用于时间延迟积分型图像传感器的流水采样列级运放共享累加器

提出了一种适用于TDI-CIS(时间延迟积分CMOS图像传感器)的模拟域流水采样列级运放共享累加器结构。提出的这种模拟累加器结构应用流水采样结构在不改变运放速率的前提下,将累加器的速率提升为传统累加器的2倍;采用积分电容列运放共享技术将n级TDI-CIS所需的运放个数减少至采用传统累加器所需个数的1/n。分析了流水采样累加器结构的原理以及输出噪声。使用标准0.18μm CMOS工艺进行了电路设计。仿真结果显示,提出的模拟累加器结构功耗为0.29m W,采样率为2 Msample/s。结果表明流水采样列级运放共享累加器结构在保持低电路面积和功耗的同时,可将TDI-CIS最大可达到的行频增加一倍,更适于高速扫描的应用环境。

星上时间延迟积分CCD拼接相机图像的实时处理

提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的时间延迟积分(TDI)CCD图像实时处理方法以提高拼接成像系统输出图像的质量和视觉效果。首先,对TDICCD成像系统进行像元级非均匀性校正,去除像元响应差异、固定图形噪声和暗电流噪声;对图像进行了基于行极值的自适应中值滤波,去除了图像中的随机噪声和脉冲噪声。然后,对噪声处理后的图像进行图像增强,通过提取图像的低频和高频成分,实现图像细节信息的调整和对比度增强。最后,采用基于行的分段线性拉伸方式,提高图像的动态范围。设计了基于FPGA的TDICCD成像系统的图像实时校正处理结构,分析了算法占用的资源、算法计算误差和可靠性等指标。实验结果表明,提出的图像实时处理结构将图像输出信噪比均值由48db提高到52db,图像非均匀性由3.41%降低到1.73%,图像的对比度显著增强,其动态范围提高了6%.

二维时间延迟积分红外图像实时增强处理技术

分析了热像仪输出图像的特征,针对非制冷红外焦平面阵列探测器图像对比度较差的问题,提出一种既能有效增强红外图像又能避免通常多帧累加造成边缘模糊的二维时间延迟积分技术,并介绍了具体的硬件实现方法。利用该技术能完成对红外图像的实时处理,且图像增强效果明显。

基于运动目标的二维时间延迟积分红外图像增强

在探讨二维时间延迟积分等红外图像增强技术的基础上,特别针对目标以较大速度运动的情况,提出一种将二维时间延迟积分与目标运动特性相结合的运动运动自适应红外图像增强算法,同时,从系统硬件实时化处理的目的出发,给出了硬件实现方法与具体实验结果,从实验结果看出,所设计系统在图像增强的同时,很好地消除了因目标运动带来的模糊效应。

基于数字域TDI算法改进面阵CMOS图像传感器功能

为使面阵CMOS图像传感器具有TDI成像功能,研究了TDICCD的工作原理,提出了一种基于数字域的TDI算法,并讨论了如何利用FPGA实现该算法。该算法可在不改变CMOS器件构造的前提下,使其具有时间延迟积分功能。通过举例法推导出面阵CMOS图像传感器数字域TDI计算公式,并在此基础上优化了算法结构,优化后可以节省(m-1)(m-2)/2行内存空间。最后以航天相机为背景,讨论了地面像元分辨力、行转移时间与CMOS帧频的关系,通过一个算例计算出不同分辨力和积分级数条件下对CMOS帧频的要求。计算结果表明,帧频大于648frame/s的1280×1024CMOS,可以满足600km轨道高度下地面像元分辨力为1m的96级积分成像要求。

横向抗弥散多光谱TDI CCD图像传感器

时间延迟积分电荷耦合器件(TDI CCD)主要应用于弱光信号探测,其在强光应用场合容易出现弥散现象。针对该问题,研制了横向抗弥散多光谱TDI CCD图像传感器。该器件包含四个多光谱段(B1～B4区),有效像元数为3 072元,像元尺寸为28μm×28μm。大像元可以在弱光环境下提供良好的光谱区分能力,通过滤光片可获得蓝光、绿光、红光和近红外波段的图像。为了减小抗弥散对器件满阱电子数的不利影响,采用了紧凑的抗弥散结构,仅占像元面积的7.1%。器件满阱电子数为500ke-,抗弥散能力为100倍,读出噪声小于等于70e-,动态范围大于等于7143∶1。

