基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDI CMOS成像系统技术方案

基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDI CMOS成像系统，涉及一种基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDI CMOS成像系统，本发明专利技术解决现有的小像元存在满阱电荷数过低，信噪比不高的问题，包括多谱段TDI CMOS探测器、成像控制器和外部存储器；成像控制器产生多谱段TDI CMOS探测器的工作时序，进行TDI工作模式的控制，同时接收多谱段TDI CMOS探测器输出的经过了模拟电荷域TDI叠加的多谱段图像数据，采用外部存储器进行数字域TDI工作模式叠加；采用模拟电荷域TDI结合数字域TDI的方式来突破小像元尺寸的满阱电荷数少的约束，设计分区曝光成像的TDI CMOS探测器结构，根据TDI积分方向和TDI级数选择设计TDI积分过程的控制方式和数据缓存方法，形成虚拟的大满阱电荷数的TDI CMOS图像探测器成像系统。

【技术实现步骤摘要】
基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统
本专利技术涉及一种基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统。
技术介绍
在相同地面像元分辨率的航天应用中，像元尺寸的减小，带来的好处是对应的焦距就越短，从而可降低整个光机结构的体积和重量。但现有技术下直接应用小像元尺寸的探测器，带来的问题是探测器满阱电荷数的减小，而满阱电荷的根号值就是最大信噪比的极限值，因此即使在好的光照条件和高的TDI级数下也不能获得高的信噪比，由于探测器过早接近饱和了，因此现有的小像元尺寸应用存在信噪比过低的问题。目前在更小像元的手机应用中，通常采用双摄方案来提高信噪比，另一种方案就是通过多帧图像的数字域累加。
技术实现思路
本专利技术为解决现有的小像元存在满阱电荷数过低，信噪比不高的问题，提供一种基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统。基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统，包括多谱段TDICMOS探测器、成像控制器和外部存储器；所述成像控制器产生多谱段TDICMOS探测器的工作时序，进行TDI工作模式的控制，同时接收多谱段TDICMOS探测器输出的经过了模拟电荷域TDI叠加的多谱段图像数据，采用乒乓结构的外部存储器进行数字域TDI工作模式叠加；设定p谱段分布在多谱段TDICMOS探测器边缘，该谱段包括n个区域，每个区域最大实现m级模拟电荷域TDI工作模式，且每个区域能独立输出电荷并进行量化输出；m、n均为大于1的正整数；设定b谱段像元尺寸为p谱段像元尺寸的k倍，每个谱段仅存在一个感光区域；所述k为大于1的正整数；设定地面景物经过TDICMOS探测器时，p谱段获得的所述探测器内累加的电荷up用下式表示为：式中A为探测器的像元面积，texp为探测器的在轨的行周期，ηλ为在探测器中心波长为λ的谱段内的积分量子效率，EO(λ)为探测器像面的典型照度，h为普朗克常量，c为光速。本专利技术的有益效果：1、在相同的地面像元分辨率下使用小像元尺寸，可缩短光学系统的焦距，从而缩小整个成像系统的体积和重量；2、突破小像元尺寸带来的小满阱电荷数的限制，通过几个分区的同时曝光可提高等效的满阱电荷数，从而将信噪比提高到原来的倍。3、在积分模式上，当探测器内累加的电荷在未达到探测器p谱段单个像素的满阱电子数um前，即：采用模拟电荷域的TDI积分；接近um后，即：才开始使用数字域的TDI积分，这样可保证在电荷累积的过程中尽量减小读出噪声的累加次数，从而提高信噪比。附图说明图1为本专利技术所述的基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统中多谱段TDICMOS探测器的结构图；图2为本专利技术所述的基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统中多谱段TDICMOS探测器成像的结构图；图3为本专利技术所述的基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统中当需要的TDI级数在m级之内的积分模式原理图；图4为本专利技术所述的基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统中当需要的TDI级数大于m小于2m级的积分模式原理图；图5为本专利技术所述的基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统中当需要的TDI级数大于(n-1)m小于nm级的积分模式原理图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统，结合图1，主要包括多谱段TDICMOS探测器、成像控制器和外部存储器。成像控制器产生多谱段TDICMOS探测器工作的相关工作时序，进行TDI工作模式的控制，同时接收多谱段TDICMOS探测器输出的经过了模拟电荷域TDI叠加的多谱段图像数据，并使用乒乓结构的外部存储器进行数字域TDI工作模式叠加。本实施方式中，p谱分布在探测器边缘，分n个区域(n为大于1的正整数)，每个区域最大可实现m(m为大于1的正整数)级模拟电荷域TDI工作方式，且每个区域都能独立输出电荷进行量化输出；这样能克服小像元的满阱电子数低问题，把信噪比提高倍；b谱像元尺寸是p谱的k倍(k为大于1的正整数)，每个谱段仅存在一个感光区域。设定地面景物经过TDICMOS探测器时，p谱段获得的所述探测器内累加的电荷up用下式表示为：式中，A为探测器的像元面积，texp为探测器的在轨的典型行周期，ηλ为在探测器中心波长为λ的谱段内的积分量子效率，EO(λ)为探测器像面的典型照度，h为普朗克常量，c为光速。本实施方式中，在积分模式上，当探测器内累加的电荷在未达到探测器p谱段单个像素的满阱电子数um前(即)，采用模拟电荷域的TDI积分；接近um后(即)才开始使用数字域的TDI积分，这样可保证在电荷累积的过程中尽量减小读出噪声的累加次数，从而提高信噪比。结合图3-图5说明本实施方式，本实施方式在不同TDI级数下的数据缓存方式分别为：(1)、当需要的TDI级数在m级之内针对双向TDI工作方式，根据TDI的积分方向，要么从顶端的端口out1输出数据，要么从底端的端口outn输出数据；不需要进行数据缓存。(2)、当需要的TDI级数大于m小于2m级针对双向TDI工作方式，根据TDI的积分方向，要么从顶端的端口out1和out2输出数据，要么从底端的端口outn-1和outn输出数据；需要进行数据缓存，而且为避免数据在读出前被覆盖，采用单个乒乓结构的外部存储器，即两个容量为m行t列(列向为p谱段的像元数)深度为Ι的缓存器，t为p谱的像元数，所述深度Ι设置为与探测器输出数字图像数据的量化位数相同。(3)、当需要的TDI级数大于(n-1)m小于nm级针对双向TDI工作方式，根据TDI的积分方向，要么从顶端端口开始的out1～outn输出数据，要么从底端端口开始的outn～out1输出数据；需要进行数据缓存，而且为避免数据在读出前被覆盖，采用n-1个乒乓结构的缓存器。即2(n-1)个容量分别为m行t列深度为Ι的缓存器，所述深度Ι设置为探测器输出数字图像数据的量化位数相同。本实施方式采用模拟电荷域TDI结合数字域TDI的方式来突破小像元尺寸的满阱电荷数少的约束，设计了分区曝光成像的TDICMOS探测器结构，并根据TDI积分方向和TDI级数选择设计了TDI积分过程的控制方式和数据缓存方法，最终形成虚拟的大满阱电荷数的TDICMOS图像探测器成像系统。本实施方式所述的多谱段TDICMOS探测器采用长光辰芯公司正在研制的TDICMOS图像传感器；所述的外部存储器采用3DPLUS公司的SRAM；所述的成像控制器采用Virtex5系列FPGA。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDI CMOS成像系统，包括多谱段TDI CMOS探测器、成像控制器和外部存储器；其特征是，所述成像控制器产生多谱段TDI CMOS探测器的工作时序，进行TDI工作模式的控制，同时接收多谱段TDI CMOS探测器输出的经过了模拟电荷域TDI叠加的多谱段图像数据，采用乒乓结构的外部存储器进行数字域TDI工作模式叠加；设定p谱段分布在多谱段TDI CMOS探测器边缘，该谱段包括n个区域，每个区域最大实现m级模拟电荷域TDI工作模式，且每个区域能独立输出电荷并进行量化输出；m、n均为大于1的正整数；设定b谱段像元尺寸为p谱段像元尺寸的k倍，每个谱段仅存在一个感光区域；所述k为大于1的正整数；设定地面景物经过TDI CMOS探测器时，p谱段获得的所述探测器内累加的电荷up用下式表示为：

