CN109089031B - Cmos探测器不同帧频相同积分时间下输出一致的方法 - Google Patents

Cmos探测器不同帧频相同积分时间下输出一致的方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法。该方法包括根据实际工作情况的相机帧周期和一帧像元的读出时间，将CMOS探测器的积分时间分成第一类积分时间和第二类积分时间；对于积分时间属于第一类积分时间的CMOS探测器，CMOS探测器按照预设第一状态顺序进行工作；对于积分时间属于第二类积分时间的CMOS探测器，CMOS探测器按照预设第二状态顺序进行工作，所述第二状态顺序不同于所述第一状态顺序。该方法对于短积分时间的情况，一帧图像积分结束后立即读出，使得输出不会受到寄生光的影响；对于长积分时间的情况，将一帧像元的读出时间拆分成两部分，有效地保证积分时间在帧周期范围内连续可调，达到输出一致的目的。

Description

CMOS探测器不同帧频相同积分时间下输出一致的方法
技术领域
本发明涉及光电探测的技术领域，具体涉及一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间的条件下输出一致的方法。
背景技术
在大部分以CMOS探测器为基础的成像***中，为了提高成像***的入射能量以及帧频，帧周期(即帧频的倒数)定义成积分时间。如果观察的景物亮度较高，则需要减少积分时间，目前，通常采用提高帧频的手段来完成的。
对于机载成像光谱仪器，当沿轨方向的空间分辨率指标确定后，飞机的飞行速度就决定了CMOS探测器的工作帧频。飞行速度通常是一定的，不会根据地物亮度进行实时变化。所以机载成像光谱仪器就需要在一定帧频下，可以随时调整积分时间。然而，对于CMOS探测器，由于CMOS管存在漏电现象以及像元的存储区掩膜不是理想的现象，CMOS探测器的输出码值会受到寄生光的干扰。当感光像元积分结束后，如果不立刻将收集的光生电荷转换成电压并读出，就会使探测器最终输出的码值发生变化，等待的时间越久，码值增加越多。这就导致在不同的帧频下，在相同的积分时间内，成像***的输出值却不一样，这给实验室辐射定标工作增加了成倍的工作量。实验室辐射定标工作由原来只有“积分时间”一个变量，变成“积分时间”和“帧频”两个变量。此外，如果采用“积分后再读出”的工作模式，像元读出时间探测器没有积分，最大积分时间只有帧周期减去读出时间。对于帧频较高的***，可用的积分时间很少。目前，现有的CMOS探测器工作模式无法同时解决以上两个问题。
因此，针对现有的CMOS探测器在不同帧频下，相同积分时间内，输出却不一致的问题及CMOS探测器在整个帧周期内不能一直积分问题，本发明实施例提出一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间的条件下输出一致的方法。
发明内容
针对现有的CMOS探测器在不同帧频下，相同积分时间内，输出却不一致的问题及CMOS探测器在整个帧周期内不能一直积分问题，本发明实施例提出一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间的条件下输出一致的方法。该用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间的条件下输出一致的方法根据CMOS探测器实际工作的帧周期和读出时间，将积分时间分成两种情况；分别根据这两种情况给出不同的探测器工作模式，实现CMOS探测器的积分时间在帧周期范围内连续可调，且不受MOS管漏电以及寄生光影响。
本发明实施例中提供的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法的具体方案如下：一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，包括：步骤S1：根据实际工作情况的相机帧周期和一帧像元的读出时间，将CMOS探测器的积分时间分成第一类积分时间和第二类积分时间；步骤S2：对于积分时间属于第一类积分时间的CMOS探测器，CMOS探测器按照预设第一状态顺序进行工作；步骤S3：对于积分时间属于第二类积分时间的CMOS探测器，CMOS探测器按照预设第二状态顺序进行工作，所述第二状态顺序不同于所述第一状态顺序。
优选地，所述积分时间是从CMOS探测器的积分开始状态至积分结束状态之间的时间段。
优选地，所述第一类积分时间的起点为0，第一类积分时间的终点为帧周期减去一帧像元的读出时间。
优选地，所述第二类积分时间的起点为帧周期减去一帧像元的读出时间，第二类积分时间的终点为帧周期。
优选地，所述第一状态顺序为积分开始状态、积分时间填充状态、积分结束状态、像元读出状态、空闲等待状态。
优选地，在所述步骤S3中将一帧像元的读出时间分成两个部分，分别为第一部分时间和第二部分时间。
优选地，所述第一部分时间为相机帧周期减去CMOS探测器的积分时间，所述第二部分时间为一帧像元的读出时间减去第一部分时间。
优选地，所述第二状态顺序为积分开始状态、前一帧像元读出第二部分状态、积分时间填充状态、积分结束状态、像元读出第一部分状态。
优选地，所述CMOS探测器采用每行具有16个抽头输出的GSENSE2020型号的探测器。
