高速多光譜圖像傳感器及其數據傳輸方法與流程
2023-11-10 19:31:17 5
本發明屬於多光譜圖像傳感器技術領域，具體涉及一種片上集成選通模塊實現圖像傳感器高速數據傳輸、高速TDI圖像和面陣圖像數據輸出的高速多光譜圖像傳感器及其數據傳輸方法。
背景技術：
多光譜圖像傳感器是一種能夠捕獲圖像特徵和光譜信息的光電探測器，由於通過非接觸方式獲得物體的輻射和反射信息，其被廣泛應用於國土資源調查、精準農業生產和對地遙感偵察等軍事民用感測技術中。多光譜圖像傳感器的基本功能模塊架構如圖1所示。為了同時能夠捕獲多個不同譜段的光信息，圖像傳感器把感應特殊譜段的像素陣列和信號讀取通道集成在一起，通過時序控制驅動電路，將捕獲的光譜信息從每個譜段對應的通道中輸出。其中每個譜段像素及讀出電路架構如圖2所示，譜段的每列像素共用一個數據讀取通道，圖像傳感器每次只能輸出一行像素信息。在針對大批量檢測或高速運動物體跟蹤時，大量數據串行輸出會對傳感器幀轉移速率提出更高的要求。
技術實現要素：
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針對上述存在的技術問題，本發明提供一種能夠實現高優先級譜段圖像的高速輸出，有效提高像素轉移速率的高速多光譜圖像傳感器及其數據傳輸方法。
本發明的高速多光譜圖像傳感器包括集成在圖像傳感器晶片上的Ⅰ譜段像素陣列及與之對應的Ⅰ讀取通道、Ⅱ譜段像素陣列及與之對應的Ⅱ讀取通道、Ⅲ譜段像素陣列及與之對應的Ⅲ讀取通道、……n譜段像素陣列及與之對應的n讀取通道；其特徵在於還包括集成在圖像傳感器晶片上的信號選通模塊；對於任一高優先級譜段像素陣列，其部分行像素通過行選開關連接到本譜段像素陣列對應的讀取通道，其餘行像素通過信號選通模塊分別連接到普通級譜段像素陣列對應的讀取通道。
所述信號選通模塊包括多個複選開關，對於任一高優先級譜段像素陣列，其部分行像素通過複選開關連接到普通級譜段像素陣列對應的讀取通道。
所述信號選通模塊包括多個複選開關和地址總線；對於任一高優先級譜段像素陣列，其部分行像素通過複選開關和地址總線連接到普通級譜段像素陣列對應的讀取通道。
本發明中多光譜圖像傳感器由於具有共享讀取通道的優勢，可以將像素從其它通道中存儲積分，從而提高多光譜圖像傳感器的掃描速率。對於n譜段圖像傳感器，由於圖像傳感器擁有n個獨立的輸出通道，每次最多可同時輸出n行像素，通過信號選通模塊的連接可以實現某譜段圖像面陣輸出，數據輸出效率可以提高n倍。
設圖像傳感器每個譜段包含m行像素，其中高優先級譜段有n1個，且n≥m×n1；對於任一高優先級譜段像素陣列，其中一行像素通過行選開關連接到該高優先級譜段像素陣列對應的讀取通道，其餘行像素通過信號選通模塊連接到普通級譜段像素陣列對應的讀取通道，且每行像素對應一個讀取通道；n1≥1。
對於任一高優先級譜段像素陣列，其一行像素數據通過行選開關及對應的讀取通道讀出，其他行像素數據通過信號選通模塊和普通級像素陣列對應的讀取通道讀出，通過各讀取通道行像素的拼接，圖像傳感器可一次性輸出全畫幅的信息。
設每個譜段包含m行像素，其中高優先級譜段有n1個，且n≤m×n1；對於任一高優先級譜段像素陣列，其中部分行像素通過行選開關連接到該高優先級譜段像素陣列對應的讀取通道，其餘行像素通過信號選通模塊連接到普通級譜段像素陣列對應的讀取通道，且多行像素對應一個讀取通道；n1≥1。
對於任一高優先級譜段像素陣列，每次可通過高優先級譜段像素陣列對應的讀取通道和普通級譜段像素陣列對應的讀取通道輸出n行像素數據，提高了像素讀出速率。
所述高速多光譜圖像傳感器為TDI圖像傳感器時；Ⅰ譜段像素陣列為高優先級像素陣列，其首行像素與Ⅰ譜段像素陣列對應的Ⅰ讀取通道連接；第二行像素與Ⅱ譜段像素陣列及與之對應的Ⅱ讀取通道連接；第三行像素與Ⅲ譜段像素陣列及與之對應的Ⅲ讀取通道連接；……第n行像素與n譜段像素陣列及與之對應的n讀取通道連接。
