[发明专利]基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统

说明书

基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，涉及一种基于全局HDR模式的光谱成像系统，解决现有光谱成像系统在高空间和光谱分辨率应用存在光谱能量过低信噪比偏低的问题，包括光学系统、基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；光学系统接收外部光谱信息并在基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器上成像；成像控制器控制基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器输出高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像并分别将所述高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像送入外部存储器进行片外CDS和HDR处理后，输出光谱图像。本发明满足高空间和光谱分辨率的高帧频需求；在相同的帧频下，CMOS图像传感器的功耗更低，体积和重量更小。

技术领域

本发明涉及一种基于全局HDR(高动态范围)模式的光谱成像系统，具体涉及工作在全局快门工作方式下采用基于高低通道增益图像合成实现HDR的高灵敏度的CMOS图像传感器光谱成像系统。

背景技术

由于成像光谱仪将景物像元的信息分成几十乃至上百个光谱通道，从而使得焦平面阵列探测器每个像元所接受到的能量大为降低，直接导致信噪比严重下降，在高空间分辨率(优于30m)的条件下成像光谱仪信噪比往往无法满足实际应用需求。成像光谱仪对地面目标推扫成像时，由于飞行器飞行速度很高，探测器上每个像元接收地面目标辐射的时间(积分时间)很短，当地面目标较暗时，探测器的信噪比将很低。例如，在轨道高度H＝400km时，飞行速度V＝6.878km/s，地面像元分辨力δ＝10m时，探测器每个像元积分时间只有1.45ms，探测器帧频将高达687.8fps。根据信噪比方程，要获得更高的信噪比，在系统的光学参数和探测器都确定的情况下，只有通过增加积分时间来实现。在成像光谱仪望远镜前端设置扫描镜进行运动补偿是增加积分时间的有效方法之一，美国的高分辨率成像光谱仪(HIRIS),沿海海洋成像光谱仪(COIS)等成像光谱仪均采用了该方法增加积分时间以提高信噪比。

光谱成像系统的应用效果非常依赖获取的图像信噪比。但在低照度条件下，特别是高空间分辨率下超光谱成像领域，受入射光能量、积分时间、光谱分辨率以及分光元件透过率的影响，仪器的信噪比受到较大的制约。由于光谱成像包含了空间和光谱两维信息，不能使用TDI模式解决光能量弱问题。

CMOS图像传感器和CCD相比，不需要多种工作电压的驱动电路，也不需要外部的视频处理器进行模数转换等操作，具有体积小、重量轻、功耗低的优点。但由于CMOS图像传感器的工作电压低，和CCD相比，像素内能存储的电荷量偏少。当把CMOS内的读出电路的电荷电压转换比设置得较小，则可在较宽的入射光能量范围工作，但读出噪声偏高；当把CMOS内的读出电路的电荷电压转换比设置得较大，则读出噪声可降低，但仅能在较窄的入射光能量范围工作。因此可以把高、低电荷电压转换比的图像进行组合，同时获得高空间和光谱分辨率的光谱图像最佳的信噪比和动态范围。

发明内容

本发明为解决现有光谱成像系统在高空间和光谱分辨率应用存在光谱能量过低信噪比偏低的问题，提供一种基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统。

基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，包括光学系统、基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；

所述光学系统接收外部光谱信息并在基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器上成像；所述成像控制器控制基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器输出高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像并分别将所述高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像送入外部存储器进行片外CDS和HDR处理后，输出光谱图像，其特征是；

成像信噪比计算表达式为：