CMOS exposure parameter design and rolling shutter distortion correction for Tianwen-1 high-resolution camera

Yunhui LI; Xiaodong WANG; Wenguang LIU; Pengji ZHOU; Jingtao HUANG; Jihong DONG

doi:10.37188/OPE.20223002.0143

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

CMOS exposure parameter design and rolling shutter distortion correction for Tianwen-1 high-resolution camera

更新时间：2022-02-19

- CMOS exposure parameter design and rolling shutter distortion correction for Tianwen-1 high-resolution camera
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 2, Pages: 143-152(2022)
- 作者机构：
  
  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223002.0143
  CLC： TP722.4;TP751.1
- Received：14 September 2020，
  
  Revised：12 November 2020，
  
  Published：25 January 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
李云辉,王晓东,刘文光等.天问一号高分相机CMOS曝光参数设计与卷帘校正[J].光学精密工程,2022,30(02):143-152.

LI Yunhui,WANG Xiaodong,LIU Wenguang,et al.CMOS exposure parameter design and rolling shutter distortion correction for Tianwen-1 high-resolution camera[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(02):143-152.
李云辉,王晓东,刘文光等.天问一号高分相机CMOS曝光参数设计与卷帘校正[J].光学精密工程,2022,30(02):143-152. DOI： 10.37188/OPE.20223002.0143.

LI Yunhui,WANG Xiaodong,LIU Wenguang,et al.CMOS exposure parameter design and rolling shutter distortion correction for Tianwen-1 high-resolution camera[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(02):143-152. DOI： 10.37188/OPE.20223002.0143.

摘要

为获取高信噪比、明暗度适宜的火表图像，对天问一号火星高分相机CMOS探测器曝光参数开展了详细设计，并对卷帘效应畸变进行了量化分析与校正。首先建立了CMOS探测器光电响应模型，对比了曝光参数中曝光时间与PGA增益对成像信噪比的影响，确定曝光时间为优先调节参量。在分析曝光时间约束条件、明确靶面辐照度计算方法后，给出了不同火表反射率、太阳天顶角及轨道高度参数下的曝光时间设计结果与成像信噪比。最后针对CMOS探测器卷帘畸变机理进行分析，给出了校正方法及理论校正精度。仿真实验结果表明：成像信噪比在非轨道像移受限区域保持在48.28 dB左右，在受限区域则逐步降低，反射率取0.1时最低值为32.45 dB，典型辐照环境下成像信噪比为45.56 dB。根据实际轨道像移分析，CMOS探测器卷帘效应会造成数十像素倾斜畸变，在轨道像移测量误差不超过3.46‰前提下，所述方法校正后图像特征点位移量优于1个像素。

Abstract

To obtain an image of the Martian surface with a high signal-to-noise ratio （SNR） and suitable brightness， the exposure parameters of the CMOS detector in the Mars high-resolution camera were designed， and the rolling shutter distortion was analyzed and corrected quantitatively. First， the photoelectric response model of the CMOS detector was established. By comparing the influence of exposure time and PGA gain on SNR， the exposure time was determined as the priority adjustment parameter. After analyzing the constraints of exposure time and clarifying the calculation method of target irradiance， the exposure time design results and SNR under different reflectivities， solar zenith angle， and orbit height parameters were given. Finally， the distortion mechanism of the rolling shutter was analyzed， and the correction method and theoretical correction accuracy were presented. The simulation results indicate that the SNR remains at approximately 48.28 dB in the non-orbital image-motion restricted area， and gradually decreases in the restricted area， with a minimum value of 32.45 dB when the reflectivity is 0.1. The SNR is 45.56 dB in a typical irradiation environment. Under the orbital parameters， the rolling shutter of the CMOS detector causes tens of pixels of tilt distortion. Under the premise that the image motion measurement error does not exceed 3.46‰， the image displacement after correction using the proposed method is better than 1 pixel.

关键词

Keywords

references

宁永慧，刘辉，赵庆磊，等 . 大面阵高帧频CMOS成像电子学系统设计［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1167 - 1177 . doi: 10.3788/ope.20192705.1167 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192705.1167

NING Y H ， LIU H ， ZHAO Q L ， et al . High-frame frequency imaging system of large area CMOS image sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1167 - 1177 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192705.1167 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192705.1167

孙宏海，何舒文，吴培，等 . 高动态科学级CMOS相机设计与成像分析［J］. 液晶与显示， 2017 ， 32 （ 3 ）： 240 - 248 . doi: 10.3788/yjyxs20173203.0240 http://dx.doi.org/10.3788/yjyxs20173203.0240

