本發(fā)明屬于多光譜圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種片上集成選通模塊實(shí)現(xiàn)圖像傳感器高速數(shù)據(jù)傳輸、高速TDI圖像和面陣圖像數(shù)據(jù)輸出的高速多光譜圖像傳感器及其數(shù)據(jù)傳輸方法。

背景技術(shù)：

多光譜圖像傳感器是一種能夠捕獲圖像特征和光譜信息的光電探測(cè)器，由于通過(guò)非接觸方式獲得物體的輻射和反射信息，其被廣泛應(yīng)用于國(guó)土資源調(diào)查、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和對(duì)地遙感偵察等軍事民用感測(cè)技術(shù)中。多光譜圖像傳感器的基本功能模塊架構(gòu)如圖1所示。為了同時(shí)能夠捕獲多個(gè)不同譜段的光信息，圖像傳感器把感應(yīng)特殊譜段的像素陣列和信號(hào)讀取通道集成在一起，通過(guò)時(shí)序控制驅(qū)動(dòng)電路，將捕獲的光譜信息從每個(gè)譜段對(duì)應(yīng)的通道中輸出。其中每個(gè)譜段像素及讀出電路架構(gòu)如圖2所示，譜段的每列像素共用一個(gè)數(shù)據(jù)讀取通道，圖像傳感器每次只能輸出一行像素信息。在針對(duì)大批量檢測(cè)或高速運(yùn)動(dòng)物體跟蹤時(shí)，大量數(shù)據(jù)串行輸出會(huì)對(duì)傳感器幀轉(zhuǎn)移速率提出更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

針對(duì)上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高優(yōu)先級(jí)譜段圖像的高速輸出，有效提高像素轉(zhuǎn)移速率的高速多光譜圖像傳感器及其數(shù)據(jù)傳輸方法。

本發(fā)明的高速多光譜圖像傳感器包括集成在圖像傳感器芯片上的Ⅰ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅰ讀取通道、Ⅱ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅱ讀取通道、Ⅲ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅲ讀取通道、……n譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的n讀取通道；其特征在于還包括集成在圖像傳感器芯片上的信號(hào)選通模塊；對(duì)于任一高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列，其部分行像素通過(guò)行選開(kāi)關(guān)連接到本譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道，其余行像素通過(guò)信號(hào)選通模塊分別連接到普通級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道。

所述信號(hào)選通模塊包括多個(gè)復(fù)選開(kāi)關(guān)，對(duì)于任一高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列，其部分行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)連接到普通級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道。

所述信號(hào)選通模塊包括多個(gè)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線；對(duì)于任一高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列，其部分行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線連接到普通級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道。

本發(fā)明中多光譜圖像傳感器由于具有共享讀取通道的優(yōu)勢(shì)，可以將像素從其它通道中存儲(chǔ)積分，從而提高多光譜圖像傳感器的掃描速率。對(duì)于n譜段圖像傳感器，由于圖像傳感器擁有n個(gè)獨(dú)立的輸出通道，每次最多可同時(shí)輸出n行像素，通過(guò)信號(hào)選通模塊的連接可以實(shí)現(xiàn)某譜段圖像面陣輸出，數(shù)據(jù)輸出效率可以提高n倍。

設(shè)圖像傳感器每個(gè)譜段包含m行像素，其中高優(yōu)先級(jí)譜段有n1個(gè)，且n≥m×n1；對(duì)于任一高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列，其中一行像素通過(guò)行選開(kāi)關(guān)連接到該高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道，其余行像素通過(guò)信號(hào)選通模塊連接到普通級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道，且每行像素對(duì)應(yīng)一個(gè)讀取通道；n1≥1。

對(duì)于任一高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列，其一行像素?cái)?shù)據(jù)通過(guò)行選開(kāi)關(guān)及對(duì)應(yīng)的讀取通道讀出，其他行像素?cái)?shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)選通模塊和普通級(jí)像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道讀出，通過(guò)各讀取通道行像素的拼接，圖像傳感器可一次性輸出全畫(huà)幅的信息。

