高速多光谱图像传感器及其数据传输方法与流程

本发明属于多光谱图像传感器技术领域，具体涉及一种片上集成选通模块实现图像传感器高速数据传输、高速TDI图像和面阵图像数据输出的高速多光谱图像传感器及其数据传输方法。

背景技术：

多光谱图像传感器是一种能够捕获图像特征和光谱信息的光电探测器，由于通过非接触方式获得物体的辐射和反射信息，其被广泛应用于国土资源调查、精准农业生产和对地遥感侦察等军事民用感测技术中。多光谱图像传感器的基本功能模块架构如图1所示。为了同时能够捕获多个不同谱段的光信息，图像传感器把感应特殊谱段的像素阵列和信号读取通道集成在一起，通过时序控制驱动电路，将捕获的光谱信息从每个谱段对应的通道中输出。其中每个谱段像素及读出电路架构如图2所示，谱段的每列像素共用一个数据读取通道，图像传感器每次只能输出一行像素信息。在针对大批量检测或高速运动物体跟踪时，大量数据串行输出会对传感器帧转移速率提出更高的要求。

技术实现要素：
：

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种能够实现高优先级谱段图像的高速输出，有效提高像素转移速率的高速多光谱图像传感器及其数据传输方法。

本发明的高速多光谱图像传感器包括集成在图像传感器芯片上的Ⅰ谱段像素阵列及与之对应的Ⅰ读取通道、Ⅱ谱段像素阵列及与之对应的Ⅱ读取通道、Ⅲ谱段像素阵列及与之对应的Ⅲ读取通道、……n谱段像素阵列及与之对应的n读取通道；其特征在于还包括集成在图像传感器芯片上的信号选通模块；对于任一高优先级谱段像素阵列，其部分行像素通过行选开关连接到本谱段像素阵列对应的读取通道，其余行像素通过信号选通模块分别连接到普通级谱段像素阵列对应的读取通道。

所述信号选通模块包括多个复选开关，对于任一高优先级谱段像素阵列，其部分行像素通过复选开关连接到普通级谱段像素阵列对应的读取通道。

所述信号选通模块包括多个复选开关和地址总线；对于任一高优先级谱段像素阵列，其部分行像素通过复选开关和地址总线连接到普通级谱段像素阵列对应的读取通道。

本发明中多光谱图像传感器由于具有共享读取通道的优势，可以将像素从其它通道中存储积分，从而提高多光谱图像传感器的扫描速率。对于n谱段图像传感器，由于图像传感器拥有n个独立的输出通道，每次最多可同时输出n行像素，通过信号选通模块的连接可以实现某谱段图像面阵输出，数据输出效率可以提高n倍。

设图像传感器每个谱段包含m行像素，其中高优先级谱段有n1个，且n≥m×n1；对于任一高优先级谱段像素阵列，其中一行像素通过行选开关连接到该高优先级谱段像素阵列对应的读取通道，其余行像素通过信号选通模块连接到普通级谱段像素阵列对应的读取通道，且每行像素对应一个读取通道；n1≥1。

对于任一高优先级谱段像素阵列，其一行像素数据通过行选开关及对应的读取通道读出，其他行像素数据通过信号选通模块和普通级像素阵列对应的读取通道读出，通过各读取通道行像素的拼接，图像传感器可一次性输出全画幅的信息。

设每个谱段包含m行像素，其中高优先级谱段有n1个，且n≤m×n1；对于任一高优先级谱段像素阵列，其中部分行像素通过行选开关连接到该高优先级谱段像素阵列对应的读取通道，其余行像素通过信号选通模块连接到普通级谱段像素阵列对应的读取通道，且多行像素对应一个读取通道；n1≥1。

对于任一高优先级谱段像素阵列，每次可通过高优先级谱段像素阵列对应的读取通道和普通级谱段像素阵列对应的读取通道输出n行像素数据，提高了像素读出速率。

所述高速多光谱图像传感器为TDI图像传感器时；Ⅰ谱段像素阵列为高优先级像素阵列，其首行像素与Ⅰ谱段像素阵列对应的Ⅰ读取通道连接；第二行像素与Ⅱ谱段像素阵列及与之对应的Ⅱ读取通道连接；第三行像素与Ⅲ谱段像素阵列及与之对应的Ⅲ读取通道连接；……第n行像素与n谱段像素阵列及与之对应的n读取通道连接。

