基于图像特征分析的CMOS图像传感器辐照环境实时失效预测方法

Work status monitoring of image sensor in radiation environment is of great importance for the fields such as nuclear energy developing and aerospace industry. Real-time lifetime prediction of CMOS image sensor is an important constituent part of CMOS image sensor’s work status monitoring. In this fund, firstly, the failure mechanism of CMOS image sensor under the combined impact of various radiation sources will be researched. Secondly, the corresponding relationship between the image quality gained by CMOS image sensor and the level of performance degeneration will be analyzed. For finding the optimal corresponding relationship of image quality and performance degeneration, the appropriate image features to evaluate image quality will be discussed. Finally, lifetime prediction method for CMOS image sensor will by researched by analyzing image quality change trends. The anticipated achievement of this fund can provide lifetime rationales for CMOS image sensors maintenance in radiation environment, in order to keep them work well and reduce maintenance cost.

辐射环境中的图像传感器工作状态分析监测在核能开发、航空航天等领域具有重要的研究意义。辐射环境中的CMOS图像传感器实时寿命预测和失效分析是工作状态分析的重要组成部分。本项目拟研究多种辐射源联合作用下CMOS图像传感器失效演变机制，分析图像传感器成像质量与性能退化程度之间的对应关系，确定与图像传感器性能退化程度高度相关的图像质量特征，进而研究基于图像特征融合的CMOS图像传感器实时在线寿命预测方法。项目预期研究成果可为辐射环境中图像传感器维护、更换等计划提供时间参考依据，以保证其正常工作并降低维护成本。

CMOS图像传感器在辐照环境下的视觉监控系统中应用十分广泛。本项目立足于研究基于图像特征分析的CMOS图像传感器辐照环境实时失效预测方法。本项目研究了不同辐照条件下CMOS图像传感器失效规律，基于CMOS图像传感器图像特征的辐射场强度评估方法及CMOS图像传感器成像质量与失效状态之间的关系。主要的研究工作和成果包括：研究了中子、伽马射线辐照前后CMOS图像传感器的背景噪声变化情况，表明了在低中子和伽马累计剂量情况下，4T型CMOS图像传感器的背景噪声没有明显变化；研究了CMOS图像传感器在不同增益和积分时间参数下对强伽马辐射场的响应，表明在低于260Gy/h剂量率范围内，随着辐射剂量率的增加，噪声水平线性增大；提出了基于脉冲颗粒噪声强度估计的辐射场强度估计方法，其检测结果优于高斯拉普拉斯算子方法和固定阈值二值化方法；提出了基于广义高斯模型的辐照图像无参考质量估计方法，其结果表现出与全参考图像质量评估方法相近的性能，可用于动态图像处理；研究了CMOS图像传感器全寿命周期图像质量变化规律，表明图像质量随着累计辐照剂量的增加而逐渐降低，但视觉意义上的失效可认为是突变形式。上述工作对于开展强辐照环境下CMOS图像传感器的维护、更换等计划提供参考依据。