設(shè)每個(gè)譜段包含m行像素，其中高優(yōu)先級(jí)譜段有n1個(gè)，且n≤m×n1；對(duì)于任一高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列，其中部分行像素通過(guò)行選開(kāi)關(guān)連接到該高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道，其余行像素通過(guò)信號(hào)選通模塊連接到普通級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道，且多行像素對(duì)應(yīng)一個(gè)讀取通道；n1≥1。

對(duì)于任一高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列，每次可通過(guò)高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道和普通級(jí)譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的讀取通道輸出n行像素?cái)?shù)據(jù)，提高了像素讀出速率。

所述高速多光譜圖像傳感器為T(mén)DI圖像傳感器時(shí)；Ⅰ譜段像素陣列為高優(yōu)先級(jí)像素陣列，其首行像素與Ⅰ譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的Ⅰ讀取通道連接；第二行像素與Ⅱ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅱ讀取通道連接；第三行像素與Ⅲ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅲ讀取通道連接；……第n行像素與n譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的n讀取通道連接。

上述高速多光譜圖像傳感器的數(shù)據(jù)傳輸方法包括下述步驟：

(1)t1時(shí)刻，Ⅰ譜段像素陣列的首行像素a對(duì)物體進(jìn)行掃描成像，并將物體的第一行第一次成像信號(hào)s1通過(guò)Ⅰ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中；

(2)t2時(shí)刻，Ⅰ譜段像素陣列的第二行像素b對(duì)物體進(jìn)行掃描成像，并將物體第一行第二次成像信號(hào)s2通過(guò)Ⅱ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中與物體的第一行第一次成像信號(hào)s1累加寄存；同時(shí)首行像素a對(duì)物體進(jìn)行掃描成像，并將物體第二行第一次成像信號(hào)m1通過(guò)Ⅰ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem2中；

(3)t3時(shí)刻，TDI圖像傳感器第三行像素c對(duì)物體進(jìn)行掃描成像，并將物體第一行第三次成像信號(hào)s3通過(guò)Ⅲ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中與物體的第一行第一次成像信號(hào)s1、第一行第二次成像信號(hào)s2累加寄存；同時(shí)首行像素a對(duì)物體進(jìn)行掃描成像，并將物體第三行第一次成像信號(hào)n1通過(guò)Ⅰ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem3中，第二行像素b對(duì)物體進(jìn)行掃描成像，并將物體第二行第二次成像信號(hào)m2通過(guò)Ⅱ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中與物體的第二行第一次成像信號(hào)m1累加寄存；

(4)以此類推，依次往復(fù)完成對(duì)物體圖像全景的掃描。

對(duì)于擁有n個(gè)獨(dú)立讀取通道的多光譜圖像傳感器，某譜段進(jìn)行n級(jí)TDI模式，應(yīng)用本發(fā)明可以使傳感器擁有最高的圖像轉(zhuǎn)移速率。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的多光譜圖像傳感器基本架構(gòu)示意圖。

圖2是像素讀出架構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的高速多光譜圖像傳感器的模塊架構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的高速多光譜圖像傳感器的一種像素讀出電路的示意圖。

圖5是本發(fā)明的高速多光譜圖像傳感器的另一種像素讀出電路的示意圖。

圖6是利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)面陣輸出的工作原理示意圖。

圖7是TDI圖像傳感器的工作原理圖。

圖8是本發(fā)明應(yīng)用于TDI圖像傳感器的通道共享示意圖。

具體實(shí)施方式

多光譜圖像傳感器含有感應(yīng)多個(gè)譜段的像素陣列，具體任務(wù)實(shí)施中，一般感興趣的光譜信息集中在某些譜段，如在人民幣假幣和壞幣檢測(cè)過(guò)程中，紅、綠和紫色具有更高優(yōu)先級(jí)，因此可以舍棄信息價(jià)值量低的譜段，通過(guò)占用其讀取通道來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)更高譜段圖像的高速輸出。

以包含3個(gè)譜段，每個(gè)譜段像素陣列有3行像素的多光譜圖像傳感器為例進(jìn)行具體說(shuō)明，如圖3所示，本發(fā)明的高速多光譜圖像傳感器包括集成在圖像傳感器芯片上的Ⅰ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅰ讀取通道、Ⅱ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅱ讀取通道、Ⅲ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅲ讀取通道和信號(hào)選通模塊。

