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基于CMOS图像传感器LUPA300的成像系统设计

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基于CMOS图像传感器LUPA300的成像系统设计

作者：甘玉泉中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）

学位级别：硕士

近年来,随着CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)成像技术不断发展和完善,CMOS图像传感器以其标准的半导体工艺、分辨率、动态范围和灵敏度等指标明显提高的优势占领了越来越多的市场。同时,与传统的CCD相比,由于CMOS图像传... 详细信息

近年来,随着CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)成像技术不断发展和完善,CMOS图像传感器以其标准的半导体工艺、分辨率、动态范围和灵敏度等指标明显提高的优势占领了越来越多的市场。同时,与传统的CCD相比,由于CMOS图像传感器的特殊内部结构,使其抗辐照能力优于CCD图像传感器。它的低功耗使得在主要采用太阳能供电的航天卫星系统中,具有很大的优势。CMOS图像传感器具有低成本、简单的数字接口、高速率等特点,因此在航天领域得到广泛应用,尤其是在遥感相机、星敏感器等空间探测领域。本文通过对Cypress公司生产的CMOS图像传感器LUPA300进行研究,掌握以其为核心的图像采集系统的开发方法,为我国今后相应的航天设备的设计工作奠定了一定的基础。本论文主要研究以下几个方面的内容:首先介绍了CMOS图像传感器的发展历史、性能特点、工作原理,并对CMOS和CCD进行了比较;然后以Cypress公司的LUPA300图像传感器为核心,阐述了Cypress公司生产的LUPA300这款面阵CMOS图像传感器的结构、原理和性能。接着分析了其工作时序,用VHDL语言在CPLD上实现了传感器的时序设计。系统的硬件部分具体实现时,采用了前端图像传感器和后端控制的分离设计,前端图像传感器的PCB采用四层板的制板结构,后端控制PCB采用两层板结构,简化了设计难度。利用低压差稳压器实现对CMOS图像传感器的稳定供电,使系统具有高积分度、稳定性和灵活性的特点。实验证明,该系统工作稳定,功耗低,采集到的图像效果较好。本文最后提出了该系统的不足之处和改进方法。本系统的设计对于其他同类系统具有一定的借鉴意义。

关键词： CMOS图像传感器 LUPA300 SPI 复杂可编程逻辑器件

高分遥感技术助力森林火灾应急扑救及隐患预判——以冕宁“4·20”森林火灾为例

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遥感学报 2021年第9期25卷 2015-2026页

作者：唐尧王立娟邓琮甘玉泉赵娟四川省安全科学技术研究院成都610045 四川安信科创科技有限公司成都610045 四川交通职业技术学院成都611130 四川省森林消防救援总队作战训练处成都610045 高分辨率对地观测系统四川数据与应用中心成都610000

高分遥感具有"易得性高"、"流程简便"、"空间分辨率高"、"星多幅宽"、"获取信息丰富"及"长时序观测能力强"等优点,对实现森林火灾"打早、打小、打了"防控目标提供了重要技术手段。本文将高分遥感技术利用于四川冕宁"4·20"林火灾害应急... 详细信息

高分遥感具有"易得性高"、"流程简便"、"空间分辨率高"、"星多幅宽"、"获取信息丰富"及"长时序观测能力强"等优点,对实现森林火灾"打早、打小、打了"防控目标提供了重要技术手段。本文将高分遥感技术利用于四川冕宁"4·20"林火灾害应急扑救,通过高分遥感纹理特征快速提取林火要素,获得火场附近水源位置、救援力量及扑救路线等信息;利用其波谱特征感知区域的亮温异常,以发现火点、监测火场态势演变及火情发展;基于光谱特征开展动态监测过火区范围及迁移变化,预判火情发展趋势,实时提出扑救应急部署建议,支撑救灾;选用归一化植被指数(NDVI),完成过火区、过火烈度信息提取及初步灾损评估。针对火后次生隐患,结合过火区分布及地形因素,圈定了28条火后潜在泥石流沟,提出基于泥石流沟内高烈度面积占比、主沟长度、沟床纵比降、流域面积及沟内过火区平均坡度等影响因子,对潜在泥石流沟易发性进行评价,预判其中4条为高易发、11条为中易发、13条为低易发。研究结果为林火扑救应急决策者有效部署扑灭力量、科学决策及火后预判次生隐患、灾后重建等防灾减灾活动提供重要决策支撑依据。

关键词：高分遥感技术冕宁火灾应急扑救火后泥石流隐患预判

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暗通道自然灾害遥感图像去雾

光子学报 2015年第6期44卷 47-51页

作者：甘玉泉汶德胜王乐高晓惠卫翠玉中科院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100083

为了解决自然灾害遥感影像中局部存在浓雾的问题,提出了一种基于暗原色先验和雾天图像退化模型的图像去雾方法,并利用导向滤波实现光学遥感影像的去雾.首先,结合自然灾害遥感图像的特点,利用阈值将图像分为浓雾区域和薄雾区域,采用不同... 详细信息

