Simulation of monolithic active pixel sensor with high resistivity epitaxial layer

The time and efficiency of charge collection are the key factors of monolithic active pixel sensor devices for minimum ionizing particles tracking detection.In this paper,3D models of pixels with different resistivity epitaxial layers(epi-layers) are built and simulated using Synopsys-Sentaurus.The basic characteristics of detectors are evaluated,including electric potential,electric field,and depleted region.Results indicate that the high resistivity (HR) epi-layer is a better choice.Further,simulation results show that the key collection performance is significantly improved owing to a wider and stronger electric field in the N type HR epi-layer.

基于亚像素定位的图像边缘检测策略研究

针对图像处理与计算机视觉技术中低对比度、边缘模糊图像的边缘检测问题,参考局部极值与梯度方向两种因素,并结合图像边缘方向趋势,提出了一种单像素边缘跟踪策略。相较于应用广泛的Canny算法,该跟踪策略无需设置全局阈值,实现方式更为简洁、高效;提取的图像边缘连续、平滑、完整,并有效地减少了图像边缘的冗余像素,进而提升了图像后续处理的效率;边缘跟踪方向抗干扰性强,具有较强的鲁棒性。为了减小检测的图像边缘与真实图像边缘之间的偏差、提高图像边缘检测的精度,参考边缘像素点的相邻区域灰度,以边缘像素点的梯度分布为依据对该像素点进行亚像素定位。经实验验证,经过亚像素优化的图像边缘检测策略可用于检测边缘模糊、对比度低的图像,检测的图像边缘完整、连续且平滑。该策略有效地消除了程序运算中引入的截断误差,提升了图像边缘检测精度,且适用于亮度5~100000 lx的高动态成像场景中。

一种高灵敏度大动态范围的红外焦平面异形读出电路的设计

针对短波红外焦平面探测器高灵敏度、大动态范围的发展需求,设计了一款新型的红外焦平面异形读出电路。传统的像元只使用一种输入级,难以兼顾高灵敏度和大动态范围,而在该设计中包含的组合像元使用了CTIA和大动态范围两种输入级,兼顾了其优点。具体布局为每2×2个CTIA输入级模块阵列中间,含有1个直接注入模式/对数模式可切换的大动态范围输入级模块。工作模式有两种,第一种为CTIA输入级模块和直接注入模式的大动态范围输入级模块同时工作;第二种为CTIA输入级模块和对数模式的大动态范围输入级模块同时工作。基于0.18μm 3.3V标准CMOS工艺,绘制了CTIA输入级阵列规模为320×256,像元中心距为15μm的异形电路像元阵列版图。仿真结果表明,异形电路像元通过小积分电容实现了高灵敏度,通过对数光响应输出实现了大动态范围。

DLP大灯设计与应用研究

车灯是汽车核心零部件,集驾驶安全、场景应用、信息交互功能于一身,正朝智能化和功能化方向发展。数字投影技术的应用为汽车大灯带来革命级别的技术创新,诞生更加智能和更多功能的数字投影大灯。由于数字投影大灯具有亮度高、分辨率高、应用场景多及安全性强等诸多优势,正成为汽车大灯的未来趋势。基于很高的基础研究价值和应用前景,该文系统地研究基于数字微镜的数字投影大灯的设计原理以及应用场景。

一种高帧频大动态范围像素级数字化读出电路设计

与短波和中波器件相比,长波红外探测器具有较大的光电流和暗电流,故需要强大的电荷存储能力。而使用传统的模拟像元读出电路技术会严重受限于电荷存储能力,使得长波探测器的动态范围和信噪比难以提升,从而制约着长波红外成像系统的发展和应用。提出一种像素级数字读出电路技术,通过数字积分克服了传统模拟积分方案电荷存储能力受限的缺陷,实现了探测器的数字信号输出,能够极大提高探测器的动态范围、抗干扰能力和帧频。该技术是提升长波探测器性能的有效途径。基于该技术设计了一款像元间距为30 m的320×256数字读出电路,其输出以低压差分信号(Low Voltage Differential Signal,LVDS)方式传输。仿真结果显示,该电路的最高帧频可达1000 Hz,动态范围大于95 dB。

时分复用双光子成像系统高速数据处理研究

为满足高频脉冲时分复用的双独立扫描探测双光子显微成像系统中信号解多路复用、行场同步、像素值重建的需求,对高速数据的采集处理进行了研究;基于LabVIEW FPGA,结合有限状态机、FIFO缓存和并行流水线等技术,设计了一种多功能采集处理系统,通过精确的时序控制,成功实现了高速数据的无损解复用和后续成像数据处理,并能够对共振振镜非线性运动导致的图像畸变进行校正;经过调试仿真和实验测试表明,在系统单通道采样率800 MSPS、200 MHz FPGA处理时钟下,能够对160 MHz时间交错激光脉冲产生的来自不同位置的相应荧光信号进行复杂处理;经实际应用表明,系统满足实时成像的需求,为相关领域的研究者提供了有益的参考。