上述高速多光谱图像传感器的数据传输方法包括下述步骤：

(1)t1时刻，Ⅰ谱段像素阵列的首行像素a对物体进行扫描成像，并将物体的第一行第一次成像信号s1通过Ⅰ读取通道转移到存储器Mem1中；

(2)t2时刻，Ⅰ谱段像素阵列的第二行像素b对物体进行扫描成像，并将物体第一行第二次成像信号s2通过Ⅱ读取通道转移到存储器Mem1中与物体的第一行第一次成像信号s1累加寄存；同时首行像素a对物体进行扫描成像，并将物体第二行第一次成像信号m1通过Ⅰ读取通道转移到存储器Mem2中；

(3)t3时刻，TDI图像传感器第三行像素c对物体进行扫描成像，并将物体第一行第三次成像信号s3通过Ⅲ读取通道转移到存储器Mem1中与物体的第一行第一次成像信号s1、第一行第二次成像信号s2累加寄存；同时首行像素a对物体进行扫描成像，并将物体第三行第一次成像信号n1通过Ⅰ读取通道转移到存储器Mem3中，第二行像素b对物体进行扫描成像，并将物体第二行第二次成像信号m2通过Ⅱ读取通道转移到存储器Mem1中与物体的第二行第一次成像信号m1累加寄存；

(4)以此类推，依次往复完成对物体图像全景的扫描。

对于拥有n个独立读取通道的多光谱图像传感器，某谱段进行n级TDI模式，应用本发明可以使传感器拥有最高的图像转移速率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是现有技术的多光谱图像传感器基本架构示意图。

图2是像素读出架构示意图。

图3是本发明的高速多光谱图像传感器的模块架构示意图。

图4是本发明的高速多光谱图像传感器的一种像素读出电路的示意图。

图5是本发明的高速多光谱图像传感器的另一种像素读出电路的示意图。

图6是利用本发明实现面阵输出的工作原理示意图。

图7是TDI图像传感器的工作原理图。

图8是本发明应用于TDI图像传感器的通道共享示意图。

具体实施方式

多光谱图像传感器含有感应多个谱段的像素阵列，具体任务实施中，一般感兴趣的光谱信息集中在某些谱段，如在人民币假币和坏币检测过程中，红、绿和紫色具有更高优先级，因此可以舍弃信息价值量低的谱段，通过占用其读取通道来实现优先级更高谱段图像的高速输出。

以包含3个谱段，每个谱段像素阵列有3行像素的多光谱图像传感器为例进行具体说明，如图3所示，本发明的高速多光谱图像传感器包括集成在图像传感器芯片上的Ⅰ谱段像素阵列及与之对应的Ⅰ读取通道、Ⅱ谱段像素阵列及与之对应的Ⅱ读取通道、Ⅲ谱段像素阵列及与之对应的Ⅲ读取通道和信号选通模块。

如图4所示，信号选通模块由复选开关S1、S2、S3组成。对于Ⅰ谱段像素阵列，其第一行像素通过行选开关与对应的Ⅰ读取通道连接，第二行像素通过复选开关S3连接到Ⅲ读取通道，第三行像素通过复选开关S2连接到Ⅱ读取通道；对于Ⅱ谱段像素阵列，其第一行像素通过行选开关与对应的Ⅱ读取通道连接，第二行像素通过复选开关S1连接到Ⅰ读取通道，第三行像素通过复选开关S3连接到Ⅲ读取通道；对于Ⅲ谱段像素阵列，其第一行像素通过行选开关与对应的Ⅲ读取通道连接，第二行像素通过复选开关S1连接到Ⅰ读取通道，第三行像素通过复选开关S2连接到Ⅱ读取通道。当感兴趣的谱段在Ⅰ谱段内时，Ⅰ谱段像素信息具有高优先级，可以舍弃Ⅱ谱段像素信息和Ⅲ谱段像素信息，通过占用Ⅱ读取通道和Ⅲ读取通道来实现Ⅰ谱段像素信息的高速输出。当感兴趣的谱段在Ⅱ、Ⅲ谱段内时，与Ⅰ谱段同理。

如图5所示，信号选通模块还可以由多个复选开关和地址总线组成。对于Ⅰ谱段像素阵列，其第一行像素通过复选开关和地址总线与Ⅲ读取通道连接，第二行像素通过复选开关和地址总线连接到Ⅱ读取通道，第三行像通过行选开关与对应的Ⅰ读取通道连接；对于Ⅱ谱段像素阵列，其第一行像素通过复选开关和地址总线与Ⅰ读取通道连接，第二行像素通过复选开关和地址总线连接到Ⅲ读取通道，第三行像素通过行选开关连接到Ⅱ读取通道；对于Ⅲ谱段像素阵列，其第一行像素通过复选开关和地址总线连接到Ⅰ读取通道，第二行像素通过复选开关和地址总线连接到Ⅱ读取通道，第三行像素通过行选开关与对应的Ⅲ读取通道连接(图中未示出行选开关)。

