一种基于新颖的CMOS有源像素图像传感器的微型星敏感器成像系统的实现方法

下一代星敏感器将向着小型化、低成本、低功耗的方向发展,以往的基于CCD图像传感器的成像系统由于受自身因素的制约,难以满足其发展需求.文中介绍了一种基于新颖的CMOS有源像素图像传感器的USB数字成像系统的设计实现,通过对实现的系统模型进行测试和分析,得出结论即基于CMOS有源图像传感器的成像系统完全有能力作为下一代星敏感器的光电探测器件,从而为微型星敏感器成像系统的实现提供了一种切实可行的方案.     

基于FPGA的星载成像系统设计

针对卫星上相机成像噪音高、灵敏度低以及国外垄断的问题,提出一种基于FPGA和国产CMOS图像传感器的空间相机成像系统设计,应用于小卫星的空间成像。系统采用高分辨率的国产CMOS图像传感器作为成像元件,使用Spartan-6系列的FPGA作为主控芯片,CMOS输出图像信号进入FPGA进行缓存和排序,再通过Camera Link接口发送到上位机。实验结果表明,系统能采集到2 048×1 024像素大小的图片,图像信噪比高于36 d B,优于CMOS传感器技术手册提供的参考值31 d B,成像效果良好,能满足小卫星的空间成像要求。     

天基合成孔径激光雷达非合作目标成像系统设计与实验

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。相比机载、陆基等应用环境,空间没有大气湍流和机械振动,非常适合合成孔径激光雷达应用,而合成孔径激光雷达本身分辨率不随距离变化的优点,也利于空间大尺度距离探测。建立了对非合作目标进行高分辨率成像监测天基合成孔径激光雷达成像模型,对系统中关键参数进行分析,针对地球静止轨道上的目标进行了系统设计,提出系统实现工程化需要进一步突破的关键技术。结合理论分析,设计了缩比模型验证实验,利用转台模拟空间卫星间运动,得到了方位向分辨率1 mm的目标图像,证明了系统分析的合理性和该系统的实用性,对天基合成孔径激光雷达技术的推广具有一定意义。     

天基红外动目标检测系统的仿真和评估

为了更有效评估红外探测系统的性能,评估系统的成像质量,根据动目标序列图像的检测原理,结合建模仿真技术,设计并开发了基于Matlab平台的天基红外动目标检测仿真系统,进行了实验仿真。该仿真系统以红外探测成像系统的图像作为输入,对图像进行灰度算法和信噪比分析,反映红外探测系统的成像质量,实现单帧检测以及多帧关联检测,输出检测率、虚警率和目标运动轨迹,并能够对检测算法进行评价。通过探测波段和空间分辨率的研究对天基红外探测系统的谱段选择、空间分辨率的设计有较强的工程应用指导价值。     

大气层外弹道式目标群红外成像建模与仿真

针对天基红外传感器对大气层外弹道式目标群的成像仿真问题,建立了有效的目标群红外特性理论模型、天基红外传感器成像模型和成像仿真工作框架.首先,基于诱饵释放过程建立了目标群的弹道运动模型,并分析了阳光与阴影弹道的判断条件,结合弹道目标红外辐射特性计算模型,实现了在不同时刻、不同观测点下的目标群红外辐射特性计算;根据目标群与传感器之间的相对位置关系建立了天基红外传感器观测模型,并分析了传感器对目标群的可观测性,然后结合基于点扩散函数建立的焦平面成像模型,实现了天基红外传感器对大气层外弹道式目标群的动态成像仿真.最后根据仿真结果,分析了天基红外传感器识别弹道式目标群的难点和并提出了解决途径.     