优选地，所述CMOS探测器一帧像元的读出时间为3ms。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例中提供一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法。在该用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法中，CMOS探测器在像元积分完成后立即转换成数字信号并读出，从而避免光生电荷在存储区受到寄生光的影响，进而保证在不同帧频、相同的积分时间条件下CMOS探测器的输出码值保持一致。进一步地，在该用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法中，在积分时间属于第二类积分时间的情况下，将一帧的像元读出时间分成两部分：一部分放在下一帧的积分时间之前，另一部分放在下一帧的积分时间当中；从而能够根据帧频和积分时间来灵活地调整两部分的比例，实现积分时间在(即0～帧周期T)范围内连续可调。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法的步骤流程示意图；
图2为本发明实施例中CMOS探测器在积分时间0～(T-TRD)范围的工作模式的示意图；
图3为本发明实施例中CMOS探测器在积分时间(T-TRD)～T范围的工作模式的示意图；
图4为本发明实施例中CMOS探测器积分时间8ms的具体工作模式时间分配的示意图；
图5为本发明实施例中CMOS探测器积分时间18ms的具体工作模式时间分配的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例所提供的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法的步骤流程示意图。该方法首先根据CMOS探测器实际工作的帧周期和读出时间，将积分时间分成两种情况；分别根据这两种情况给出不同的探测器工作模式，从而实现CMOS探测器的积分时间在帧周期范围内连续可调且不受CMOS管漏电以及寄生光影响。该方法具体包括三个步骤，具体步骤内容如下所示。
步骤S1：根据实际工作情况的相机帧周期和一帧像元的读出时间，将CMOS探测器的积分时间分成第一类积分时间和第二类积分时间。在该实施例中，将相机帧周期简称为帧周期，用字母T表示。一帧像元的读出时间用字母TRD表示。第一类积分时间的起点为0，第一类积分时间的终点为帧周期减去一帧像元的读出时间。第一类积分时间的范围用字母形象化表示为0～T-TRD。第二类积分时间的起点为帧周期减去一帧像元的读出时间，第二类积分时间的终点为帧周期。第二类积分时间的范围用字母形象化表示为T-TRD～T。在该实施例中，积分时间的定义为从CMOS探测器的积分开始状态至积分结束状态之间的时间段。
步骤S2：对于积分时间属于第一类积分时间的CMOS探测器，CMOS探测器按照预设第一状态顺序进行工作。相当于，对于积分时间在范围0～T-TRD的情况，CMOS探测器按照预设第一状态顺序进行工作。如图2所示，CMOS探测器在积分时间0～(T-TRD)范围的工作模式的示意图。第一状态顺序为积分开始状态、积分时间填充状态、积分结束状态、像元读出状态、空闲等待状态。用字母化表示为“SI(N)--BLANK(N)--FOT(N)--RD(N)—IDLE(N)……”，其中，N代表第N帧图像。在该实施例中，“积分开始SI”和“积分结束FOT”两个状态时间非常短暂。
步骤S3：对于积分时间属于第二类积分时间的CMOS探测器，CMOS探测器按照预设第二状态顺序进行工作，所述第二状态顺序不同于所述第一状态顺序。相当于，对于积分时间在范围T-(TRD～T)的情况，CMOS探测器按照预设第二状态顺序进行工作。在步骤S3中，将一帧像元的读出时间分成两个部分，分别为第一部分时间和第二部分时间。第一部分时间为相机帧周期减去CMOS探测器的积分时间，所述第二部分时间为一帧像元的读出时间减去第一部分时间。如图3所示，CMOS探测器在积分时间(T-TRD)～T范围的工作模式的示意图。第二状态顺序为积分开始状态、前一帧像元读出第二部分状态、积分时间填充状态、积分结束状态、像元读出第一部分状态。用字母化表示为
“SI(N)--RD2(N-1)--BLANK(N)--FOT(N)--RD1(N)--SI(N+1)--RD2(N)--BLANK(N+1)--FOT(N+1)……”，其中，N代表第N帧图像，N-1代表第N-1帧图像，N+1代表第N+1帧图像。
在该实施例中，根据积分时间所属的不同而选择步骤S2和步骤S3其中之一步骤来实施。
本发明实施例所提供的用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法中，CMOS探测器在像元积分完成后立即转换成数字信号并读出，从而避免光生电荷在存储区受到寄生光的影响，进而保证在不同帧频、相同的积分时间条件下CMOS探测器的输出码值保持一致。