对于n谱段图像传感器，每个谱段有m行像素，设其中一个谱段为高优先级谱段，通过信号选通模块的连接可以实现该谱段图像面阵输出。由于图像传感器拥有n个独立的输出通道，每次最多可同时输出n行像素，其原理如图6所示。

当m<n时，高优先谱段的像素数据可一次性全部输出。先在n个读取通道中选取m个独立读取通道；其次通过地址总线和复选开关，将各谱段像素阵列的m行像素分别与m个读取通道连接。通过各读取通道行像素的拼接，图像传感器可一次性输出全画幅的信息。

当m>n时，先在高优先级谱段像素阵列的m行像素中选取n行像素，其次通过地址总线和复选开关，将该谱段的n行像素分别连接到n个读取通道。将剩余的n-m行像素按同样规律连接到n个读取通道，这种连接方式每次可以输出n行像素，也可以提高后序像素的读出速率。

本发明使高优先级谱段像素阵列行扫描输出提升到面扫描输出，而不增加像素的等待时间。对于n通道的多光谱图像传感器，数据输出效率可以提高n倍。

TDI图像扫描是通过图像传感器曝光频率与物体位移速率很好的匹配实现的。由于受CMOS标准工艺栅制作的限制，CMOS图像传感器无法直接实现电荷耦合累加。为了提高器件感光灵敏度，CMOS图像传感器先将像素信号转换为数字信号，在后续数字信号存储过程中对不同时间曝光下的信号累加，从而实现数字时间延迟积分。3级数字TDI图像传感器成像原理如图7所示：

(1)物体处于向下运动状态，t1时刻，物体的三角被列像素的首行像素a扫描，并将信号s1转移到存储器Mem1中寄存。

(2)t2时刻，物体继续向下移动，三角被列像素下一行像素b扫描,并将信号s2转移到存储器Mem1中，并和上次信号s1累加寄存。

(3)t3时刻，物体继续向下移动，三角被行像素c扫描，信号s3累加到存储器Mem1，经过三次累加积分，信号增加了三倍但噪声只增加了倍。

由于像素信号在Mem1中要累加三次才输出,因此在积分时间内，在行像素C1完成曝光和电荷存储前，其它像素均处于等待状态。针对上述问题，本发明中多光谱图像传感器由于具有共享读取通道的优势，可以将像素从其它通道中存储积分，从而提高多光谱图像传感器的扫描速率。

所述高速多光谱TDI图像传感器，设其Ⅰ谱段像素阵列为高优先级像素阵列(也可以设其他普段像素阵列为高优先级像素阵列)，其首行像素与Ⅰ谱段像素阵列对应的Ⅰ读取通道连接；第二行像素与Ⅱ谱段像素阵列及与之对应的Ⅱ读取通道连接；第三行像素与Ⅲ谱段像素阵列及与之对应的Ⅲ读取通道连接。其数据读出方法如图8所示：

(1)t1时刻，物体三角被Ⅰ谱段像素阵列的首行像素a扫描成像，物体的三角第一次成像信号s1通过Ⅰ读取通道转移到存储器Mem1中。

(2)t2时刻，物体继续向下移动，三角被Ⅰ谱段像素阵列的第二行像素b扫描成像,三角的第二次成像信号s2通过Ⅱ读取通道转移到存储器Mem1中和第一次成像信号s1累加寄存。同时首行像素a对物体第二行的圆圈曝光，并将圆圈第一次成像信号m1通过Ⅰ读取通道存储到Mem2中。

(3)t3时刻，物体继续向下移动，第三行像素c扫描物体首行的三角，三角第三次成像信号s3继续通过Ⅲ读取通道转移到存储器Mem1中与三角第二次成像信号s2、第三次成像信号s3累加；第二行像素b对物体第二行圆圈曝光，圆圈的第二次成像信号m2通过Ⅱ读取通道继续转移到存储器Mem2与圆圈第一次成像信号m1；首行像素a对物体第三行五角星曝光，五角星第一次成像信号n1通过Ⅰ读取通道转移到存储器Mem3；以此类推，依次往复完成对图像全景的扫描。

本例信号输出速率将提升三倍。对于拥有n个独立读取通道多光谱图像传感器，某谱段进行n级TDI模式，应用本发明可以使传感器拥有最高的图像转移速率。

本发明不限于上述方式，高优先级谱段像素阵列还可以是多个谱段像素阵列，例如图像传感器有100个谱段，其中可以有1-5个谱段像素阵列为高优先级谱段像素阵列。