为了解决自然灾害遥感影像中局部存在浓雾的问题,提出了一种基于暗原色先验和雾天图像退化模型的图像去雾方法,并利用导向滤波实现光学遥感影像的去雾.首先,结合自然灾害遥感图像的特点,利用阈值将图像分为浓雾区域和薄雾区域,采用不同的方法得出两个区域的暗通道图;然后,结合导向滤波对透射率图进行优化,再对图像进行对比度拉伸,提高图像的动态范围,并选取多幅遥感图像进行去雾试验.最后,设计了一组图像增强质量评价指标,对去雾结果进行定量分析.结果表明,该方法能从物理特性上明显去除雾的干扰,提高图像清晰度,增强图像色彩和细节,从而复原得到高质量图像,在一定程度上能满足自然灾害遥感图像去雾的要求.

关键词：图像处理遥感图像去雾算法自然灾害图像暗通道导向滤波透射率图像增强

一种稀疏约束的图正则化非负矩阵光谱解混方法

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光谱学与光谱分析 2019年第4期39卷 1118-1127页

作者：甘玉泉刘伟华冯向朋于涛胡炳樑汶德胜中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院大学北京100049

由于受到高光谱遥感图像传感器平台的限制,图像的空间分辨率受到一定影响,这导致高光谱遥感图像的像元通常是多种地物的混合,也叫做混合像元。混合像元的存在制约了高光谱遥感图像的准确分析和应用领域。采用高光谱解混技术可将混合像... 详细信息

由于受到高光谱遥感图像传感器平台的限制,图像的空间分辨率受到一定影响,这导致高光谱遥感图像的像元通常是多种地物的混合,也叫做混合像元。混合像元的存在制约了高光谱遥感图像的准确分析和应用领域。采用高光谱解混技术可将混合像元分解为纯净的物质光谱(Endmember,端元)和每种物质光谱所对应的混合比例(Abundance,丰度),为获取更多更精细的光谱提供了可能。这对高精度的地物分类识别、目标检测和定量遥感分析等研究领域具有重要的意义。因此,解混技术成为高光谱遥感图像领域的一个研究热点。基于线性光谱混合模型(linear spectral mixing model, LMM),提出了一种端元丰度联合稀疏约束的图正则化非负矩阵分解(endmember and abundance sparse constrained graph regularized nonnegative matrix factorization, EAGLNMF)算法。该算法通过研究基于非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization, NMF)的方法,结合图正则化理论来考虑高光谱数据内部的几何结构,将端元光谱稀疏约束和丰度稀疏约束应用于其中,从而能够对高光谱数据的内部流形结构进行更为有效的表达。首先,构造了EAGLNMF算法的损失函数,采用VCA-FCLS方法进行初始化,然后,设定相关参数,包括图正则化权重矩阵参数、端元光谱稀疏约束因子和丰度矩阵稀疏约束因子,最后,通过推导得到了端元矩阵与丰度矩阵的迭代公式,并且设置了迭代停止条件。该方法不受图像中是否有纯像元的限制。实际上,在现行高光谱遥感传感器平台情况下,高光谱遥感图像中几乎不存在纯像元,因此, EAGLNMF方法为高光谱遥感图像的实际应用提供了一种思路。采用合成的高光谱数据,构造了4个实验来分析该方法的可行性和有效性,实验将该算法与VCA-FCLS,标准NMF及GLNMF等经典的解混算法进行比较,通过光谱角距离(spectral angle distance, SAD)和丰度角距离(abundance angle distance, AAD)这两个度量标准来进行比较。实验1是总体分析实验。在固定的信噪比和固定端元数目的情况下,用以上三种经典方法与EAGLNMF同时进行解混。实验2是SNR影响分析实验。在固定端元数目和不同信噪比的情况下,用这四种方法进行解混。实验3端元数目分析实验。在固定信噪比和不同端元数目的情况下,用四种方法进行解混,并且将结果进行对比。实验结果发现提出的EAGLNMF方法在提取端元精度和估计丰度精度上都更为准确。同时,实验4是稀疏因子分析实验。对端元稀疏约束和丰度稀疏约束之间的影响因子进行分析,实验结果表明引入的端元稀疏约束对于解混结果也具有较好的影响,并且端元稀疏约束和丰度稀疏约束之间的影响因子也对解混结果具有一定影响。最后,将该算法应用于AVIRIS所采集的真实高光谱图像数据,将其解混结果与美国地质勘探局光谱库中光谱进行匹配对比,其提取的平均端元精度相比于其他三种方法要稍好。

