure BDA0002551923190000023
时，则对应的ni-1值设置为1。
插入ni-1组参数可以表示为：
(kpix_gain_p,kpga_gain_q,ktdi_i)，要求
Figure BDA0002551923190000024
式中kpix_gain_p为中间积分级数下插入的像素增益，kpga_gain_q为中间积分级数下插入的PGA增益。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的成像系统，根据接收到的图像灰度和发出的成像参数的延迟，进行新参数所对应的入射光能量的类推，避免成像参数的延迟，可适应延迟时间长的应用，进行快速的响应；
2、本发明根据可设置成像参数的个数进行判断区域的分区，减小不必要的过多分区，节约资源；
3、本发明通过合理的成像参数组合，实现在可达到相同的DN值情况下，实现更高的成像信噪比。
附图说明
图1为本发明所述的基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统的原理框图；
图2为m个TDI积分级数的结构示意图；
图3为插入ni-1组参数后的结构示意图；
图4为插入r组参数后的结构示意图。
具体实施方式
结合图1至图4说明本实施方式，基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统，主要包含TDICMOS图像传感器和成像控制器两部分组成。成像控制器产生TDICMOS图像传感器的相关控制信号，通过SPI接口对TDICMOS图像传感器的成像参数进行控制，TDICMOS图像传感器返回SPI读出数据等反馈信号，输出串行图像数据到成像控制器内部进行调理。
所述成像控制器按照最小的像素增益、PGA增益和m个TDI积分级数，制作出m组成像参数(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i)，i的取值为0～m-1。如图2所示。
若
Figure BDA0002551923190000031
ni的取值大于2，则需要在参数(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i)与(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i+1)之间插入ni-1组参数；
或若
Figure BDA0002551923190000032
且
Figure BDA0002551923190000033
则需要在参数(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i)与(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i+1)之间插入ni-1组参数；式中i的取值为0～m-1。
当
Figure BDA0002551923190000034
时，则对应的ni-1值设置为1。
插入ni-1组参数可以表示为：
(kpix_gain_p,kpga_gain_q,ktdi_i)，要求
Figure BDA0002551923190000035
式中kpix_gain_p为中间积分级数下插入的像素增益，kpga_gain_q为中间积分级数下插入的PGA增益。如果图3所示。
本实施方式中，在最大TDI级数的条件下，额外增加r组成像参数，r要求满足：
Figure BDA0002551923190000036
插入r组参数可以表示为：
(kpix_gain_α,kpga_gain_β,ktdi_max)，要求
Figure BDA0002551923190000037
式中kpix_gain_α为最大积分级数下插入的像素增益，kpga_gain_β为最大积分级数下插入的PGA增益。如图4所示。
本实施方式中，区段数的设置方法为：
Figure BDA0002551923190000041
区段数＝成像参数的组数，同时按照相同的方式对成像参数的地址进行编码。也就是编码地址0对应的成像参数为(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_min)，最大的编码地址对应的成像参数为(kpix_gain_max,kpga_gain_max,ktdi_max)。
本实施方式中，在轨分区段成像动态范围的调整方法为：将w(δ)定义为灰度值小于DN(δ)的像素比率；w(δ-1)＜50％，且w(δ)≥50％，则w(δ)所对应的灰度值则为当前的中值DN(δ)；
基于外推法，计算出预计的成像参数开始执行时的灰度值DN(ε)
Figure BDA0002551923190000042
当DN(ε)小于或等于
Figure BDA0002551923190000043
值时，则成像参数值对应的编码地址加1；若大于
Figure BDA0002551923190000044
则成像参数值对应的编码地址减1；式中nline_delay为从发出新成像参数到接收到新参数作用下的首行图像的延迟行数。
本实施方式中，实时调整成像参数过程的处理措施，spi寄存器的写操作安排在数据的消隐期，也就是不输出有效图像数据的阶段。
本实施方式所述的成像控制器采用virtex 6器件及其内部资源；TDI CMOS图像传感器采用长光辰芯公司的定制产品。

Claims (5)

1.基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统，包括TDICMOS图像传感器和成像控制器；所述成像控制器产生TDICMOS图像传感器的相关控制信号，并通过SPI接口对TDICMOS图像传感器的成像参数进行控制，所述TDICMOS图像传感器返回SPI读出数据的反馈信号，输出串行图像数据到成像控制器内部进行处理；
所述成像控制器按照最小的像素增益、PGA增益和m个TDI积分级数，制作出m组成像参数，每组成像参数为：kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i，kpix_gain_min为像素增益最小值，kpga_gain_min为PGA增益最小值，ktdi_i为第i个TDI积分级数，i的取值为0～m-1；
若
Figure FDA0002897985610000011
kpix_gain_max为像素增益最大值，kpga_gain_max为PGA增益最大值，ktdi_i+1为第i+1个TDI积分级数，ni的取值大于2，则需要在参数(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i)与(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i+1)之间插入ni-1组参数；
或若
Figure FDA0002897985610000012
且
Figure FDA0002897985610000013
则需要在参数(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i)与(kpix_gain_min,kpga_gain_min,ktdi_i+1)之间插入ni-1组参数，
当
Figure FDA0002897985610000014
时，则对应的ni-1值设置为1；
插入ni-1组参数可以表示为：
(kpix_gain_p,kpga_gain_q,ktdi_i)，要求
Figure FDA0002897985610000015
式中kpix_gain_p为中间积分级数下插入的像素增益，kpga_gain_q为中间积分级数下插入的PGA增益。
2.根据权利要求1所述的基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统，其特征在于：在最大TDI积分级数的条件下，增加r组成像参数，r要求满足
Figure FDA0002897985610000021
所述r组参数表示为：
(kpix_gain_α,kpga_gain_β,ktdi_max)，要求
Figure FDA0002897985610000022
式中kpix_gain_α为最大积分级数下插入的像素增益，kpga_gain_β为最大积分级数下插入的PGA增益。
3.根据权利要求1所述的基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统，其特征在于：设置区段数与成像参数的组数相同，
Figure FDA0002897985610000027
Figure FDA0002897985610000023
所述区段数＝成像参数的组数，同时按照相同的方式对成像参数的地址进行编码，即：编码地址0对应的成像参数为kpix_gain_min,kpga_gain_min和ktdi_min，最大的编码地址对应的成像参数为kpix_gain_max,kpga_gain_max和ktdi_max；ktdi_min为最小TDI积分级数，ktdi_max为最大TDI积分级数。
4.根据权利要求1所述的基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统，其特征在于：在轨分区段成像动态范围的调整方法为：
将w(δ)定义为灰度值小于DN(δ)的像素比率；w(δ-1)＜50％，且w(δ)≥50％，则w(δ)所对应的灰度值则为当前的中值DN(δ)；
基于外推法，计算出预计的成像参数开始执行时的灰度值DN(ε)
Figure FDA0002897985610000024
当DN(ε)小于或等于
Figure FDA0002897985610000025
值时，则成像参数值对应的编码地址加1；若大于
Figure FDA0002897985610000026
则成像参数值对应的编码地址减1；式中nline_delay为从发出新成像参数到接收到新参数作用下的首行图像的延迟行数。
5.根据权利要求1所述的基于深空探测的高动态范围TDICMOS成像系统，其特征在于：SPI寄存器的写操作安排在数据的消隐期，即：在不输出有效图像数据的阶段进行写操作。
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