[發明專利]基于全局快門模式的高空間和光譜分辨率的光譜成像系統

有效

• 申請號: 201710856199.1
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107677369B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 余達;劉金國;周懷得;孔德柱;王欣洋;杜仲;付軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 王丹陽

1.基于全局快門模式的高空間和光譜分辨率的光譜成像系統，包括光學系統、基于HDR工作方式的面陣CMOS圖像傳感器、成像控制器和外部存儲器；

所述光學系統接收外部光譜信息并在基于HDR工作方式的面陣CMOS圖像傳感器上成像；所述成像控制器控制基于HDR工作方式的面陣CMOS圖像傳感器輸出高增益通道光譜圖像和低增益通道光譜圖像并分別將所述高增益通道光譜圖像和低增益通道光譜圖像送入外部存儲器進行片外CDS和HDR處理后，輸出光譜圖像，其特征是；

成像信噪比計算表達式為：

K為波爾茨曼常數，T為絕對溫度，B為帶寬，R_a為放大器的輸出電阻值；V_S表示由光生電荷經電荷電壓轉換后的等效輸出電壓，k_PGA為從讀出放大器到模數轉換器量化前的模擬增益；V_S為由光生電荷經電荷電壓轉換后的等效輸出電壓，σ_s表示入射光子散粒噪聲，σ_d表示暗噪聲，σ_qua表示量化噪聲，CVF為電荷轉換因子；

對于高增益通道，所述光譜成像系統的電荷轉換因子CVF_high和模數量化位數及從讀出放大器到模數轉換器量化前的模擬增益的設置原則為：

式中為輸入的最低光譜信號能量,k_{PGA_high}為高的可編程放大器增益；

對于低增益通道，要求模數轉換器的輸入的最大信號能接近模數轉化器的最大量程，即：

k_PGA×V_OUT≤V_ad

式中，V_OUT為讀出放大器輸出的電壓，設定小于等于CMOS的等效的滿阱電子容量，且大于模數轉換器的量程范圍V_ad，Q_M為進入讀出放大器的電荷電量，C_S為節點電容，G_read為讀出放大器的增益。

2.根據權利要求1所述的基于全局快門模式的高空間和光譜分辨率的光譜成像系統，其特征在于，具有HDR工作方式的面陣CMOS圖像傳感器的最小幀頻為：

式中，b為面陣CMOS圖像傳感器的像元尺寸；G為萬有引力常數，M為地球質量，R為平均地球半徑，H為飛行器平均離地高度，f為光譜成像系統的焦距。

3.根據權利要求1所述的基于全局快門模式的高空間和光譜分辨率的光譜成像系統，其特征在于，根據面陣CMOS圖像傳感器的工作特性，對所述面陣CMOS圖像傳感器進行數字回流干擾的抑制，具體包括回流耦合路徑的控制和回流阻抗的控制；

所述回流耦合路徑的控制方式為：

根據平板電容的公式耦合電容，c＝εs/d；

c為不同網絡間的耦合電容，ε為電路板的介電常數，d為不同網絡之間的距離；信號的回流與耦合電容的關系為：i＝cdu/dt；du/dt為電壓的變化率；

將面陣CMOS圖像傳感器的模擬地和鎖相環地設置在線路板上與探測器相同的頂層，頂層同時放置與模擬地和鎖相環地進行等電位連通的數字地；頂層的相鄰層全為數字地，信號和數字地放置在線路板的其余層；頂層的模擬地和鎖相環地與數字地的間距大于3mm，頂層與相鄰數字地層的間距h1大于線路板厚度h的1/5；頂層模擬地的寬度為：w_模擬＝i_模擬；

頂層鎖相環地的寬度為：w_pll＝i_pll；

式中i_模擬為模擬地電路的總峰值電流，i_pll為鎖相環地的峰值電流；

所述回流阻抗的控制方式為：

外部DC/DC供電電源輸出的電壓經EMI濾波器濾波后，經各低壓差電壓轉換芯片進行電壓轉換后，分別為數字供電、鎖相環供電和模擬供電部分提供電源；

所述數字供電去耦電容直接連接在數字地上，模擬供電的去耦電容直接連接在模擬地上，鎖相供電的去耦電容直接連接在鎖相環地上；

數字地和經EMI濾波器濾波后的電源回線通過多點接地直接相連，鎖相環地和模擬地通過窄導線或0歐電阻與電源回線連接；

在模擬地和電源地、鎖相環地和電源地之間相連的窄導線最小寬度w_w公式為：

式中，ε_r為電介質的介電常數，h_w為頂層的模擬地層和鎖相環地層與相鄰數字地層的距離，h_d為數字地層的相鄰兩個導電層的間距，w_w為頂層的模擬地層和鎖相環地層的窄導線最小寬度，w_d為數字地層的最小寬度，t_w為頂層的模擬地層和鎖相環地層厚度，t_d為數字地層的厚度。