实现空间高分辨成像的数字域时间延迟积分CMOS相机设计及分析

为使具有诸多优点的互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器更适合空间高分辨成像,寻求空间高分成像的新型技术,提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域时间延迟积分(TDI)算法。同时研究数字域TDICMOS相机成像质量,详细分析了其噪声来源和特性,并建立了数字域积分图像信噪比(SNR)与积分级数的关系模型,讨论了积分时间和光照度对SNR的影响。最后利用设计的IBIS5-B-1300卷帘数字域TDI CMOS原理样机开展验证实验。实验结果表明本文算法能明显提高成像质量,数字域10级积分图像SNR由未积分的19.07dB提高至29.21dB,而且级数越大,SNR越大。理论分析和实验验证均表明M级卷帘数字域TDI可使图像SNR提高M(σAD+σCMOS)/(MσAD+槡MσCMOS)倍,其中σAD和σCMOS与选择的CMOS传感器有关,另外σCMOS还受积分时间和光照度的影响。     

TDI-CMOS图像传感器多次采样叠加调制传输函数模型研究

提出了多次采样叠加下时间延迟积分(TDI)CMOS图像传感器沿扫描方向的调制传输函数(MTF)分析模型。基于行滚筒曝光读出原理,研究了一个行时间内采样次数、叠加次数、TDI级数和速度失配比对扫描MTF的影响机理。为验证扫描MTF模型,基于TDI-CMOS图像传感器将连续视场映射为离散图像的几何和能量传输关系分析,建立了成像仿真系统并利用刃边法计算MTF曲线。仿真结果表明,扫描MTF随着采样次数增加而增大;当采样次数固定,扫描MTF随着叠加次数增大而减小;扫描MTF随着速度失配比和TDI累加级数增大而减小。     

全局快门sCMOS图像传感器数字TDI微光成像技术

为实现高分辨率大动态范围的空间微光(LLL)成像,提出基于全局快门科学级互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器的数字域时间延迟积分(TDI)微光成像方法。通过推导数字域TDI成像数据处理方法,建立了系统信噪比(SNR)模型,提出了数字域TDI大动态范围成像方法,并分析了速度失配导致的调制传递函数(MTF)退化现象。实验结果表明,该方法能够明显提高微光成像质量,当数字域TDI积分级数为30时,系统SNR由未积分的5.04dB提高到19.78dB,动态范围比传统数字域TDI方法提升了29.54dB,为实现高分辨率大动态范围空间微光成像提供了保障。     

时间延迟积分型面阵CMOS图像传感器MTF速度失配模型研究

研究了时间延迟积分型面阵互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器调制传递函数(MTF)速度失配特性,在分析累加级数、像素尺寸、镜头放大倍数、行周期及电机运动速度失配等影响因素的基础上,建立了MTF速度失配模型。基于现场可编程门阵列(FPGA)开发板,搭建面阵CMOS图像传感器实现线阵时间延时积分(TDI)的CMOS测试系统。实验结果表明,在光强为3lx,速度失配M(ΔV/V)<2,8级时间延迟积分与面阵成像相比,MTF值提高50%;当累加级数为8级,速度失配满足M(ΔV/V)=2的速度失配容限时,奈奎斯特频率处的MTF值下降10%,当速度失配达到M(ΔV/V)=10时,MTF值下降35%。     

数字域时间延迟积分CMOS遥感相机动态传函建模分析

调制传递函数（MTF）是遥感相机的重要评价指标,但是目前对于数字域TDI CMOS相机动态MTF特性研究十分有限,为了深入研究其像质下降机理,结合数字域TDI CMOS成像原理,建立了像元、电子快门、曝光时间、振动引起的数字域TDI成像MTF下降数学模型。结合推导模型开展了预估分析和实验验证。结果表明：传感器的有效像元区域分布会影响图像MTF,且开口率越小影响越大;CMOS传感器的卷帘快门会导致数字域TDI成像MTF下降,卷帘速度越慢影响越严重,其中卷帘速度从6μs变为10μs时,对应的图像MTF从0.191下降为0.177;曝光时间越短则MTF越高,尤其当存在低频像移失配时更为明显,曝光时间从180μs减小为100μs时,图像MTF从0.126提高为0.155,但同时也会影响图像信噪比,因此在实际应用中应合理选择曝光时间。     