本发明实施例所提供的用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法中，在积分时间属于第二类积分时间的情况下，将一帧的像元读出时间分成两部分：一部分放在下一帧的积分时间之前，另一部分放在下一帧的积分时间当中；从而能够根据帧频和积分时间来灵活地调整两部分的比例，实现积分时间在(即0～帧周期T)范围内连续可调。
现以CMOS探测器采用每行具有16个抽头输出的GSENSE2020型号作为应用的具体实施例进行本发明用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法的应用过程实施例阐述。
长光辰芯公司的面阵CMOS探测器GSENSE2020，像元数2048×2048，一帧像元的读出时间为3ms，相机的工作帧频为50HZ。相机的帧周期T＝1/50HZ＝20ms；一帧像元的读出时间TRD＝3ms，将积分时间分成两种情况：第一类积分时间0～17ms和第二类积分时间17ms～20ms。
假设探测器积分时间为8ms，符合第一类积分时间的情况0～17ms。如图4所示，状态SI和状态FOT之间的BLANK为积分时间8ms，一帧像元的读出时间固定为3ms，用IDLE状态等待9ms，完成一个帧周期。
假设探测器积分时间为18ms，符合第二类积分时间的情况17～20ms。如图5所示，首先，状态SI(N)到状态RD1(N)为一个帧周期，积分时间为18ms(状态SI到状态FOT)，所以状态RD1的第一部分时间为20ms-18ms＝2ms；然后读出一帧像元需要3ms，RD1为2ms，故状态RD2的第二部分时间为3ms-2ms＝1ms；最后积分时间为18ms，RD2占1ms，剩下的17ms由BLANK补充。
在该实施例中，对于短积分时间(即积分时间小于等于帧周期减去读出时间)，一帧图像积分结束立即读出，寄生光不会对存储区的电荷产生影响；对于长积分时间(即积分时间大于等于帧周期减去读出时间)，将一帧的读出时间灵活的拆成两部分，第二部分填充到下一帧的积分时间中，从而无需空闲等待时间。该方法有效地保证CMOS探测器的成像过程中，既不会受到CMOS管漏电以及寄生光的影响，又能保证积分时间在帧周期范围内连续可调。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：根据实际工作情况的相机帧周期和一帧像元的读出时间，将CMOS探测器的积分时间分成第一类积分时间和第二类积分时间；
步骤S2：对于积分时间属于第一类积分时间的CMOS探测器，CMOS探测器按照预设第一状态顺序进行工作；
步骤S3：对于积分时间属于第二类积分时间的CMOS探测器，CMOS探测器按照预设第二状态顺序进行工作，所述第二状态顺序不同于所述第一状态顺序；
CMOS探测器在像元积分完成后立即转换成数字信号并读出；
在积分时间属于第二类积分时间的情况下，将一帧的像元读出时间分成两部分：一部分放在下一帧的积分时间之前，另一部分放在下一帧的积分时间当中；从而能够根据帧频和积分时间来灵活地调整两部分的比例。
2.根据权利要求1所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述积分时间是从CMOS探测器的积分开始状态至积分结束状态之间的时间段。
3.根据权利要求1所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述第一类积分时间的起点为0，第一类积分时间的终点为帧周期减去一帧像元的读出时间。
4.根据权利要求1所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述第二类积分时间的起点为帧周期减去一帧像元的读出时间，第二类积分时间的终点为帧周期。
5.根据权利要求1所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述第一状态顺序为积分开始状态、积分时间填充状态、积分结束状态、像元读出状态、空闲等待状态。
6.根据权利要求1所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，在所述步骤S3中将一帧像元的读出时间分成两个部分，分别为第一部分时间和第二部分时间。
7.根据权利要求6所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述第一部分时间为相机帧周期减去CMOS探测器的积分时间，所述第二部分时间为一帧像元的读出时间减去第一部分时间。
8.根据权利要求6所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述第二状态顺序为积分开始状态、前一帧像元读出第二部分状态、积分时间填充状态、积分结束状态、像元读出第一部分状态。
9.根据权利要求1所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述CMOS探测器采用每行具有16个抽头输出的GSENSE2020型号的探测器。
10.根据权利要求9所述的一种用于确保CMOS探测器在不同帧频相同积分时间下输出一致的方法，其特征在于，所述CMOS探测器一帧像元的读出时间为3ms。
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