SUN H H ， HE S W ， WU P ， et al . Design and imaging analysis of high dynamics scientific CMOS camera ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 240 - 248 . （in Chinese） . doi: 10.3788/yjyxs20173203.0240 http://dx.doi.org/10.3788/yjyxs20173203.0240

曲宏松，张叶，金光 . 基于数字域TDI算法改进面阵CMOS图像传感器功能［J］. 光学精密工程， 2010 ， 18 （ 8 ）： 1896 - 1903 . doi: 10.3788/OPE.20101808.1896 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20101808.1896

QU H S ， ZHANG Y ， JIN G . Improvement of performance for CMOS area image sensors by TDI algorithm in digital domain ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2010 ， 18 （ 8 ）： 1896 - 1903 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20101808.1896 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20101808.1896

MEHTA S ， PATEL A ， MEHTA J . CCD or CMOS Image sensor for photography ［C］. 2015 International Conference on Communications and Signal Processing （ICCSP）. 24，2015 ， Melmaruvathur， India. IEEE ， 2015 ： 291 - 294 . doi: 10.1109/iccsp.2015.7322890 http://dx.doi.org/10.1109/iccsp.2015.7322890

张晓祥，赵金宇，贾建禄，等 . 卷帘快门sCMOS相机对空间碎片观测的影响研究［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1441 - 1449 . doi: 10.3788/ope.20182606.1441 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1441

ZHANG X X ， ZHAO J Y ， JIA J L ， et al . Study on the effect of rolling shutter sCMOS camera on space debris observation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1441 - 1449 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182606.1441 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1441

KOZACEK B ， GRAUZEL J ， FRIVALDSKY M . The main capabilities and solutions for different types of the image sensors ［C］. 2018 ELEKTRO . 2123，2018 ， Mikulov ， Czech Republic . IEEE ， 2018 ： 1 - 5 . doi: 10.1109/elektro.2018.8398278 http://dx.doi.org/10.1109/elektro.2018.8398278

ALBL C ， KUKELOVA Z ， LARSSON V ， et al . From two rolling shutters to one global shutter ［C］. 2020 IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition （CVPR）. 1319，2020 ， Seattle， WA， USA. IEEE ， 2020 ： 2502 - 2510 . doi: 10.1109/cvpr42600.2020.00258 http://dx.doi.org/10.1109/cvpr42600.2020.00258

刘智，柴华，李娜娜 . CMOS图像传感器中卷帘式快门特性及其应用［J］. 光学精密工程， 2009 ， 17 （ 8 ）： 2017 - 2023 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.08.036 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.08.036

LIU Z ， CHAI H ， LI N N . Shutter mode of CMOS image sensor and its application ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2009 ， 17 （ 8 ）： 2017 - 2023 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.08.036 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.08.036

刘海龙，李祥之，薛旭成，等 . 利用卷帘快门面阵CMOS自相关成像的空间相机振动参数检测［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 6 ）： 1474 - 1481 . doi: 10.3788/ope.20162406.1474 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162406.1474

LIU H L ， LI X Z ， XUE X C ， et al . Vibration parameter detection of space camera by taking advantage of CMOS self-correlation Imaging of plane array of roller shutter ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 ， 24 （ 6 ）： 1474 - 1481 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20162406.1474 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162406.1474

李春来，刘建军，耿言，等 . 中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置［J］. 深空探测学报， 2018 ， 5 （ 5 ）： 406 - 413 .

LI C L ， LIU J J ， GENG Y ， et al . Scientific objectives and payload configuration of China's first Mars exploration mission ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2018 ， 5 （ 5 ）： 406 - 413 . （in Chinese）

朱岩，白云飞，王连国，等 . 中国首次火星探测工程有效载荷总体设计［J］. 深空探测学报， 2017 ， 4 （ 6 ）： 510 - 514， 534 . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002

ZHU Y ， BAI Y F ， WANG L G ， et al . Integral technical scheme of payloads system for Chinese Mars-1 exploration ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2017 ， 4 （ 6 ）： 510 - 514， 534 . （in Chinese） . doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002 http://dx.doi.org/10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002

European Machine Vision Association . EMVA Standard 1288 Release 3.1 ［S］. 2016 . doi: 10.1364/dh.2016.dm4i.1 http://dx.doi.org/10.1364/dh.2016.dm4i.1

都亨，叶宗海 . 低轨道航天器空间环境手册［M］. 北京：国防工业出版社， 1996 .

DU H ， YE Z H . Space environment manual for LEO Spacecraft ［M］. Beijing ： National Defense Industry Press ， 1996 . （in Chinese）

Views

1098

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

No data

Related Institution

No data

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