一种基于面阵探测器的多通道TDI成像方法及可读存储介质与流程

一种基于面阵探测器的多通道tdi成像方法及可读存储介质
技术领域
1.本发明属于光学遥感成像技术领域，涉及一种基于面阵探测器的成像方法，尤其涉及一种能够灵活实现多通道tdi成像的方法。


背景技术：

2.成像探测器是非常重要的成像感光元件，主要包括ccd(charge
‑
coupled device)和cmos(互补金属氧化物半导体，compementary metal oxide semiconductor)两大类。ccd存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和不同的电源相配合，整个电路较为复杂而且速度较慢。而cmos传感器经光电转换后直接输出数字信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息。近些年，随着cmos电路消噪技术的不断发展，cmos的性能已经与ccd相差无几，逐渐占据遥感应用领域。
3.时间延迟积分tdi(time delay integration)是指对移动中的同一目标进行多次曝光，并将曝光结果进行累加，可以提高图像传感器的信噪比和灵敏度，适合遥感卫星在轨推扫成像。由于工艺和技术的限制，相比面阵cmos，国内适用于航天领域的高端cmos
‑
tdi产品还不多，价格也比较高。
4.多通道tdi成像指的是相机可以实现多个独立通道的延迟积分成像。各通道可以配置为全谱段或目标谱段。全谱段成像收纳了全谱段的光信息，适用于辨别地物细节。目标谱段成像包括的光谱信息量更多，适用于农业普查，如病虫害，作物长势监测，同时也应用于一些土壤、水域污染的监测。
5.目标谱段成像有两个重要的分辨率指标，空间分辨率和光谱分辨率。空间分辨率指的是一个像元对应的地面距离，距离越小，分辨率越高。光谱分辨率指传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。间隔越小，分辨率越高。目标谱段段成像，传感器接收到光信号前会有一个分光或滤光的过程，将入射的白光分解或过滤成所需的光谱段光束。由于光的入射能量是一定的，分光或滤光后能量降低了，所以需要选用更大尺寸的像元，对应的空间分辨率随之降低。为了保证一定的成像质量，光谱分辨率越高，其对应的空间分辨率就会越低。
6.tdi相机在轨运行时，由于轨道高度、星下点位置、姿态角等因素变化会引起像移速度矢量的变化，所以为了保证成像质量需要实时调整行频，相机需要具有连续调整行频的能力。积分级数是tdi成像的一个关键参数，决定着相机的曝光时间，在不同的太阳高度角和地面反射率情况下，需要调整积分级数以保证图像处于良好的动态范围。同时，积分级数越高，图像信噪比越高。
7.所以通过面阵探测器实现多通道tdi成像，需综合考虑以上条件和因素，并能控制和调整关键参数。


技术实现要素：

8.发明目的：
9.为了实现一种灵活地进行多通道tdi成像的方法，本发明提供的基于面阵探测器的多通道tdi成像方法包括：
10.面阵探测器具有roi开窗功能；成像方法包括以下步骤：
11.s1：根据各个谱段所需要的积分级数，分别设置全谱段窗口以及目标谱段窗口在面阵探测器上的起始行位置和行数；
12.s2：根据卫星工况计算面阵探测器焦平面上的行频，调整面阵探测器的成像帧频使其与行频匹配；
13.s3：根据成像帧频，通过外触发的方式控制面阵探测器曝光成像，得到全谱段窗口的全谱段图像序列以及所述目标谱段窗口的目标谱段图像序列；
14.s4：将全谱段图像序列以及目标谱段图像序列按照预设的累加策略将对应像元进行累加，得到全谱段图像以及目标谱段图像；
15.s5：将全谱段图像以及所述目标谱段图像上传到上位机。
16.本发明的另一个方面，在所骤s2中，行频根据卫星上像移速度矢量实时计算。
17.本发明的另一个方面，在步骤s2中，通过控制可调整时间，以使得成像帧频与行频匹配：