基于图像融合的高压隔离开关分合闸状态识别

为了解决现有隔离开关分合闸状态识别率较低的问题,提出了一种基于NSST-PCNN-IFVSS的图像融合方法。在对红外和可见光图像的预处理阶段进行图像配准,再采用像素级融合来实现两图像的融合。在融合阶段采用非下采样剪切波变换将红外和可见光图像分解为高频子带图和低频子带图,在高频子带图部分采用脉冲耦合神经网络进行融合,在低频子带图部分采用基于视觉显著特性分割的图像融合方法进行融合,通过非下采样剪切波变换的逆变换将两个子带图像结合起来得到融合后的图。建立融合质量指标评价方案来对比本方案与常见的图像融合方案的效果。对融合后的图像进行像素积分投影算法进行处理,进而实现对高压隔离开关分合闸状态进行识别。通过实验仿真验证了NSST-PCNN-IFVSS(Non Subsampled Shearlet Transform-Pulse Coupled Neural Network-Image Fusion based on Visual Salience Segmentation)的图像融合效果优于常见的6种融合方法,且图像融合后的识别结果优于单一的可见光图像和红外图像。

基于优先像素与卡尔曼滤波追踪的车道线检测

针对车道线检测不能满足实时性与鲁棒性要求的问题,提出了一种新的车道线检测方法。基于R,G和B三原色在灰度图像中所占比例的多样性、车道线与道路的亮度差,将黄色、白色像素作为优先像素处理。首先通过图像的形态学礼帽算法去除大量噪声,再经最大类间方差法(OTSU)将图像二值化,最终通过轮廓的筛选标注车道线,后续视频帧采用卡尔曼滤波追踪处理,确定新的感兴趣区域。本算法大大减少数据计算量,提高了处理效率,同时正确提取感兴趣区域,提高了算法的鲁棒性,降低车道线检测的误检率。

大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术(特邀)

长波红外探测器一直以来受到读出电路电荷存储容量的限制,导致信噪比、动态范围和灵敏度都难以提升,制约了长波红外成像系统的发展和应用。文中对比分析了模拟像元和数字像元读出电路技术,介绍了数字像元焦平面的发展现状和主要架构。采用脉冲频率调制方案设计了384×288(25μm)和256×256 (30μm)两款数字像元读出电路,其中比较器设计提高了功耗效率和强壮性,并耦合碲镉汞探测器形成长波数字焦平面探测器组件进行测试,结果与国内外相关工作进行比较分析,峰值噪声等效温差分别达到3.4 mK和1.9 mK,动态范围达到96 dB。测试结果表明,数字像元技术显著提升了长波红外焦平面的灵敏度和动态范围,是提高红外探测器性能的有效途径。

应用于高光谱成像的CMOS图像传感器

文中介绍了应用于高光谱地球观测的CMOS有源图像传感器。该器件由全局曝光模式的像素组成512×256面阵,可实现450帧/s的帧频。全局曝光模式是由在光二极管外增加1个储存电容的方式实现的。该器件采用0.5μm标准CMOS工艺,满阱电子达到140 000电子,瞬态噪声29电子,动态范围74 d B。采用该器件开发的高光谱成像仪的空间及频谱分辨率具有很高水平。

基于相邻像素的可逆大容量信息隐藏算法

将载体图像按照不同的扫描方式转换为不同的一维序列,通过计算一维序列前后两个元素的差值,再统计出该差值序列中频率出现最多的两个值,计算不同扫描方式中这两个值出现的总次数。选择总次数最大的扫描方式生成的一维序列中进行信息隐藏,在频率最大的两个数据中隐藏信息。实验结果表明,该算法隐藏容量大,载体图像的峰值信噪比高。

气动光学效应像素偏移图像校正方法研究

针对气动光学效应引起的图像像素偏移问题,提出了一种基于特征点配准的校正方法,并建立了像素偏移的数学模型。由于高速流场引起的像素偏移具有很强的随机性和非线性等特点,该方法在根据序列多帧图像的像素点偏移变化的统计规律获取原图像的像素点初始位置的基础上,采取二阶非线性函数模型来拟合畸变图像的像素偏移量,从而实现对各帧畸变图像的像素偏移校正。在微机上进行了仿真校正实验,结果表明该方法有效。

基于特征点配准的气动光学图像校正方法研究

针对气动光学效应图像校正问题,提出了一种基于特征点配准的像素偏移盲目校正方法。由于高速流场引起的像素偏移具有很强的随机性和非线性等特点,采取二阶函数非线性模型来拟合畸变图像的像素偏移量,同时根据序列多帧图像的像素点偏移变化统计规律获取原图像的像素点初始位置,从而实现对各帧畸变图像进行像素偏移校正。仿真实验结果表明了方法的有效性。

