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空间传感技术

CCD圖像傳感器已經在軌道平台上成功使用了很多年。但是,CCD圖像傳感器需要多個高速,高電壓時鐘驅動器以及模擬視頻處理器來支持其操作。這些支撐電路必須被屏蔽並放置在圖像傳感器IC的附近,以最大程度地減少不必要的噪聲引入。最終結果是攝像機的重量更大,消耗的功率也超出了預期。

 

另一方面,CMOS圖像傳感器允許將時鐘驅動器,定時發生器和信號處理結合到與圖像傳感器光電二極管相同的集成電路上。這樣可將噪聲降至最低,同時以合理的功率水平提供高功能。 CMOS傳感器公司採用其專有的高級CTIA結構和緩衝MOS讀出方法來消除固定圖案。由於性能上的突破,CMOS Sensor Inc.參與了以下用於可見和近紅外(VNIR)CMOS傳感器的太空項目。

用於3D地形映射相機(TMC)的C640

C640是為Chandrayaan-1項目設計和開發的。 Chandrayaan-1衛星于2008年10月22日發射升空。它是一個4000元素的線性圖像傳感器,旨在為太空應用提供高分辨率,低功耗。該器件使用CMOS傳感器專有的高級APS技術和讀出結構來減少固定圖案噪聲,增加動態範圍並改善線性度。該設備由4000個光電二極管元件組成。像素尺寸為7μm平方,元素間距為7μm。

 

TMC在500 nm至750 nm的可見光譜帶中使用三個獨立的C640線性圖像傳感器,面向月球表面前後,最低點和後部。 TMC用於推掃模式以提供沿軌道立體的觀看效果,其TMC覆蓋了20 km的範圍,其前後成像器均位於距最低點+/- 25度的位置。最終結果是在100 k高度下5米的地面分辨率。圖1展示了從TMC的最低點拍攝的地球圖像,它是由C640傳感器在衛星到達月球之前大約70,000公里的地球軌道上拍攝的。

來自 TMC 空間衛星傳感器的地球圖像

來自TMC的圖像數據用於創建月球表面的3D圖像。這些數字高程模型(DEM)是由三個CMOS圖像傳感器產生的圖像組合生成的。該過程是從兩個或三個CMOS傳感器獲得相同的圖像,這些圖像是由於衛星中圖像傳感器的方向不同而以不同角度拍攝的。然後處理這些立體鏡視圖以識別兩個圖像之間的匹配點。在確定了盡可能多的匹配點之後,這些點將擬合到一個三角形網格中,從中為所有數據點內插3D坐標。

 

將成像特徵懸垂在此3D坐標表面上會產生非常有效的圖像,如下所示。此過程有效性的衡量標準是可以在兩個或三個視角之間匹配的像素或數據點的數量。正如人們可能期望的那樣,使用前後攝像頭的圖像(圖像之間的最大角度)時,相關性最差(27%),而使用前後,最低點和前三個圖像均獲得最佳相關性(100%點匹配)。 。圖2顯示了月球表面山的3D視圖。 3D火山口視圖如圖3所示。

Chandrayaan1 從衛星傳感器獲得的月球 3D 視圖

用於超光譜圖像相機(HySI)的C650

C650是為Chandrayaan-1項目製造的第二個傳感器。它由一個256 x 512像素面積陣列有源像素傳感器(APS)組成,具有大像素尺寸,慢速掃描和低功耗的特點,適用於太空,科學和醫學應用。設備框圖如圖3所示。一個PGA,用於逐行增益設置; I2C接口; SRAM,12位模數轉換器(ADC);穩壓器低壓差分信號(LVDS)和定時發生器。

 

該器件使用CMOS傳感器專有的高級APS技術和讀出結構來減少固定圖案噪聲,增加動態範圍並改善線性度。傳感器的有效圖像陣列大小為256列x 512行。但是,整個陣列包含286列和516行,每列中有額外的30個光學B k(OB)像素,另外還有4個OB行。光學塊像素旨在提供深色參考電壓並消除邊緣效應。對於每一列,它們在第一個有效像素的開始處排列為20個像素,在第256個像素之後排列為10個像素。光學塊行在第一個活動行的開始處排列為2行,在第512個活動行之後排列為2行。圖3顯示了傳感器陣列和APS單元的像素排列。光學塊像素與有源圖像傳感器相同,不同之處在於遮光不透明元素覆蓋了它們。