关键词：高光谱图像图正则化稀疏约束非负矩阵分解光谱解混

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手术刀片防锈包装效果的观察

海军总医院院刊 1993年第2期6卷 118-119页

作者：甘玉泉

R-C系统外遮光罩挡光环的程序化设计及锥状内遮光罩的改进

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应用光学 2009年第4期30卷 575-579页

作者：高郭鹏熊望娥甘玉泉刘阳中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院研究生院北京100039

基于几何作图法推导出R-C系统外遮光罩内挡光环顶点的坐标公式,利用C语言编程实现程序化设计挡光环。在中心遮光比确定的情况下,推导出内遮光罩的顶点坐标公式,并将通常使用的主镜一级锥状遮光罩改进为二级锥状遮光罩,以高速摄影系统的... 详细信息

基于几何作图法推导出R-C系统外遮光罩内挡光环顶点的坐标公式,利用C语言编程实现程序化设计挡光环。在中心遮光比确定的情况下,推导出内遮光罩的顶点坐标公式,并将通常使用的主镜一级锥状遮光罩改进为二级锥状遮光罩,以高速摄影系统的R-C型折反式主物镜为例,对其主镜和次镜内遮光罩进行设计,并给出设计结果。当轴角为70°,遮光罩为二级和一级时,到达像面的杂散光照度分别为1.0823×10-12W/m2和1.6614×10-10W/m2,相差二个数量级,证明改进的二级遮光罩优于一级遮光罩,能有效抑制杂散光。最后,设计了主、次镜间镜筒内壁上等高挡光环,进一步抑制了R-C系统的杂散光。

关键词： R—C系统杂散光遮光罩挡光环

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基于DSP的高精度恒温控制系统设计

电子器件 2009年第4期32卷 855-858页

作者：董钊高伟甘玉泉中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119 中国科学院研究生院北京100039

为使半导体激光器输出的波长稳定,必须对其进行高精度的恒温控制。设计一种基于DSP(数字信号处理)的高精度恒温控制系统,利用24位高精度的A/D转换器将模拟的温度信号转化成数字信号,经DSP处理,以PWM(脉宽调制)方式驱动全桥电路,用电流... 详细信息

为使半导体激光器输出的波长稳定,必须对其进行高精度的恒温控制。设计一种基于DSP(数字信号处理)的高精度恒温控制系统,利用24位高精度的A/D转换器将模拟的温度信号转化成数字信号,经DSP处理,以PWM(脉宽调制)方式驱动全桥电路,用电流控制热电制冷器的输出温度。使工作温度稳定在±0.1℃以内。

关键词：温度控制激光器 DSP 热电制冷器

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一种基于图像分区的自动曝光算法

微计算机信息 2009年第12期25卷 303-304,273页

作者：甘玉泉高伟中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院研究生院北京100039

自动曝光控制系统是现代数码相机和摄像机的不可缺少的模块之一。提出一种基于图像分区的自动曝光控制算法。当拍摄对象处于背光或者正面强光时,自动曝光也能很好地控制。根据人类的视觉机制,可认为中间区域为目标区域,背景区域为不感... 详细信息

自动曝光控制系统是现代数码相机和摄像机的不可缺少的模块之一。提出一种基于图像分区的自动曝光控制算法。当拍摄对象处于背光或者正面强光时,自动曝光也能很好地控制。根据人类的视觉机制,可认为中间区域为目标区域,背景区域为不感兴趣区域,图像分区即将拍摄场景划分为几个区域,并对每一个区域赋予不同的权值,从而计算图像的加权亮度均值。

关键词：自动曝光控制图像分区加权亮度均值

基于CPLD的面阵CMOS图像传感器的驱动时序设计

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电子器件 2009年第3期32卷 500-503页

作者：甘玉泉高伟董钊中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119 中国科学院研究生院北京100039

在分析LUPA300型面阵CMOS图像传感器驱动时序关系的基础上,设计了此面阵CMOS图像传感器的驱动时序。选用CPLD器件作为硬件设计平台,试验VHDL语言对驱动时序进行了硬件描述,采用Quartus Ⅱ对所设计的驱动进行了功能仿真,并针对ALTERA公司... 详细信息

在分析LUPA300型面阵CMOS图像传感器驱动时序关系的基础上,设计了此面阵CMOS图像传感器的驱动时序。选用CPLD器件作为硬件设计平台,试验VHDL语言对驱动时序进行了硬件描述,采用Quartus Ⅱ对所设计的驱动进行了功能仿真,并针对ALTERA公司的EPM1270T144C5进行了RTL级仿真及配置。系统测试结果表明,所设计的驱动时序可以满足面阵CMOS图像传感器LUPA300的各项驱动要求。

关键词：面阵CMOS图像传感器复杂可编程逻辑器件(CPLD) VHDL 驱动时序