【技术特征摘要】
1.基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统，包括多谱段TDICMOS探测器、成像控制器和外部存储器；其特征是，所述成像控制器产生多谱段TDICMOS探测器的工作时序，进行TDI工作模式的控制，同时接收多谱段TDICMOS探测器输出的经过了模拟电荷域TDI叠加的多谱段图像数据，采用乒乓结构的外部存储器进行数字域TDI工作模式叠加；设定p谱段分布在多谱段TDICMOS探测器边缘，该谱段包括n个区域，每个区域最大实现m级模拟电荷域TDI工作模式，且每个区域能独立输出电荷并进行量化输出；m、n均为大于1的正整数；设定b谱段像元尺寸为p谱段像元尺寸的k倍，每个谱段仅存在一个感光区域；所述k为大于1的正整数；设定地面景物经过TDICMOS探测器时，p谱段获得的所述探测器内累加的电荷up用下式表示为：式中A为探测器的像元面积，texp为探测器的在轨的行周期，ηλ为在探测器中心波长为λ的谱段内的积分量子效率，EO(λ)为探测器像面的典型照度，h为普朗克常量，c为光速。2.根据权利要求1所述的基于小像元尺寸探测器的虚拟大满阱TDICMOS成像系统，其特征在于；在积分模式上，当多谱段TDICMOS探测器内p谱段累加的电荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：余达，刘金国，徐东，李广泽，赵莹，王冶，吕世良，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22