TDI-CMOS成像系统研究及FPN校正方法设计

摘要

传统线阵图像传感器采用一维像素阵列结构，通过扫描运动获取二维图像，其成像性能受限于运动速度和光照强度。时间延迟积分(TDI)图像传感器采用二维像素阵列结构，通过扫描的方式实现不同行像素对同一景物的多次曝光，等效延长曝光时间，从而有效提高图像传感器的信噪比和灵敏度。TDI-CMOS图像传感器具有与CMOS工艺兼容、高集成度、低功耗、抗辐射等优点，逐渐成为研究热点。在TDI-CMOS图像传感器的研制过程中，对传感器的功能测试和性能分析是极其重要的一个环节。因此，关于TDI-CMOS图像传感器成像质量及其成像系统的研究具有重要意义。
　　为了消除TDI-CMOS图像传感器输出图像中的固定模式噪声(FPN)，本文首先研究了TDI-CMOS图像传感器的工作原理，然后在分析FPN来源、噪声特点及其对成像质量的影响的基础上，提出了TDI-CMOS图像传感器的噪声模型，并根据该模型设计了一种基于灰度值补偿的FPN校正方法。该方法首先在均匀光下采集大量样本图像，然后基于所有样本图像的行均值向量和列均值向量分别估计行FPN和列FPN，最后，通过像素原始灰度值加上对应的行FPN估计值校正行FPN、通过像素原始灰度值减去对应的列FPN估计值校正列FPN。
　　为了验证提出的校正方法的有效性，首先基于128级模拟域累加TDI-CMOS图像传感器设计了一套成像系统，研究了系统设计中的关键技术，具体完成了图像传感器硬件电路设计、片上可编程系统(SoPC)设计及履带机械运动装置设计。其中，SoPC是成像系统的嵌入式主控系统，基于FPGA开发板设计。然后使用设计的成像系统采集100幅样本图像，并基于MATLAB软件完成对FPN的估计，最后进行FPN校正。实验结果表明，使用提出的方法对均匀光照下拍摄的图像进行FPN校正后，其行均值标准差从5.6798LSB减小到了0.4214LSB，其列均值标准差从15.2080LSB减小到了13.4623LSB;而实际测试图像中的行FPN和列FPN也都得到了有效校正。本文设计的方法可以有效消除TDI-CMOS图像传感器输出图像中的FPN。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 图像传感器概述

1．1．2 TDI-CMOS图像传感器

1．1．3 CMOS图像传感器噪声分析

1．2 课题研究意义

1．3 论文章节安排

1．4 本章小结

第二章 TDI-CMOS图像传感器FPN校正方法设计

2．1 TDI-CMOS图像传感器噪声分析与建模

2．1．1 FPN来源和分析

2．1．2 TDI-CMOS图像传感器噪声模型

2．2 FPN校正方法设计

2．2．1 行FPN估计和校正

2．2．2 列FPN估计和校正

2．3 本章小结

第三章 TDI—CMOS成像系统总体设计

3．1 成像系统结构分析与设计

3．2 图像传感器硬件电路设计

3．2．1 TDI-CMOS图像传感器参数

3．2．2 PCB设计

3．3 FPGA管脚分配

3．4 履带机械运动装置设计

3．5 本章小结

第四章 SoPC嵌入式主控系统设计

4．1 SoPC系统结构分析与设计

4．2 处理器及其总线

4．2．1 MicroBlaze处理器

4．2．2 LMB总线

4．2．3 PLB总线

4．3 存储器控制器

4．3．1 MPMC控制器

4．3．2 VFBC接口模块

4．4 TDI控制器及其实现

4．4．1 TDI控制器结构

4．4．2 TDI过程逻辑设计

4．5 TFT显示控制器

4．6 FPGA配置及CF卡存储

4．6．1 System ACE配置方案

4．6．2 CF卡存储设计

4．7 SoPC系统软件设计与调试

4．8 本章小结

第五章 成像系统验证及FPN校正效果分析

5．1 成像系统功能验证

5．2 FPN校正效果分析

5．2．1 均匀光图像的FPN校正

5．2．2 实测图像的FPN校正

5．2．3 FPN校正速度

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