如圖4所示，信號(hào)選通模塊由復(fù)選開(kāi)關(guān)S1、S2、S3組成。對(duì)于Ⅰ譜段像素陣列，其第一行像素通過(guò)行選開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的Ⅰ讀取通道連接，第二行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)S3連接到Ⅲ讀取通道，第三行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)S2連接到Ⅱ讀取通道；對(duì)于Ⅱ譜段像素陣列，其第一行像素通過(guò)行選開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的Ⅱ讀取通道連接，第二行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)S1連接到Ⅰ讀取通道，第三行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)S3連接到Ⅲ讀取通道；對(duì)于Ⅲ譜段像素陣列，其第一行像素通過(guò)行選開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的Ⅲ讀取通道連接，第二行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)S1連接到Ⅰ讀取通道，第三行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)S2連接到Ⅱ讀取通道。當(dāng)感興趣的譜段在Ⅰ譜段內(nèi)時(shí)，Ⅰ譜段像素信息具有高優(yōu)先級(jí)，可以舍棄Ⅱ譜段像素信息和Ⅲ譜段像素信息，通過(guò)占用Ⅱ讀取通道和Ⅲ讀取通道來(lái)實(shí)現(xiàn)Ⅰ譜段像素信息的高速輸出。當(dāng)感興趣的譜段在Ⅱ、Ⅲ譜段內(nèi)時(shí)，與Ⅰ譜段同理。

如圖5所示，信號(hào)選通模塊還可以由多個(gè)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線組成。對(duì)于Ⅰ譜段像素陣列，其第一行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線與Ⅲ讀取通道連接，第二行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線連接到Ⅱ讀取通道，第三行像通過(guò)行選開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的Ⅰ讀取通道連接；對(duì)于Ⅱ譜段像素陣列，其第一行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線與Ⅰ讀取通道連接，第二行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線連接到Ⅲ讀取通道，第三行像素通過(guò)行選開(kāi)關(guān)連接到Ⅱ讀取通道；對(duì)于Ⅲ譜段像素陣列，其第一行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線連接到Ⅰ讀取通道，第二行像素通過(guò)復(fù)選開(kāi)關(guān)和地址總線連接到Ⅱ讀取通道，第三行像素通過(guò)行選開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的Ⅲ讀取通道連接(圖中未示出行選開(kāi)關(guān))。

對(duì)于n譜段圖像傳感器，每個(gè)譜段有m行像素，設(shè)其中一個(gè)譜段為高優(yōu)先級(jí)譜段，通過(guò)信號(hào)選通模塊的連接可以實(shí)現(xiàn)該譜段圖像面陣輸出。由于圖像傳感器擁有n個(gè)獨(dú)立的輸出通道，每次最多可同時(shí)輸出n行像素，其原理如圖6所示。

當(dāng)m<n時(shí)，高優(yōu)先譜段的像素?cái)?shù)據(jù)可一次性全部輸出。先在n個(gè)讀取通道中選取m個(gè)獨(dú)立讀取通道；其次通過(guò)地址總線和復(fù)選開(kāi)關(guān)，將各譜段像素陣列的m行像素分別與m個(gè)讀取通道連接。通過(guò)各讀取通道行像素的拼接，圖像傳感器可一次性輸出全畫(huà)幅的信息。

當(dāng)m>n時(shí)，先在高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列的m行像素中選取n行像素，其次通過(guò)地址總線和復(fù)選開(kāi)關(guān)，將該譜段的n行像素分別連接到n個(gè)讀取通道。將剩余的n-m行像素按同樣規(guī)律連接到n個(gè)讀取通道，這種連接方式每次可以輸出n行像素，也可以提高后序像素的讀出速率。

本發(fā)明使高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列行掃描輸出提升到面掃描輸出，而不增加像素的等待時(shí)間。對(duì)于n通道的多光譜圖像傳感器，數(shù)據(jù)輸出效率可以提高n倍。