遥感器小型化技术研究

光学遥感器小型化对于空间遥感是非常重要的。介绍了适合于空间遥感器应用的亚像元成像技术。

结合空间像素模板和Adaboost算法的高分辨率遥感影像河流提取

充分有效地利用像素间的空间关系,是提高高分辨率遥感影像解译精度的关键之一。提出一种空间像素模板来获取空间邻域关系,并结合Adaboost集成学习算法来实现高分辨率影像上河流的精确提取。首先,基于过滤式特征选择方法自动生成像素模板,继而构建多维特征向量,然后利用Adaboost算法实现多特征的加权集成利用提取河流。相关试验结果表明,本文提出的方法河流提取结果面向对象特征显著,并且能够较好地将与河流具有光谱重叠的其他地物区分开。

基于DMD的高动态范围场景成像技术

为了对高动态范围场景进行实时有效的观测,设计了一种采用数字微镜器件作为空间光调制器的成像系统.通过改进数字微镜器件的驱动时序,提高数字微镜扩展成像系统动态范围能力.针对光学系统存在畸变,采用多项式拟合法获得数字微镜器件到图像传感器的精确映射关系.针对一般调光算法导致调光后图像可视性差的问题,引入色阶映射算子生成调光模板,获得符合人眼视觉特性的调光结果.实验结果表明,在10帧/s的条件下采用数字微镜器件可提高传统成像系统动态范围66dB,成像系统总的动态范围达到126dB,图像传感器控制准确度达到0.69个像素级别,调光后场景高亮目标与暗背景可同时观测到,调光后采集图像的信息熵得到提高,系统满足对高动态范围场景实时成像观测的需求.

甚高灵敏度红外探测器读出电路研究进展

在读出电路有限的像元面积内获得尽可能大的电荷存储量是实现甚高灵敏度红外探测器的关键。基于脉冲频率调制的像元级模数转换(ADC)是实现甚高灵敏度红外探测器读出电路的主要方法,阐述了像元级脉冲频率调制ADC的原理,介绍了美国麻省理工学院林肯实验室、法国CEA-LETI在像元级数字读出电路的研究进展。作为从立体空间拓展电路密度的新技术,介绍了三维读出电路的研究进展。最后介绍了昆明物理研究所甚高灵敏度红外探测器读出电路的研究进展。利用像元级ADC技术和数字域时间延迟积分(TDI)技术,昆明物理研究所研制的长波512×8数字化TDI红外探测器组件,峰值灵敏度达到1.5 mK。

提高CCD测量精度的方法研究

为了大幅提高CCD的测量精度,提出了一种全新的CCD使用方法。该方法是将像素间距为H的CCD器件的像素行沿与被测边缘垂直方向成一定角度α来进行摆放。此时,单线阵CCD的最大测量误差减小为H×cosα,N个线阵CCD等距错排并以α角度斜放,最大测量误差将减小为(Hcosα)/N,当列间距为h的面阵CCD沿被测对象轴向斜放时,最大测量误差减小为h×sinα。分别采用单CCD和双CCD,对直径为5.000,8.000和12.000mm的三个标准杆件的直径进行了测量。结果表明,双CCD斜放,可获得更高的测量精度。该方法可从理论上彻底打破CCD像素间距的限制,并使CCD的测量精度大幅度地提高,进一步拓展CCD的应用范围。

一种指针式油位计读数识别算法

针对现实生活中油舱油位由于油位计读数不准而出现油位亏空或者溢出的情况,提出了一种新的油位计读数自动识别算法。首先,在预处理阶段使用高斯型同态滤波器增强油位计图像对光照的适应性,并通过中值滤波、二值化以及图像形态学等操作突出油位计的指针区域;然后,根据油位计轴心颜色不同于黑色指针颜色这一特殊属性,遍历指针像素找出颜色发生突变的坐标点,进而准确求出油位计的轴心坐标;再根据轴心位置选定包含油位计指针的感兴趣区域,对感兴趣区域进行霍夫变换即可准确地检测出指针位置;最后,以红色为标准分割出油位计的起点和终点位置,进而运用角度法自动识别出油位计的读数。实验结果表明,该方法不但可以提高油位计自动读数的准确率,而且大大降低了识别油位计读数所需要的时间。

基于点不变特征的亚像素级图像配准技术

图像匹配是图像处理和计算机视觉领域的一个基础问题,它源自多个方面的实际问题.点特征匹配的首要任务就是提取稳定的特征,并进行描述.该特征能对旋转、尺度缩放、仿射变换、视角变化、光照变化等图像变化因素保持一定的不变性,而对物体运动、遮挡、噪声等因素也保持较好的可匹配性.提出一种基于点的尺度、旋转不变特征变换(SIFT)算法的亚像素级图像配准算法,首先在尺度空间进行特征检测,并确定关键点的位置和关键点所处的尺度,然后使用关键点邻域梯度的主方向作为该点的方向特征,以实现算子对尺度和方向的无关性.该方法具有旋转、尺度缩放、亮度变化不变性,对视角变化、仿射变换、噪声也保持一定程度的稳定.独特性好,信息量丰富,适用于在海量特征数据库中进行快速、准确的匹配.高速性,该匹配算法可以达到实时的要求.