应用于高光谱成像的CMOS图像传感器.pdf

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1、2015年仪表技术与传感器2015第7期InstrumentTechniqueandSensorNo．7应用于高光谱成像的CMOS图像传感器解宁，丁毅，王欣，陈世军(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要：文中介绍了应用于高光谱地球观测的CMOS有源图像传感器。该器件由全局曝光模式的像素组成512~256面阵，可实现450帧／s的帧频。全局曝光模式是由在光二极管外增加1个储存电容的方式实现的。该器件采用0．5m标准CMOS工艺，满阱电子达到140000电子，瞬态噪声29电子，动态范围74dB。采用该器件开发的高光谱成像仪的空间及频谱分辨率具有很高水平。关键词

2、：CMOS有源图像传感器；全局曝光模式像素；高帧频；高光谱成像仪中图分类号：TN36文献标识码：A文章编号：1002—1841(2015)07～0007—03CMOSActivePixelSensorforHyperspectralImagingApplicationXIENing，DINGYi，WANGXin，CHENShi-jun(ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200083，China)Abstract：A450framepersecond(fps)CMOSAc

3、tivePixelSensors(APS)with512x256globalshutterpixelswasproposedforhype~pectralearthobservationapplication．Theglobalshutterwasrealizedbyaddingastoragecapacitancenexttothephotodi—ode．ThesensorwasmanufacturedinO．50IzmstandardCMOSprocess，resultinginafullwellcapacityof140O00e一，areadnoiseof29e—R

4、MSandadynamicrangeof74dB．Thedevelopedspectrometerbythissensorisabletoachievethebetterspatialandspectralresolution．Keywords：CMOSAPS；globalshutterpixel；highframerate；hyperspectralimager0引言高光谱成像仪高光谱遥感技术是近些年来迅速发展起来的一种集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体的综合性技术。在成像过程中，它利用成像光谱仪以纳米级的光谱分辨率，以几十或几百个

5、波段同时对地表地物鼎成像，能够获得地物的连续光谱信息，实现了地物空间信息、辐搬射信息、光谱信息的同步获取，其数据可广泛应用于国土资源、波长林业、农业、油气、矿产、海洋、城市热岛、大气环境探测、材料科学等领域的研究，对开展地质调查、矿产和油气资源勘查、水文图1高光谱成像原理生态监测以及环境污染监测分析具有重大意义。同其他常用高光谱相机的感光部件为二维像素阵列。当卫星沿飞行方的遥感手段相比，成像光谱获得的数据具有波段多、光谱分辨向移动时，反射光通过光栅投射到图像传感器的焦平面，传感率和空间分辨率高等特点。高光谱成像仪的原理是利用图像器空间维方向上反映的是目标的空间信息，光谱维

6、方向上则是探测器对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为光谱信息。三维图像的重建可以通过飞行方向上产生的连续二10nm左右的连续光谱覆盖，以高光谱分辨率获取景物或目标维图像信息获得。根据以上的工作原理，应用于高光谱相机的的高光谱图像。自20世纪9o年代以来，国内也开展了高光谱APS传感器需要能够实现全局曝光的工作模式以及极高的读技术的研究，其发展趋势为：高空间分辨率、更多谱段要求、大出速率J：全局曝光模式可保证当卫星高速移动时Y轴方向上观测范围。在可见光成像领域，CMOSAPS传感器的成像性能的频谱信息不会发生扭曲；而读出帧频越高则可实现的空间分已经达到了CCD器件

7、的水平⋯，而且APS器件与CCD相比还辨率越高，如式(1)所示：有一些本质上的优势，如低功耗、高速度、可开窗口、可片上集(1)⋯成处理功能、高抗辐照性能等。因此APS探测器可以应用于高式中为帧频；。为卫星的速率；GSD为地面采样距离。光谱成像仪的核心成像器件。．1高光谱成像原理由于是由卫星所在轨道高度决定，因此一越高，则地本文介绍的图像传感器是一款根据高光谱探测的设计要面采样精度越高。本文为了满足特定的精度要求，APS的帧频求进行开发的APS器件。高光谱成像的原理如图1所示。需要高于450fps(framepersecond)