[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

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，涉及一種基于全局HDR模式的光譜成像系統，解決現有光譜成像系統在高空間和光譜分辨率應用存在光譜能量過低信噪比偏低的問題，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；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；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。本發明滿足高空間和光譜分辨率的高幀頻需求；在相同的幀頻下，CMOS圖像傳感器的功耗更低，體積和重量更小。

技術領域

本發明涉及一種基于全局HDR(高動態范圍)模式的光譜成像系統，具體涉及工作在全局快門工作方式下采用基于高低通道增益圖像合成實現HDR的高靈敏度的CMOS圖像傳感器光譜成像系統。

背景技術

由于成像光譜儀將景物像元的信息分成幾十乃至上百個光譜通道，從而使得焦平面陣列探測器每個像元所接受到的能量大為降低，直接導致信噪比嚴重下降，在高空間分辨率(優于30m)的條件下成像光譜儀信噪比往往無法滿足實際應用需求。成像光譜儀對地面目標推掃成像時，由于飛行器飛行速度很高，探測器上每個像元接收地面目標輻射的時間(積分時間)很短，當地面目標較暗時，探測器的信噪比將很低。例如，在軌道高度H＝400km時，飛行速度V＝6.878km/s，地面像元分辨力δ＝10m時，探測器每個像元積分時間只有1.45ms，探測器幀頻將高達687.8fps。根據信噪比方程，要獲得更高的信噪比，在系統的光學參數和探測器都確定的情況下，只有通過增加積分時間來實現。在成像光譜儀望遠鏡前端設置掃描鏡進行運動補償是增加積分時間的有效方法之一，美國的高分辨率成像光譜儀(HIRIS),沿海海洋成像光譜儀(COIS)等成像光譜儀均采用了該方法增加積分時間以提高信噪比。

光譜成像系統的應用效果非常依賴獲取的圖像信噪比。但在低照度條件下，特別是高空間分辨率下超光譜成像領域，受入射光能量、積分時間、光譜分辨率以及分光元件透過率的影響，儀器的信噪比受到較大的制約。由于光譜成像包含了空間和光譜兩維信息，不能使用TDI模式解決光能量弱問題。

CMOS圖像傳感器和CCD相比，不需要多種工作電壓的驅動電路，也不需要外部的視頻處理器進行模數轉換等操作，具有體積小、重量輕、功耗低的優點。但由于CMOS圖像傳感器的工作電壓低，和CCD相比，像素內能存儲的電荷量偏少。當把CMOS內的讀出電路的電荷電壓轉換比設置得較小，則可在較寬的入射光能量范圍工作，但讀出噪聲偏高；當把CMOS內的讀出電路的電荷電壓轉換比設置得較大，則讀出噪聲可降低，但僅能在較窄的入射光能量范圍工作。因此可以把高、低電荷電壓轉換比的圖像進行組合，同時獲得高空間和光譜分辨率的光譜圖像最佳的信噪比和動態范圍。

發明內容

本發明為解決現有光譜成像系統在高空間和光譜分辨率應用存在光譜能量過低信噪比偏低的問題，提供一種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。

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：