18.其中，设成像帧频为f
frame
；
19.每成像帧频的时间则为t
frame
＝1/f
frame
；
20.每成像帧频的时间组成为：
21.t
frame
＝t
fot
+t
rd
+t
adj
，
22.t
fot
为固定时间，由面阵探测器的固定时序决定，
23.t
rd
为面阵探测器的数据读出时间，
24.t
adj
为可调整时间。
25.本发明的另一个方面，在步骤s1之前，还包括：
26.根据卫星相机的在轨运行规划计算面阵探测器的最大行频，包括：将可调整时间设置为0，根据最大行频确定面阵探测器能够实现的最大积分级数，并保证各个谱段所需要的积分级数的总和不超过最大积分级数。
27.本发明的另一个方面，在面阵探测器上使用光学镀膜划分目标谱段窗口。
28.本发明的另一个方面，目标谱段窗口使用像素合并模式成像。
29.本发明的另一个方面，在步骤s5之后，
30.当所述面阵探测器再次接收到开始成像指令时，对所述面阵探测器进行寄存器参数重配置；根据设置的所述积分级数相互独立地设置每个谱段窗口的在所述面阵探测器上的起始行位置和行数。
31.本发明的另一个方面，全谱段窗口位于面阵探测器的中间，目标谱段窗口在全谱段窗口的两侧。
32.本发明的另一个方面，各个谱段的积分级数能够取不同的数值。
33.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有基于面阵探测器的多通道tdi成像方法，所述成像方法被处理器执行时实现上述任一方面的成像
方法。
34.根据本发明所提供的tdi成像方法以及可读存储介质，能够达到以下有益技术效果：
35.(1)扩展了面阵探测器的应用领域，实现了多通道的tdi推扫成像功能，鉴于多光谱tdi探测器价格较高，选型较少，可以极大的降低探测器购买成本和开发成本。
36.(2)相比传统tdi探测器只有固定4到5个通道(谱段)，扩展性更强，考虑到面阵探测器行数一般都达到4k以上量级，以每个通道最高128级积分级数为例，并保证相邻通道有足够间隔，至少可以扩展到15个通道，通过镀膜可以加入更多的谱段。
37.(3)将积分级数和帧频、像移行频建立了严格的数学关系，通过外触发方式可以精确实时的调整探测器帧频，以匹配行频。
38.(4)相比全色谱段相邻行像素累计积分，对多光谱谱段进行了特殊处理，通过像素合并处理等效的提高了多光谱谱段的像元尺寸，以增加入射光能量，提高图像质量。
附图说明
39.图1是本发明所涉及的多通道tdi成像方法的流程图；
40.图2是本发明所涉及的面阵探测器的构造图。
具体实施方式
41.下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
42.本发明使用面阵探测器进行多通道tdi成像方法，具体地，面阵探测器是cmos图像传感器，与之前遥感卫星搭载的ccd图像传感器相比，cmos传感器光电转换的原理相同，但是ccd采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。cmos芯片有多个电荷—电压转换器和行列开关控制，读出速度快。此外cmos芯片的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。
43.进一步的，上述面阵探测器需要具有roi(region of interest)开窗模式，roi开窗模式是在成像应用中，在图像传感器分辨范围内定义一个或多个感兴趣的窗口区域，仅对这些窗口内的图像信息进行读出，只获取该局部区域的图像。设定较小的roi区域可以减少传感器传送及计算机需要处理的图像信息量，并提高相机的采集帧率。由于面阵探测器一般具有较大的行数，因此在实际检测中就可以只检测期望的数据部分，从而大大提高传输和处理的效率。
44.在一个具体的实施方式中，在面阵探测器开设有多个感光窗口/通道，其中包括全谱段窗口以及一个或者多个目标谱段窗口。全谱段窗口是指在该窗口内检测cmos传感器所能够检测的最大范围的谱段的光，具体由cmos传感器自身的性质所决定，其范围可以是紫外