基于空间相机时间延迟积分传感器拼接区图像的像移测量

为了对由飞船姿态不稳或隔振装置的振动抑制残余量等因素产生的宽频带像移进行测量,提出了基于时间延迟积分(TDI)传感器拼接区所成图像的像移测量方法。定义了偏移系数,用以衡量成像期间像移速度与TDI传感器积分时间之间的失配度,以调制传递函数(MTF)为相机成像质量评价指标,分析了失配度与成像质量之间的关系,确定了满足成像质量的像移测量方法的精度范围;利用两片TDI传感器拼接区所拍图像存在相同内容、拍摄时刻不同的特点,阐述了基于TDI传感器拼接区图像的像移测量原理。实验结果表明测量精度达到0.2377pixel,测量频带达到228Hz,证明该方法能够对宽频带、高精度的像移进行有效测量。     

卷帘快门对数字域TDI成像的影响分析EI北大核心CSCD

数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)成像以其成本低、功耗小、操作灵活等优势,近几年逐渐引起研究关注。然而CMOS传感器的卷帘快门存在运动失真,为了深入研究其对数字域TDI的影响,结合卷帘快门工作原理,建立了卷帘快门效应对数字域TDI引起的像移及调制传递函数(MTF)下降的数学模型。并结合推导模型开展了预估分析和验证实验。结果表明:卷帘快门效应会对数字域TDI算法带来较大的影响;读出时间越长像移量越大、MTF下降越严重;另外行周期越短影响也越严重,其中行周期从200 us变为100 us时,对应的数字域TDI图像MTF从0.6144下降为0.4807。     

卷帘快门对数字域TDI成像的影响分析

数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)成像以其成本低、功耗小、操作灵活等优势,近几年逐渐引起研究关注。然而CMOS传感器的卷帘快门存在运动失真,为了深入研究其对数字域TDI的影响,结合卷帘快门工作原理,建立了卷帘快门效应对数字域TDI引起的像移及调制传递函数(MTF)下降的数学模型。并结合推导模型开展了预估分析和验证实验。结果表明:卷帘快门效应会对数字域TDI算法带来较大的影响;读出时间越长像移量越大、MTF下降越严重;另外行周期越短影响也越严重,其中行周期从200 us变为100 us时,对应的数字域TDI图像MTF从0.6144下降为0.4807。     

数字域时间延迟积分时间CMOS相机高分“凝视”成像设计分析

为实现凝视卫星高分跟踪成像,设计了数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器在凝视姿态下的成像匹配模型,推导了卫星凝视跟踪成像时相对轨道坐标系的姿态变化,采用坐标变换方法实时计算其在凝视过程中随姿态变化的行转移时间,利用蒙特卡罗方法统计计算了凝视模式下姿态指向精度和稳定度对成像的影响。利用数字域TDI CMOS原理样机和小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对成像进行了仿真分析。结果表明,卫星的姿态控制精度在成像过程中会引起纵向的像移速度失配和横向匹配的残余像移,成像积分级数越高,图像信噪比越大。积分级数的增加对卫星姿态提出较高要求,仿真平台姿态角和姿态角速度控制精度分别优于0.05°,0.005°/s时,采用积分级数为48级能较好地满足成像质量要求。     

帘幕式CMOS全局曝光成像技术

为了消除面阵CMOS航空相机高速成像时帘幕快门效应对成像质量的影响,分析了CMOS成像原理,开展了基于高速中心式机械快门与面阵CMOS图像传感器协同工作的全局曝光成像模式研究.建立了该成像模式下的航空高分辨率成像系统的信噪比模型与前向像移模型,并基于信噪比模型与前向像移模型论证存在合理的曝光时间参数.设计了体积小、质量轻、电驱动、曝光时间可准确控制的高速中心式机械快门,最短曝光时间可达1/2 000s,快门效率最高达80%.对采用自主研发的国产CMOS图像传感器的航空摄影相机参数进行验证计算,并进行直升机载人带飞拍摄实验.影像结果表明:该成像模式曝光时间参数论证正确,影像无拉伸、扭曲及拖尾现象,相机动态传递函数为0.21(奈奎斯特截止频率处),能够满足实际应用需求.     

