一种基于快速感知和反馈控制的图像传感器防护系统及防护方法

本发明涉及一种基于快速感知和反馈控制的图像传感器防护系统及防护方法，属于图像传感器防护。

背景技术：

1、目前主流的图像传感器具有功耗低、集成度高、成像速度快等特点，被广泛应用于数码相机、手机、无人机、安防监控、自动驾驶等领域。图像传感器作为光电成像系统的核心部件，其原理是基于光电二极管的光电效应。图像传感器在工作时，像素单元处于一定的反偏电压下，外界光子照射到像素阵列后，会在像素单元中产生相应的电荷，这些电荷会在图像传感器的曝光时间内累积，在曝光结束后将累积的电荷信号进行放大和读出，最终转换为数字图像信息。可随着车载激光雷达、舞台激光灯光等技术的普及，生活中出现了许多因激光照射损伤图像传感器的事件。虽然在这些场景中，照射激光功率较低，很少出现针对同一目标长时间持续照射的情况，但从图像传感器的工作原理出发，当环境较暗时图像传感器会处于高增益、长曝光的工作状态，此时像素单元会因成像镜头高光学增益和所施加工作偏压的双重作用，在曝光时间内累积大量电荷，从而出现点损伤、线损伤、十字交叉损伤等不同程度的损伤。

2、为避免图像传感器因激光照射出现损坏，已有的图像传感器防护技术主要基于防护材料、计算成像、全息光学以及机械结构等等，但是这些技术在使用于消费级成像设备的激光防护时均存在一定的局限性。基于防护材料的图像传感器防护方法包括非线性光学激光防护技术和相变材料激光防护技术，这类防护方法本质上都是通过改变材料的透过率和反射率来调节激光照射强度，会在一定程度上影响成像清晰度。基于计算成像的图像传感器防护方法需要设计并高精度加工光场调控元件，同时需要对采集的图像进行解码处理来复原真实图像，因此在成像速度和成像质量方面存在局限性，不适用于消费级成像设备的图像传感器防护。基于全息光学的图像传感器防护方法需要通过调节全息图干涉条纹的间距反射特定波长的激光，实现对图像传感器的防护，这种全息光栅一旦制备完成便无法更改干涉条纹的间距，因此这种方法只能在已知照射激光波长时，对一定入射范围内的、单一特定波长的激光起到防护效果。基于机械结构的图像传感器防护方法虽然损伤阈值高、可主动控制，但其结构相对复杂，且开关响应速度相对较慢，开关时间普遍为ms量级。为此，提出本发明。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于快速感知和反馈控制的图像传感器防护系统及防护方法，通过对激光照射的快速感知和对图像传感器的快速反馈控制，来切断激光能量在曝光时间内累积的过程，从而实现对大多数生活场景中消费级成像设备的图像传感器防护。而且通过采用灵敏度更高、响应速度更快、响应波长范围更宽的光电探测器来感知激光，可根据激光强度自主判断防护等级，执行图像传感器防护程序，实现对图像传感器和光电传感器工作状态的快速反馈控制。

2、这种基于“感知+控制”的图像传感器防护技术可兼容现有成像架构，对图像传感器等硬件限制较小，所实现的高速高动态光电探测和快速反馈控制逻辑自身成本较低，同时能实现对图像传感器曝光控制、电子设备屏幕亮度调节、激光脉冲回波信号接收等附加功能，具有响应速度快、兼容性好、适用范围广等特点。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种基于快速感知和反馈控制的图像传感器防护系统，包括光电探测模块、高速比较模块和主动反馈控制模块，其中，光电探测模块依次通过高速比较模块和主动反馈控制模块连接有图像传感器；

5、光电探测模块包括跨阻放大电路、偏压调节电路、温度补偿电路和光电探测器，光电探测器分别连接有跨阻放大电路、偏压调节电路和温度补偿电路，跨阻放大电路连接有高速比较模块。

6、光电探测模块实现高信号带宽探测，具备配套的增益(偏压)调节电路、温度补偿电路和跨阻放大电路；高速比较模块具备ns量级低延时，可实现防护阈值调节、电平标准转换功能；主动反馈控制模块实现对图像传感器曝光状态、光电探测器增益设置的高速反馈控制，同时可根据激光强度自主决定防护状态，其中，光电探测模块可根据应用设备的不同，采取不同实施方案。

7、根据本发明优选的，偏压调节电路控制光电探测器响应在高动态范围内快速调节，且光电探测器的灵敏度强于图像传感器中光电二极管，实现对复杂环境下激光照射的灵敏感知。防护过程中，温度补偿电路实时采集光电探测器温度，并根据所选用的光电探测器温度特性，动态调整光电探测器两端偏压大小，弥补温度引起的光电探测器增益变化，实现光电探测器增益系数的稳定。跨阻放大电路采用跨阻放大器(tia)，通过配置跨阻放大器的电路增益将光电探测器产生的电平信号转换并放大为电压信号，可实现较高转换增益和高速高带宽。