上述高速多光譜圖像傳感器的數據傳輸方法包括下述步驟：
(1)t1時刻，Ⅰ譜段像素陣列的首行像素a對物體進行掃描成像，並將物體的第一行第一次成像信號s1通過Ⅰ讀取通道轉移到存儲器Mem1中；
(2)t2時刻，Ⅰ譜段像素陣列的第二行像素b對物體進行掃描成像，並將物體第一行第二次成像信號s2通過Ⅱ讀取通道轉移到存儲器Mem1中與物體的第一行第一次成像信號s1累加寄存；同時首行像素a對物體進行掃描成像，並將物體第二行第一次成像信號m1通過Ⅰ讀取通道轉移到存儲器Mem2中；
(3)t3時刻，TDI圖像傳感器第三行像素c對物體進行掃描成像，並將物體第一行第三次成像信號s3通過Ⅲ讀取通道轉移到存儲器Mem1中與物體的第一行第一次成像信號s1、第一行第二次成像信號s2累加寄存；同時首行像素a對物體進行掃描成像，並將物體第三行第一次成像信號n1通過Ⅰ讀取通道轉移到存儲器Mem3中，第二行像素b對物體進行掃描成像，並將物體第二行第二次成像信號m2通過Ⅱ讀取通道轉移到存儲器Mem1中與物體的第二行第一次成像信號m1累加寄存；
(4)以此類推，依次往復完成對物體圖像全景的掃描。
對於擁有n個獨立讀取通道的多光譜圖像傳感器，某譜段進行n級TDI模式，應用本發明可以使傳感器擁有最高的圖像轉移速率。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。
圖1是現有技術的多光譜圖像傳感器基本架構示意圖。
圖2是像素讀出架構示意圖。
圖3是本發明的高速多光譜圖像傳感器的模塊架構示意圖。
圖4是本發明的高速多光譜圖像傳感器的一種像素讀出電路的示意圖。
圖5是本發明的高速多光譜圖像傳感器的另一種像素讀出電路的示意圖。
圖6是利用本發明實現面陣輸出的工作原理示意圖。
圖7是TDI圖像傳感器的工作原理圖。
圖8是本發明應用於TDI圖像傳感器的通道共享示意圖。
具體實施方式
多光譜圖像傳感器含有感應多個譜段的像素陣列，具體任務實施中，一般感興趣的光譜信息集中在某些譜段，如在人民幣假幣和壞幣檢測過程中，紅、綠和紫色具有更高優先級，因此可以捨棄信息價值量低的譜段，通過佔用其讀取通道來實現優先級更高譜段圖像的高速輸出。
以包含3個譜段，每個譜段像素陣列有3行像素的多光譜圖像傳感器為例進行具體說明，如圖3所示，本發明的高速多光譜圖像傳感器包括集成在圖像傳感器晶片上的Ⅰ譜段像素陣列及與之對應的Ⅰ讀取通道、Ⅱ譜段像素陣列及與之對應的Ⅱ讀取通道、Ⅲ譜段像素陣列及與之對應的Ⅲ讀取通道和信號選通模塊。
如圖4所示，信號選通模塊由複選開關S1、S2、S3組成。對於Ⅰ譜段像素陣列，其第一行像素通過行選開關與對應的Ⅰ讀取通道連接，第二行像素通過複選開關S3連接到Ⅲ讀取通道，第三行像素通過複選開關S2連接到Ⅱ讀取通道；對於Ⅱ譜段像素陣列，其第一行像素通過行選開關與對應的Ⅱ讀取通道連接，第二行像素通過複選開關S1連接到Ⅰ讀取通道，第三行像素通過複選開關S3連接到Ⅲ讀取通道；對於Ⅲ譜段像素陣列，其第一行像素通過行選開關與對應的Ⅲ讀取通道連接，第二行像素通過複選開關S1連接到Ⅰ讀取通道，第三行像素通過複選開關S2連接到Ⅱ讀取通道。當感興趣的譜段在Ⅰ譜段內時，Ⅰ譜段像素信息具有高優先級，可以捨棄Ⅱ譜段像素信息和Ⅲ譜段像素信息，通過佔用Ⅱ讀取通道和Ⅲ讀取通道來實現Ⅰ譜段像素信息的高速輸出。當感興趣的譜段在Ⅱ、Ⅲ譜段內時，與Ⅰ譜段同理。
如圖5所示，信號選通模塊還可以由多個複選開關和地址總線組成。對於Ⅰ譜段像素陣列，其第一行像素通過複選開關和地址總線與Ⅲ讀取通道連接，第二行像素通過複選開關和地址總線連接到Ⅱ讀取通道，第三行像通過行選開關與對應的Ⅰ讀取通道連接；對於Ⅱ譜段像素陣列，其第一行像素通過複選開關和地址總線與Ⅰ讀取通道連接，第二行像素通過複選開關和地址總線連接到Ⅲ讀取通道，第三行像素通過行選開關連接到Ⅱ讀取通道；對於Ⅲ譜段像素陣列，其第一行像素通過複選開關和地址總線連接到Ⅰ讀取通道，第二行像素通過複選開關和地址總線連接到Ⅱ讀取通道，第三行像素通過行選開關與對應的Ⅲ讀取通道連接(圖中未示出行選開關)。