TDICCD相机的卫星姿态稳定度确定

为解决卫星平台振动造成的图像质量下降问题,提高TDI CCD相机成像质量,分析了卫星姿态稳定度的范围及影响。讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性,推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式,得出TDI CCD相机对卫星姿态稳定度的要求与轨道高度以及积分级数有关。实验验证了公式推导,结果显示：轨道高度越高,积分级数越大,对卫星姿态稳定度的要求就越严格。数据表明：轨道高度在200～1000 km变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.0377 rad/s提升至0.00635 rad/s;TDI CCD 相机的积分级数在1～100间变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.014 rad/s提升到0.00014 rad/s。本文工作确定了卫星姿态稳定度和轨道高度以及积分级数的关系,有助于TDI CCD成像质量的提升。     

正弦振动对航空相机成像影响的分析与验证

航空相机拍照时,由于受到振动影响成像分辨率会降低。采用动态调制传递函数研究正弦振动对成像的影响,通过基于空间域的计算方法对高频和低频振动的调制传递函数(MTF)进行了分析,指出了曝光时间不等于振动周期整数倍的一般情况时,高频振动对成像质量的影响也具有随机性,但没有低频振动的随机性明显。采用快速反射镜作为振动源进行成像实验,对获得的振动图像使用小波变换提取图像的高频信息。实验中将曝光时间设定为20ms,振动频率为50Hz时,高频信息波动范围仅为0.0582×104,可以认为基本没有波动。当振动频率为15Hz时,波动范围为0.6233×104,随机性很明显,而振动频率为65Hz时,波动范围为0.1245×104,随机性不明显。通过高频信息与MTF的对应关系,实验证明了理论分析的正确性。在理论分析和实验的基础上,总结了正弦振动对成像影响的普遍性结论。该结论可用于分析成像系统光机结构设计,也可应用于图像去模糊,具有一定的意义。     

基于反射点源的高分辨率光学卫星传感器在轨调制传递函数检测

调制传递函数(MTF)可用来评估高分辨率光学卫星传感器像质,在轨MTF检测对于高分辨率卫星遥感数据的应用和未来卫星遥感器的发展具有重要意义。提出一种基于反射点源的直接检测方法,利用遥感影像数据计算得到成像系统的点扩展函数(PSF),进而获取系统的MTF值。根据成像关系和点光源图像数据,并利用非线性方程优化求解的方式得到被测光学卫星传感器成像系统的一维线扩展函数值,进而验证了可近似用高斯模型来表征高分辨率光学卫星传感器的PSF。实验结果表明,基于反射点源的光学卫星传感器在轨MTF检测结果与基于刃边靶标的在轨MTF检测结果的差异小于5%,能够实现高分辨率光学卫星传感器的在轨MTF检测。     

针对广域像移变化的数字时间延迟积分方法

为解决现有电子式像移补偿在扫描方向上补偿范围有限的问题,提出一种适用于沿扫描方向广域像移大小变化的数字时间延迟积分(TDI)方法。首先基于像移计算结果判断像移大小是否在电子行频可补偿的范围内,当在不可补偿范围时,基于利用图像插值和配准像素对位累加来调整像移失配量的思想,构建任意像移大小的数字TDI算法模型,并对所提算法进行实验验证。实验结果表明:当96级积分的总像移量远小于像元尺寸时,所提算法与逐行累加的传统TDI方法成像结果相当;当96级积分的总像移量大于像元尺寸时,总像移量超出电子式像移可补偿范围,传统TDI方法扫描图像发生严重混叠,成像质量急剧下降,而所提算法获取图像的像移传递函数和互相关性测度均提高0.11,可有效保持成像质量。     