太空衛星感測器圖

256 x 512元素的C650圖像傳感器區域陣列是為航天應用中的高光譜成像儀(HySI)設計的。作為Chandrayaan-1任務的一部分,它繪製了月球表面圖,對了解月球的礦物學組成至關重要。相機的設計使得一排256個元素將在月球表面成像20 km的空間條帶,而512排中的每一個將成像不同的光譜帶。

 

光譜分離是通過使用楔形濾光片實現的。通過在推掃帚模式下操作相機,這512行中的每行都將有機會對相同的20 km空間掃描帶進行成像,從而收集512個具有相同表面幾何形狀的不同光譜圖像。楔形過濾器的方向應使楔形過濾器的橫向走線尺寸均勻,且沿軌道的尺寸應為楔形過濾器產生的變化厚度。因此,光譜帶出現在沿軌道方向上。

 

HySI相機產生了令人印象深刻的成像器,如圖4所示。該系列圖像是從100 km高度的赤道區域附近的月亮的40 km x 20 km斷面拍攝的。大多數成像儀僅在灰色陰影中顯示出細微的變化,因為月球表面沒有我們習慣的許多產生顏色的特徵。但是,通過減去和/或獲取一個圖像與另一個圖像的比率,這些細微差別變得顯而易見。跨越64個波段的微小變化將產生月球表面的化學特徵。

空間衛星傳感器拍攝的圖像波段

圖5是單個隕石坑的超立方體。通過堆疊相同表面形貌的所有64個圖像(每個波段一個)獲得一個超立方體。在這種情況下,信息已進行了顏色編碼,以便更輕鬆地檢測表面化學成分的變化。

太空衛星傳感器捕捉到的孤立隕石坑

CMOS MSOC的C468

C468五波段圖像傳感器陣列由五條獨立的傳感器線組成:一個PAN波段和四個MS波段,分別包裝在陶瓷基板中,分別表示為MS1,MS2,MS3和MS4。 PAN帶共有12,000個像素,像素大小為10μm正方形,像素間距為10μm。多光譜(MS)波段(MS1〜MS4),每個波段有6000個像素,像素尺寸為20μm平方,像素間距為20μm。在MS1,MS2,PAN,MS3和MS4序列上排列了五個頻段。每個頻帶到相鄰頻帶(MS1到MS2,MS2到PAN,PAN到MS3以及MS3到MS4)之間的間隔為4 mm。因此,焦平面(圖像傳感器區域)為120mm×16.02mm。 132引腳的引腳柵格陣列(PGA)陶瓷封裝用於容納矽芯片。帶有雙面AR塗層的符合空間要求的輻射硬度玻璃窗用於密封矽傳感器。

 

該器件使用我們專有的技術(例如晶圓對接,多芯片對接和多次讀取)來實現無間隙圖像像素線和非常短的集成時間的要求。該陣列旨在為高姿態(約720 km)地球軌道RSI應用提供高分辨率,低功耗。 C468是混合模式MSOC IC,將有源像素傳感器(APS),可編程增益放大器(PGA),12位模數轉換器(ADC),電壓調節器,低壓差分放大器(LVDS)和時序發生器集成在一起。 C468還具有省電模式,當焦平面陣列(FPA)處於不活動狀態時,該模式將消耗非常小的功率。

 

該器件在五個不同的波段上在450至900 nm的光譜波長上具有響應能力。使用外部多模濾波器時,其定義為:PAN(450〜700 nm),MS1(455〜515 nm),MS2(525〜595 nm),MS3(630〜690 nm)和MS4(762〜897 nm) )。在每個帶與帶之間設計了一條劃線。因此,所有五個頻段都是完全隔離和獨立的芯片。五個傳感器帶全部被電隔離。用戶可以獨立打開傳感器陣列的任何頻段的電源。該功能允許用戶從成像儀讀取不同的顏色。

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