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。

采用新型读出电路的CMOS图像传感器研究

设计了一种采用新型读出电路的CMOS图像传感器,该器件电路结构简单,由四个MOS管,一个电容构成;驱动信号源少,只需两个相配合的脉冲;功耗小于0.7mW;单端输出方便模数转换的视频信号;可以实现片内差分。给出了理论分析和电路模拟仿真的结果数据及波形。采用标准1.2μmN阱DPDMCMOS工艺设计了一个256元的实验器件,像元中心距为25μm,器件尺寸大小为1mm×11mm,并对器件进行了主要参数的测试和数据分析,验证了该器件的功能。

四谱段TDICCD图像传感器的设计与制作

设计并研制了一种四谱段时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)图像传感器,器件将四个TDICCD集成在同一芯片上,通过在光窗对应位置上镀不同的窄带滤光膜实现多谱段分光。该TDICCD图像传感器的像元尺寸为28μm×28μm,水平寄存器的有效像元数为3072元,行频为10 kHz,电荷转移效率高达0.99999,饱和输出电压为2650 mV,抗弥散能力大于等于100倍,动态范围为7143∶1。

TDI型CMOS图像传感器时序控制设计与实现

设计了1 024×128时间延迟积分型(TDI)CMOS图像传感器的时序控制电路。基于沿扫描方向的行滚筒式曝光方式、通过增加曝光频率实现了像素间电荷转移的同时性和信号累加的同步性。完成了像素阵列、像素外电荷累加和列级ADC的时序控制电路,相关参数通过I2C总线控制。设计共耗费761个标准逻辑单元,版图大小为125μm×160μm,总的动态功耗40.55μW,泄漏功耗为10.43μW,时序正确并满足要求。时序控制电路与模拟电路的结合实现了TDI型CMOS图像传感器。

基于CPLD的TDI/CCD图像传感器驱动时序设计

提出了基于CPLD(复杂可编程逻辑器件)实现TDI/CCD(时间延时积分、电荷耦合器件)驱动电路的方法。选用Altera公司的MAX7000AE系列CPLD作为硬件设计平台,运用VHDL语言对驱动时序进行硬件描述,采用QuartusII对所设计的驱动时序发生器进行了仿真。测量与仿真结果证明是可行的。

小型CMOS图像传感器星点成像性能分析

精细导星仪(FGS)是空间天文望远镜精密稳像系统高精度姿态信息的快速检测装置,CMOS图像传感器的成像效果直接影响精细导星仪姿态信息的解算精度。而实际工作时,CMOS成像器件存在最佳的读出范围,超出此范围的入射光强与光生电子数的线性度低,无法获取有效星点来满足后级的质心坐标解算。为解决这一问题,提出一种估算不同星等最佳积分时间的方法,并将积分时间作为探测器参数选择与调整的主要依据。测量结果表明,像元暗电流的读出码值和探测器面阵RMS噪声值均随积分时间的增加而增加。依据星点光斑分布模型给出常用星等的最佳积分时间范围,结合星点的分布情况,得出7等星在视场范围内的星数约为7颗,论证了小型CMOS器件对星斑的探测能力。

一种适用于16级TDI CMOS图像传感器的电流型累加器(英文)

提出一种适用于混合域累加的16级时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)型CMOS图像传感器的电流型累加器.为了实现混合域的累加,电流信号首先在电流型累加器中累加4次,累加的结果被量化成数字量后再次完成4次的累加,即4×4的混合累加模式.详细分析了电流型累加器的热噪声和闪烁噪声特性,并给出了等效输入噪声的均方根电压表达式,并结合仿真工具进行分析验证.提出的电流型累加器电路在CMOS180nm 1.8V供电电源的工艺下实现,电路的功耗为0.37mW,芯片面积为0.03mm×0.82mm.经过电流型累加器的4次累加后,能够将信号的信噪比提升5.86dB.