‑
可见
‑
红外谱段的光。另一方面，目标谱段窗口是指在该窗口内检测特定谱段的光，具体是特定波长或者特定波长范围的光，其波长或者波长范围是根据实际的业务需要所决定的，例如蓝：450
‑
510nm；绿：510
‑
580nm；红：655
‑
690nm；近红外：780
‑
920nm。进一步的，上述
面阵探测器至少开设有一个全谱段窗口以及至少一个目标谱段窗口，考虑到面阵探测器像素行数一般都达到4k以上量级，以最高128行像素为例，并保证相邻感光窗口有足够间隔，至少可以扩展到15个感光窗口/通道。具体地，目标谱段窗口是通过上述面阵探测器上的光学镀膜实现只检测特定波长或者特定波长范围的光，此外，上述面阵探测器还具有用于校正的固定行数的电子暗电平和光学暗电平。
45.在一个具体的实施方式中，面阵探测器由卫星上的搭载的相机成像单元进行控制，具体地，相机成像单元是包括soc、fpga等可运行预设程序的的控制芯片，并且通过spi协议等的通讯接口与面阵探测器进行通讯，并控制面阵探测器执行拍摄动作。同时，卫星上位机还能够接收面阵探测器所拍摄的图像数据，并将其发送回地面站点。
46.本发明提供的基于面阵探测器的多通道tdi成像方法具体包括以下步骤s1
‑
s5：
47.s1：根据各个谱段所需要的积分级数，分别设置全谱段窗口以及目标谱段窗口在面阵探测器上的起始行位置和行数。
48.根据任务需求，由每个谱段需要设定的积分级数来设定每个感光窗口的行数，成像前控制芯片通过串行接口修改面阵探测器的各感光窗口的起始行位置和行数目。每个谱段的积分级数可以不同。积分级数是tdi成像过程中转移的像素行数，图像序列的曝光时间等同于积分级数
×
每行曝光时间。
49.s2：根据卫星工况计算面阵探测器焦平面上的行频，调整面阵探测器的成像帧频使其与行频匹配。
50.具体地，根据星上像移速度矢量实时计算的面阵探测器焦平面上的行频作为面阵探测器的成像帧频。通过控制可调整时间，以使得成像帧频与行频匹配：
51.其中，设成像帧频为f
frame
；
52.每成像帧频的时间则为t
frame
＝1/f
frame
；
53.每成像帧频的时间组成为：t
frame
＝t
fot
+t
rd
+t
adj
，
54.t
fot
为固定时间，由面阵探测器的固定时序决定；
55.t
rd
为面阵探测器的数据读出时间；
56.t
adj
为可调整时间。
57.根据卫星面阵探测器焦平面上的行频，易得每帧的时间t
frame
，根据设定的积分级数计算所需要开窗成像的行数总和，计算面阵探测器上需要读取的行数而得到t
rd
，进而计算t
adj
。通过控制芯片设置时钟计数器完成t
adj
时间段的调整以满足帧频等于当前的行频。
58.在一个可选的实施例中，在步骤s1之前，还包括：
59.根据卫星相机的在轨运行规划计算面阵探测器的最大行频，将可调整时间t
adj
设置为0，根据最大行频确定面阵探测器能够实现的最大积分级数，并保证各个谱段所需要的积分级数的总和不超过最大积分级数。
60.在发射卫星进入工作轨道之前，可以预先进行卫星相机的在轨运行规划，并根据该在轨运行规划对卫星的工况进行模拟仿真。
61.具体地，根据星上像移速度矢量实时计算的行频作为面阵探测器的成像帧频，行频更新周期为1s。由于行频受卫星相机星下点纬度、机动角度、轨道高度等因素的影响，所以需要模拟仿真以上因素来计算面阵探测器的最大行频，也即是面阵探测器至少要达到的成像帧频。成像帧频是制约面阵探测器应用到tdi推扫模式的最大因素。
62.s3：根据成像帧频，通过外触发的方式控制面阵探测器曝光成像，得到全谱段窗口的全谱段图像序列以及目标谱段窗口的目标谱段图像序列；