對於n譜段圖像傳感器，每個譜段有m行像素，設其中一個譜段為高優先級譜段，通過信號選通模塊的連接可以實現該譜段圖像面陣輸出。由於圖像傳感器擁有n個獨立的輸出通道，每次最多可同時輸出n行像素，其原理如圖6所示。
當mn時，先在高優先級譜段像素陣列的m行像素中選取n行像素，其次通過地址總線和複選開關，將該譜段的n行像素分別連接到n個讀取通道。將剩餘的n-m行像素按同樣規律連接到n個讀取通道，這種連接方式每次可以輸出n行像素，也可以提高後序像素的讀出速率。
本發明使高優先級譜段像素陣列行掃描輸出提升到面掃描輸出，而不增加像素的等待時間。對於n通道的多光譜圖像傳感器，數據輸出效率可以提高n倍。
TDI圖像掃描是通過圖像傳感器曝光頻率與物體位移速率很好的匹配實現的。由於受CMOS標準工藝柵製作的限制，CMOS圖像傳感器無法直接實現電荷耦合累加。為了提高器件感光靈敏度，CMOS圖像傳感器先將像素信號轉換為數位訊號，在後續數位訊號存儲過程中對不同時間曝光下的信號累加，從而實現數字時間延遲積分。3級數字TDI圖像傳感器成像原理如圖7所示：
(1)物體處於向下運動狀態，t1時刻，物體的三角被列像素的首行像素a掃描，並將信號s1轉移到存儲器Mem1中寄存。
(2)t2時刻，物體繼續向下移動，三角被列像素下一行像素b掃描,並將信號s2轉移到存儲器Mem1中，並和上次信號s1累加寄存。
(3)t3時刻，物體繼續向下移動，三角被行像素c掃描，信號s3累加到存儲器Mem1，經過三次累加積分，信號增加了三倍但噪聲只增加了倍。
由於像素信號在Mem1中要累加三次才輸出,因此在積分時間內，在行像素C1完成曝光和電荷存儲前，其它像素均處於等待狀態。針對上述問題，本發明中多光譜圖像傳感器由於具有共享讀取通道的優勢，可以將像素從其它通道中存儲積分，從而提高多光譜圖像傳感器的掃描速率。
所述高速多光譜TDI圖像傳感器，設其Ⅰ譜段像素陣列為高優先級像素陣列(也可以設其他普段像素陣列為高優先級像素陣列)，其首行像素與Ⅰ譜段像素陣列對應的Ⅰ讀取通道連接；第二行像素與Ⅱ譜段像素陣列及與之對應的Ⅱ讀取通道連接；第三行像素與Ⅲ譜段像素陣列及與之對應的Ⅲ讀取通道連接。其數據讀出方法如圖8所示：
(1)t1時刻，物體三角被Ⅰ譜段像素陣列的首行像素a掃描成像，物體的三角第一次成像信號s1通過Ⅰ讀取通道轉移到存儲器Mem1中。
(2)t2時刻，物體繼續向下移動，三角被Ⅰ譜段像素陣列的第二行像素b掃描成像,三角的第二次成像信號s2通過Ⅱ讀取通道轉移到存儲器Mem1中和第一次成像信號s1累加寄存。同時首行像素a對物體第二行的圓圈曝光，並將圓圈第一次成像信號m1通過Ⅰ讀取通道存儲到Mem2中。
(3)t3時刻，物體繼續向下移動，第三行像素c掃描物體首行的三角，三角第三次成像信號s3繼續通過Ⅲ讀取通道轉移到存儲器Mem1中與三角第二次成像信號s2、第三次成像信號s3累加；第二行像素b對物體第二行圓圈曝光，圓圈的第二次成像信號m2通過Ⅱ讀取通道繼續轉移到存儲器Mem2與圓圈第一次成像信號m1；首行像素a對物體第三行五角星曝光，五角星第一次成像信號n1通過Ⅰ讀取通道轉移到存儲器Mem3；以此類推，依次往復完成對圖像全景的掃描。
本例信號輸出速率將提升三倍。對於擁有n個獨立讀取通道多光譜圖像傳感器，某譜段進行n級TDI模式，應用本發明可以使傳感器擁有最高的圖像轉移速率。
本發明不限於上述方式，高優先級譜段像素陣列還可以是多個譜段像素陣列，例如圖像傳感器有100個譜段，其中可以有1-5個譜段像素陣列為高優先級譜段像素陣列。