TDI圖像掃描是通過(guò)圖像傳感器曝光頻率與物體位移速率很好的匹配實(shí)現(xiàn)的。由于受CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝柵制作的限制，CMOS圖像傳感器無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)電荷耦合累加。為了提高器件感光靈敏度，CMOS圖像傳感器先將像素信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在后續(xù)數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)過(guò)程中對(duì)不同時(shí)間曝光下的信號(hào)累加，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)間延遲積分。3級(jí)數(shù)字TDI圖像傳感器成像原理如圖7所示：

(1)物體處于向下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，t1時(shí)刻，物體的三角被列像素的首行像素a掃描，并將信號(hào)s1轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中寄存。

(2)t2時(shí)刻，物體繼續(xù)向下移動(dòng)，三角被列像素下一行像素b掃描,并將信號(hào)s2轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中，并和上次信號(hào)s1累加寄存。

(3)t3時(shí)刻，物體繼續(xù)向下移動(dòng)，三角被行像素c掃描，信號(hào)s3累加到存儲(chǔ)器Mem1，經(jīng)過(guò)三次累加積分，信號(hào)增加了三倍但噪聲只增加了倍。

由于像素信號(hào)在Mem1中要累加三次才輸出,因此在積分時(shí)間內(nèi)，在行像素C1完成曝光和電荷存儲(chǔ)前，其它像素均處于等待狀態(tài)。針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明中多光譜圖像傳感器由于具有共享讀取通道的優(yōu)勢(shì)，可以將像素從其它通道中存儲(chǔ)積分，從而提高多光譜圖像傳感器的掃描速率。

所述高速多光譜TDI圖像傳感器，設(shè)其Ⅰ譜段像素陣列為高優(yōu)先級(jí)像素陣列(也可以設(shè)其他普段像素陣列為高優(yōu)先級(jí)像素陣列)，其首行像素與Ⅰ譜段像素陣列對(duì)應(yīng)的Ⅰ讀取通道連接；第二行像素與Ⅱ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅱ讀取通道連接；第三行像素與Ⅲ譜段像素陣列及與之對(duì)應(yīng)的Ⅲ讀取通道連接。其數(shù)據(jù)讀出方法如圖8所示：

(1)t1時(shí)刻，物體三角被Ⅰ譜段像素陣列的首行像素a掃描成像，物體的三角第一次成像信號(hào)s1通過(guò)Ⅰ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中。

(2)t2時(shí)刻，物體繼續(xù)向下移動(dòng)，三角被Ⅰ譜段像素陣列的第二行像素b掃描成像,三角的第二次成像信號(hào)s2通過(guò)Ⅱ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中和第一次成像信號(hào)s1累加寄存。同時(shí)首行像素a對(duì)物體第二行的圓圈曝光，并將圓圈第一次成像信號(hào)m1通過(guò)Ⅰ讀取通道存儲(chǔ)到Mem2中。

(3)t3時(shí)刻，物體繼續(xù)向下移動(dòng)，第三行像素c掃描物體首行的三角，三角第三次成像信號(hào)s3繼續(xù)通過(guò)Ⅲ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem1中與三角第二次成像信號(hào)s2、第三次成像信號(hào)s3累加；第二行像素b對(duì)物體第二行圓圈曝光，圓圈的第二次成像信號(hào)m2通過(guò)Ⅱ讀取通道繼續(xù)轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem2與圓圈第一次成像信號(hào)m1；首行像素a對(duì)物體第三行五角星曝光，五角星第一次成像信號(hào)n1通過(guò)Ⅰ讀取通道轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器Mem3；以此類推，依次往復(fù)完成對(duì)圖像全景的掃描。

本例信號(hào)輸出速率將提升三倍。對(duì)于擁有n個(gè)獨(dú)立讀取通道多光譜圖像傳感器，某譜段進(jìn)行n級(jí)TDI模式，應(yīng)用本發(fā)明可以使傳感器擁有最高的圖像轉(zhuǎn)移速率。

本發(fā)明不限于上述方式，高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列還可以是多個(gè)譜段像素陣列，例如圖像傳感器有100個(gè)譜段，其中可以有1-5個(gè)譜段像素陣列為高優(yōu)先級(jí)譜段像素陣列。