8、根据本发明优选的，高速比较模块采用电压比较电路，可对脉冲信号进行整形，且输出信号与输入信号之间具备低至ns量级的微弱延时。主动反馈控制模块选用高速逻辑芯片，一方面重点优化图像传感器和光电探测器的控制流程，降低程序逻辑延时，提升防护操作的响应速度；另一方面在启动防护模式后，需实现对激光强度的自主判断，并根据激光强度对图像传感器和光电探测器进行反馈控制，设定不同等级防护模式。

9、根据本发明优选的，主动反馈控制模块负责图像传感器积分时间、图像帧率等参数设定，并实现对采集图像数据的读出。除此之外，主动反馈控制模块可调用光电探测器实现对环境光强的感知，用于辅助手机、相机等电子设备的屏幕亮度调节或自动曝光控制。或者可在控制模块中添加tdc(时间数字转换器)模块，配合成像设备中的激光对焦、激光测距模块实现脉冲回波信号的接收。

10、上述基于快速感知和反馈控制的图像传感器防护系统的防护方法，步骤如下：

11、(1)光电探测器感知到激光照射时，光电探测器产生高速电平信号，跨阻放大电路将高速电平信号转换并放大为电压信号，由高速比较模块判断电压信号是否达到激光防护阈值，若达到阈值则输出符合数字电路逻辑电平标准的触发信号到主动反馈控制模块，主动反馈控制模块迅速执行图像传感器积分中止和复位操作，控制光电探测模块降低光电探测器增益；

12、(2)主动反馈控制模块将持续检测高速比较模块的触发信号，若触发信号持续存在，则保持图像传感器复位状态并开启高强度防护模式，将光电探测器增益维持在低增益状态；若触发信号消失，则先升高光电探测器增益，恢复正常防护模式，之后恢复图像传感器曝光状态。(高强度防护和正常强度防护是针对照射激光强度而言，对光电探测器的增益进行设置。高强度防护模式中，由于激光过强，需要将光电探测器设置在低增益状态，防止光电探测器因为激光过强和增益过高而损坏；正常防护模式中，则恢复光电探测器的初始增益，来灵敏感知激光照射。当光电探测器增益系数大于5时，为高增益模式；当光电探测器增益系数小于2时，为低增益模式。)

13、根据本发明优选的，步骤(1)中，防护阈值标定过程为：首先，将光电探测模块设置为高增益状态，使用约5×10-3w/cm2照度的光来模拟日光、车灯照射，同时增加高速比较模块触发阈值，确保防护程序不被触发，防止程序误启动；

14、其次，在高增益状态下，使用约1w/cm2照度的光来模拟车载激光雷达照射，同时降低高速比较模块触发阈值，确保防护程序能够触发，此时更强的激光也能有效触发阈值；

15、最后，将光电探测模块设置为低增益状态，使用约10w/cm2照度的光来模拟舞台激光灯光照射，同时降低高速比较模块触发阈值，确保在强激光照射下能够触发阈值，而弱激光照射时不被触发，实现不同等级防护程序。

16、本发明的有益效果在于：

17、1、本发明将快速感知、反馈控制两者结合，在实现对激光照射快速感知、强度判断的同时，执行图像传感器的反馈控制防护程序，避免图像传感器在受到激光照射时仍处于高增益工作状态，实现对图像传感器快速防护。

18、2、本发明解决了光电探测器的增益控制、温度漂移等问题，保证光电探测器时刻工作在最佳工作状态，实现对激光照射信号的快速响应。

19、3、本发明优化控制模块的控制逻辑，减少逻辑延时，保证在感知到激光照射的第一时间中止图像传感器的积分状态，并执行图像传感器复位、光电探测器降低偏压等防护操作；主动反馈控制模块持续检测光电探测器输出状态，并结合光电探测器增益设置对激光强度进行判断，自主决定对图像传感器和光电探测器的防护等级。

20、4、本发明提出的图像传感器防护技术基于“感知+控制”的防护逻辑，对成像设备硬件限制较小，在架构上可以与现有的成像设备良好地兼容；与基于计算成像的图像传感器防护方法相比不影响现有成像设备的成像速度和成像质量；与基于防护材料的图像传感器防护方法相比具有较高的损伤阈值。通过采用宽波段、高速、高动态的光电探测器可以实现对激光照射的快速响应；与基于机械结构的图像传感器防护方法相比具有更快的响应速度；与基于全息光学的图像传感器防护方法相比不受激光波段限制，具有覆盖可见至红外的宽波段激光防护能力。光电探测器在实现对激光快速感知的同时，能实现对图像传感器曝光控制、电子设备屏幕亮度调节、激光脉冲回波信号接收等附加功能；光电探测器与防护材料、光栅、光场调控元件、或特殊机械结构相比，成本更低且应用广泛。