基于DMD的高动态范围成像光学系统设计

为了解决光电成像设备对空间实际场景观测时提出的高动态范围要求,设计了一种新型的像元级光强调制的高动态范围成像系统。系统由成像物镜、折叠反射镜、二次成像转置物镜组成,采用TI公司的数字微镜阵列（DMD）作为光强调制器件,通过光瞳匹配原则使两个系统完美衔接,并利用二次成像系统实现DMD单元与图像传感器的像素一一对应,设计结果显示:在像面的Nyquist频率处,全视场的MTF0.55,弥散圆的直径小于CMOS图像传感器的像素尺寸,并且畸变等像差也校正良好。该方法不仅可以提高图像传感器的可探测动态范围,还能够实时地探测到强弱目标,满足空间目标视景成像的要求。     

用于低噪声CMOS图像传感器的流水线ADC设计及其成像验证

在对低噪声CMOS图像传感器的研究中,除需关注其噪声外,目前数字化也是它的一个重要的研究和设计方向,设计了一种可用于低噪声CMOS图像传感器的12 bit,10 Msps的流水线型ADC,并基于0.5μm标准CMOS工艺进行了流片。最后,通过在PCB测试版上用本文设计的ADC实现了模拟输出的低噪声CMOS图像传感器的模数转换,并基于自主开发的成像测试系统进行了成像验证,结果表明,成像画面清晰,该ADC可作为低噪声CMOS图像传感器的芯片级模数转换器应用。     

空间非合作目标的天基光学组合探测系统

为了实现对天基空间非合作目标探测、成像,提出了一种空间非合作目标的光学探测、成像组合系统.该系统由两套光学子系统和转台子系统组成,成像相机子系统能够对宽视场相机给出的重点目标高分辨率成像,宽视场相机可以在大范围内自主实现对中低轨上运行的距离800 km以上空间目标的探测,并能够在目标接近到150 km～30m的范围内实现对目标的连续跟踪和成像.该光学组合探测成像系统与转台配合可以实现对目标的全域普查以及区域特定目标的详查.两套子系统之间相配合能够实现大范围、远近距离目标的识别、跟踪及成像,应用于空间飞行器防撞系统中,对于保障空间飞行器的安全具有重要意义.     

天基可见光相机探测距离仿真分析

探测距离是衡量空间目标天基可见光相机探测、识别能力的一项重要指标.本文从辐射度学和光度学出发,通过对目标光度特性、天空背景特性、CCD噪声特性进行计算分析,建立了信噪比模型,信噪比模型是关于探测距离和成像像元个数的隐式.根据Johnson法则中成像像元个数与探测效果的对应关系,得出探测信噪比、探测距离与探测效果之间的关...     

空间目标可见光特性与探测距离估算

在空间目标可见光探测系统中,对探测能力的分析和评估是进行可见光相机设计的前提之一.分析了天基空间目标可见光反射特性和探测背景,并进行了探测噪声分析,又从辐射学角度导出了空间目标可见光反射体探测距离估算方程,结合实例求解了最大探测距离.当目标充满可见光相机的瞬时视场时,相机获取的目标信息与距离无关,而与本身的瞬时视场有关.最后通过采用积分球模拟反射体测试辐照度,反求系统信噪比,间接验证了可见光相机对空间目标的探测能力.     

Performance analysis of a color CMOS photogate image sensor

The performance of a color CMOS photogate image sensor is reported. It is shown that by using two levels of correlated-double sampling it is possible to effectively cancel all fixed-pattern noise due to read-out circuit mismatch. Instead the fixed-pattern noise performance of the sensor is limited by dark current nonuniformity at low signal levels, and conversion gain nonuniformity at high signal levels. It is further shown that the imaging performance of the sensor is comparable to low-end CCD sensors but inferior to that reported for high-end CCD sensors due to low quantum efficiency, high dark current, and pixel cross-talk. As such the performance of CMOS sensors is limited at the device level rather than at the architectural level. If the imaging performance issues can be addressed at the fabrication process level without increasing cost or degrading transistor performance, CMOS has the potential to seriously challenge CCD as the solid-state imaging technology of choice due to low power dissipation and compatibility with camera system integration     

天基光电成像遥感设备面临的威胁及其对抗技术

近年来的几次高技术局部战争中,天基光电成像系统发挥了巨大的作用。然而,天基光电成像遥感设备在军事中的重要性和固有的脆弱性,使其安全与防护问题日益突出。阐述了天基光电成像遥感设备存在的脆弱性和空间军事化所带来的多种恶意威胁,如不同平台的反卫星激光武器、动能拦截弹、高功率微波武器等。针对上述威胁,分析了天基光电成像遥感设备相应的各种对抗、防护技术和手段．包括天基自卫告警、多频谱假目标、多波段隐身伪装和烟幕干扰、光电传感器的加固技术、加强光电成像平台机动能力、携带综合自卫武器等．其中针对天基光电成像传感器着重讨论了最新的抗激光攻击加固技术．如液晶薄膜防护技术等。最后提出了开展相关新概念、低成本防护技术的建议。     