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%。

基于积分时间和增益可调的CMOS驱动设计

为了适应光照强度的变化,通常需要改变积分时间来选择合适的曝光量。但积分时间设置过长,会使CMOS图像传感器的输出帧频大幅度的降低。为了解决这一问题,以IBIS5-A-1300CMOS图像传感器为例。在分析其内部结构和积分驱动时序的基础上,提出了一种改进的设计方法,可以保证在对图像传感器的输出帧频影响较小情况下,能够实现自适应光照强度调整。利用VHDL语言对设计的驱动时序进行描述,并在QuartusⅡ环境下进行系统功能仿真,仿真结果表明,所设计的驱动时序可以满足自适应曝光的要求。

一种片上集成模拟信号累加结构的CMOS-TDI传感器噪声建模与分析

提出了一种16级片上模拟累加电路结构以实现时间延迟积分(TDI)功能,累加单元以电荷放大器为基础.为了获得更好的噪声性能,对电路结构的模拟信号链路进行了噪声分析,给出了适用于TDI累加的热噪声模型.分析表明,主要随机热噪声根据累加电路工作的状态不同可以分成电荷传输噪声和直接采样噪声两部分.给出每部分噪声与电路增益大小的关系和相应的抑制方法.采用0. 5μm标准CMOS工艺实现了16×256级CMOS-TDI探测器芯片,流片的测试结果表明16级TDI可以获得11. 22 d B的SNR提升.

基于CPLD的CIS积分时间软调节

传统图像传感器修改积分时间的过程比较麻烦,为了能实现积分时间的在线调节,设计一种能通过SPI口在线实时改变积分时间的图像传感器系统。该系统是在1片可编程逻辑器件CPLD里集成图像传感器的驱动电路和积分时间调节电路,单片微机通过SPI同步串口和CPLD交换数据。仿真结果表明该系统可以实现在线修改积分时间。

可消除时间延时积分型CMOS图像传感器中3管像素复位噪声的读出方法(英文)

提出了一种应用于时间延时积分型CMOS图像传感器的读出方法,可以有效的消除3管像素的复位噪声.采用了跨行双采样方法,使得执行减法操作的2个电压信号分别来自于不同行的像素,方法与经过优化的滚筒式曝光方式相结合,可以将像素的复位噪声在传感器的信号累加过程中加以消除.使用软件对该方法进行了仿真,结果表明该方案可以有效的消除复位噪声.

TDI CMOS图像传感器曝光时间优化方法研究

为了提高时间延迟积分互补金属氧化物半导体(TDI CMOS)图像传感器的成像质量,研究了TDI CMOS图像传感器中曝光时间的选取对成像质量的影响。基于行滚筒曝光读出原理,分别分析了曝光时间对信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)的影响机理,根据分析结果,提出在级数已选定的情况下,曝光时间的选取存在最优值,此时得到的图像质量较好。为验证结论,基于自主研发的TDI CMOS图像传感器芯片及现场可编程门阵列(FPGA)开发板,搭建了TDI CMOS图像传感器成像测试系统。实验中采用MTF×SNR作为评价图像质量的指标,实验结果表明,在选定的相机参数下,积分级数为8级,光强为20 lx时,TDI CMOS图像传感器曝光时间选取64 ms时所得到的图像质量最好,此时MTF×SNR最大。

星上多通道遥感图像的实时合成压缩

针对星上图像整合电路工作频率过高而造成的成像系统工作不稳定的问题,讨论了相机结构的改进,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)平台实现星上时间延迟积分CCD(TDICCD)遥感图像实时合成压缩的方法。介绍了星上多通道遥感图像实时合成压缩的原理。针对TDICCD线阵推扫成像模式的特点,使用改进的JPEG-LS压缩算法;通过自适应量化动态地控制码率,在FPGA硬件平台上实现了图像数据的实时合成压缩。试验验证结果表明,在无损压缩和2倍压缩时,系统主时钟从原来的100MHz分别降低为80MHz和64MHz,整合电路的工作稳定,恢复图像的峰值信噪比(PSNR)满足大于80dB的要求。提出算法的存储量小,处理每行的平均时间为57.5μs,小于相机的最小行周期63μs,满足实时性要求。本文系统可靠性高,算法稳定,实现了星上多通道时间延迟积分CCD相机内部的实时合成压缩。