推扫式线阵TDI CCD扫描调制传递函数分析

 根据线阵TDI CCD离散采样的特点,以采样间距内成像调制度均值为基础,构建了推扫成像模式下线阵TDI CCD扫描方向的调制传递函数。该调制传递函数的数值分析表明：对于像元为10 μm的线阵TDI CCD,行转移驱动时钟相数为4, 3或2时,Nyquist频率处调制传递函数值分别为0.363,0.333或0.255;行频误差为1%及3%时,不同积分级数下调制传递函数变化曲线表明,增大行频误差及增加积分级数将使调制传递函数值减小,图像分辨率降低。成像实验结果符合所构建调制传递函数的定量分析结论。     

航空相机像旋动态调制传递函数分析与研究

航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转,会导致图像模糊,成像质量下降,必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前,通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度,都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系,提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF),并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验,利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值,并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明,转台以20~300(°)/s匀速转动时,空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前,动态MTF计算值和测量值曲线近似重合,验证了旋转动态MTF的正确性;空间频率在小于0.7零点频率范围内,两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%,进而证明了测量方法的准确性。     

全景式TDICCD摆扫航空相机像面旋转的高精度补偿

摆扫式相机在扫描成像过程中,必须保证扫描机构与像面探测器之间摆扫运动的同步性,如果二者之间出现角度偏差或速度偏差,就会引起像旋转现象,使图像模糊,造成图像质量的下降。以全景式时间延迟积分(TDI)CCD摆扫航空相机为例,利用坐标变换方法建立了像旋分析的数学模型,分析了位置同步误差与速度同步误差对成像质量的影响,提出了基于干扰观测器的同步补偿方法,保证了两个机构之间位置及速度的同步性,实现了调速控制器与同步控制器的独立设计,有利于实际应用。通过实验室静态分辨率成像实验及对外成像实验,对理论分析结果进行验证。实验结果表明基于本方法的位置及速度同步误差分别小于0.0043°、0.0695°/s,均满足补偿精度要求,在成像过程中图像的旋转及失真现象得到了明显的抑制,图像质量获得了大幅提高。     

基于电子倍增的高光谱成像链模型的系统信噪比分析

高光谱成像的应用效果非常依赖于所获取的图像信噪比(SNR)。在高空间分辨率下,帧速率高、信噪比低,由于光谱成像包含了两维空间-光谱信息,不能使用时间延迟积分(TDI)模式解决光能量弱的问题;目前多采用摆镜降低应用要求,但增加了体积和质量,获取的图像不连续,且运动部件降低了航天的可靠性。基于此,将超高速电子倍增与成像光谱有机结合,构建了基于电子倍增的高分辨率高光谱成像链模型,综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于成像链路信噪比的完整分析。采用LOWTRAN 7软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳高度角和地物反射率计算像面的照度,根据电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下的SNR。对SNR的分析和实验,选择适当的电子倍增增益,可使微弱光谱信号SNR提高6倍。     

动态MTF的数值计算与分析

受振动的影响,在积分时间内,光学系统成像是一个动态过程.对于动态成像,常采用动态调制传递函数(MTF)作为评价振动对像质影响的工具.针对动态MTF,提出一种适用于任意运动形式的数值计算方法,该方法还可以扩展到计算二维运动时的动态MTF.该方法可用于预估和评价动态成像系统的成像质量,计算的结果还可用于运动模糊图像的仿真与...     

基于探测信号叠加的推扫式压缩多光谱关联成像

针对推扫模式下多光谱关联成像重构图像模糊、信噪比低问题,提出了一种利用探测信号叠加提高重构图像信噪比的多光谱关联成像方案.该方案基于稀疏约束关联成像光谱相机实验系统,通过单次曝光获得一帧探测信号,对前后帧连续探测信号进行错位叠加,计算出系统总探测矩阵,结合标定测量矩阵,采用压缩感知算法得到待测目标物体重构图像.数值模拟和实验结果表明:适当延迟曝光时间可以提高系统重构图像质量;相同曝光时间条件下,利用探测信号错位叠加的推扫10帧重构图像信噪比明显高于单帧多光谱重构图像.