63.在一个具体的实施例中，面阵探测器采用外触发方式进行采样，外触发方式是控制芯片向面阵探测器发送一个信号，面阵探测器通过该触发信号控制曝光时间。至于拍摄次数可以通过上位机的软件进行设定。另一方面，若采用内部寄存器控制曝光模式，由于卫星运行的工况在不断变化，需要不断的根据更新的行频来调整寄存器值，频繁的写spi寄存器操作，实时性较差，且在更改过程中，探测器输出图像状态并不稳定。具体地，面阵探测器曝光成像方式可以是推扫成像方式。
64.s4：将全谱段图像序列以及目标谱段图像序列按照预设的累加策略将对应像元进行累加，得到全谱段图像以及目标谱段图像；
65.在一个具体的实施例中，面阵探测器根据上述帧频完成连续曝光成像和输出，拍摄所得图像序列为p1、p2～p
n
，n为积分级数，n须为偶数。每帧图像中包括一个全谱段窗口和4个目标谱段窗口，分别记为a、b、c、d和e，如图2举例说明，面阵探测器包括7400行像素，每行像素包含8200个像素单元(即像元)，eb、ob为电子和光学暗电平行。每个窗口的图像序列为a1、a2～a
n
；b1、b2～b
n
；c1、c2～c
n
；d1、d2～d
n
；e1、e2～e
n
。
66.每个谱段窗口里包含n行像元，为简化描述，设每个谱段窗口为相同级数，沿卫星飞行反方向，以全谱段窗口为例，每行像元分别记为a1‑
l1、a1‑
l2～a1‑
l
n
；a2‑
l1、a2‑
l2～a2‑
l
n
；a
n
‑
l1、a
n
‑
l2～a
n
‑
l
n
。
67.在一个具体的累计策略中，由于面阵探测器的帧频在与推扫行频匹配后，相邻图像序列上的图像相当于沿卫星飞行方向移动了一行，即a1‑
l1和a2‑
l2是对同一地物目标成像，依次类推，a1‑
l1、a2‑
l2～a
n
‑
l
n
为对同一目标成像，即实现了n次的曝光成像。对于全谱段，将a1‑
l1、a2‑
l2～a
n
‑
l
n
这n行图像dn值按对应像素位置累加，实现n级的积分。
68.相较于全谱段，由于目标谱段窗口只能透过特定波长的光，透过的能量有限，因此在一个具体的实施例中，目标谱段窗口采用像素合并模式(binning模式)进行成像，像素合并是将相邻像元感应的电荷加在一起，以一个像素的模式读出。在环境光照低的情况下，提高图像动态范围和信噪比。具体地，将4个像元等效合并为一个像元。即在行方向和列方向上，等效像元尺寸都为原来像元的两倍。
69.对于目标谱段图像序列，需要间隔一帧对数据特别处理。将b1‑
l1、b1‑
l2和b3‑
l3、b3‑
l4的dn值累加。依次类推，将b
i
‑
l1、b
i
‑
l2、b
i+2
‑
l3、b
i+2
‑
l4的dn值相加，完成了目标谱段图像行方向上的积分，得到一行图像数据，i为图像序列顺序号。在列方向上，将这一行图像相邻两个像元的dn值再进行合并，即得到了像素合并模式下的目标谱段b成像数据。同理，可以得到c、d、e谱段的图像数据。
70.s5：将全谱段图像以及目标谱段图像上传到上位机。
71.将全色谱段和多光谱谱段图像数据通过ddr缓存，通过诸如串行总线的数传接口传输给上位机(卫星)存储。当接收上位机(卫星)发送的停止成像指令，停止驱动探测器成像。
72.当再次接收到开始成像指令，先通过spi通信总线对探测器进行寄存器参数重配置。根据注入的积分级数设置每个谱段窗口的起始行号和行数，各个谱段的积分级数设置相互独立。该功能可以灵活满足不同应用场景的需求。
73.上述成像方法可以通过计算机程序执行，该计算机程序记录在计算机可读取媒介上。
74.此外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
75.本领域技术人员可以理解，附图中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
76.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
77.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。