一种适用于昼夜兼容CMOS图像传感器的动态范围拓展方法

为了提高CMOS图像传感器的动态范围并应用于昼夜兼容成像,提出了一种新的动态范围拓展方法。该方法在像素中设置多个复位屏障,以延长曝光过程中光电二极管的饱和时间,同时通过在不同成像环境中切换像素积分电容大小,提高微光成像时的响应灵敏度和强光成像时的满阱容量,从而实现昼夜兼容高动态成像。经MATLAB仿真证明,该方法可将传统CMOS图像传感器的动态范围从61 dB拓展到102 dB。     

基于张量优化的高动态范围微光相机设计与实现

针对空间低照度环境下,互补金属氧化物半导体(CMOS)相机成像视觉效果不佳的问题,基于张量优化的图像融合方法研制一款高动态范围的微光相机。分析基于科学互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器亮暗场双通道ADC的电路特性,利用同源双通道图像数据构建三阶特征张量,通过对特征张量的平行因子分析,以融合图像动态范围最优为评价函数,引入拉格朗日乘数法作为张量分解的优化算法,实现实时的高分辨力高动态范围成像。研制一款基于LTN4625的微光相机,并进行成像实验。仿真实验结果表明,相机实现了50帧/s,4 608×2 592像素的高分辨力高动态范围成像,图像动态范围从低增益数据的5.2 dB和高增益数据的11.4 dB提高到了54.7 dB。该设计是一种微弱光环境下动态响应范围高、成像效果好的微光相机设计方法。     

面阵CMOS图像传感器性能测试及图像处理

CMOS图像传感器具有驱动简单、单电源供电、集成度高、功耗低、抗辐射能力强等优点。但是在航天光学遥感领域,CMOS图像传感器应用还不普遍。在该领域亟需大规模、高读出速度、大动态范围的图像传感器,CMOS图像传感器LUPA4000正是这样一款高性能面阵图像传感器,因此,选择LUPA4000作为研究对象,对其缺陷像元、光响应非均匀性、信噪比等性能指标进行测试。测试结果表明存在缺陷像元数量多、光响应非均匀性较大、信噪比较低等问题。根据测试结果采用暗背景扣除、缺陷像元替换、非均匀校正三种方法进行图像处理。对每种方法单独处理和各种方法组合处理的处理效果从图像信噪比和成像图像质量两方面进行分析评估,结果表明:非均匀校正联合缺陷像元替换的处理方法处理效果最佳。     

CMOS图像传感器及其应用

CMOS图像传感器是近年来市场上出现的一种新的摄像器件,文中对CMOS图像传感器与CCD图像传感器作了比较,分析了CMOS像传感器的工作原理及其优越的性能,提供了CMOS像传感器的应用实例。CMOS成像器在红外成像领域具有广阔的应用前景。     

基于FPGA的大面阵CMOS相机高速率电子学系统设计

目前深空遥感探测多采用CCD作为高分辨率相机的传感器,相较于CCD,面阵CMOS驱动更简单、功耗更低、抗辐射能力更强,是深空遥感探测目前的发展趋势。为此,本文基于CMOSIS公司生产的型号为CMV20000,图像分辨率为5 120×3 840的CMOS探测器,设计完成了一个大面阵CMOS高分辨率相机,图像分辨率为5 120×3 840。详细阐述了以FPGA为核心的电子学系统的整体结构,结合CMV20000的工作模式和时序电路,实现了高分辨图像的高速传输以及数据校正。试验结果表明,设计的相机系统方案合理,解决了CMV20000数据无法对齐的数据校正问题,系统运行稳定可靠,安装光学系统后能够获取高质量图像。     

基于CMOS图像传感器的微型偏振成像遥感器研究

针对探测平台受体积的限制,提出了用CMOS探测器构建微小型偏振成像遥感器的思路,分析了其可行性,研制了一套微型CMOS偏振成像遥感器实验系统.利用该系统进行了野外偏振成像探测实验,结果表明其图像质量与CCD偏振成像遥感器获取的图像质量相当,为微型偏振成像传感器的研制和发展作出了有益的探索.