在自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)、工業(yè)機(jī)器視覺及生物醫(yī)學(xué)成像等高端應(yīng)用中，光電傳感器需同時(shí)捕捉強(qiáng)光（如陽光直射）與微弱信號(hào)（如遠(yuǎn)距離反射光），這對(duì)動(dòng)態(tài)范圍提出嚴(yán)苛要求。傳統(tǒng)單采樣方案動(dòng)態(tài)范圍通常不超過60dB，而雙采樣技術(shù)結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理（DSP）可將該指標(biāo)提升至120dB以上。本文系統(tǒng)闡述雙采樣技術(shù)原理及配套DSP算法，為高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景設(shè)計(jì)提供工程參考。

一、雙采樣技術(shù)：突破物理極限的硬件創(chuàng)新

1.1 時(shí)域雙采樣：時(shí)間維度上的動(dòng)態(tài)分割

時(shí)域雙采樣通過在積分周期內(nèi)設(shè)置兩個(gè)不同增益的采樣窗口，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱信號(hào)的分時(shí)捕獲。以CMOS圖像傳感器為例，在第一個(gè)短積分窗口（T1=10μs）采用低增益模式記錄強(qiáng)光信號(hào)，防止像素飽和；隨后在長(zhǎng)積分窗口（T2=1ms）切換至高增益模式捕獲弱光細(xì)節(jié)。某車載激光雷達(dá)采用該技術(shù)后，在100klux環(huán)境光下仍能檢測(cè)200m外的反射信號(hào)，動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至110dB。

1.2 空域雙采樣：空間維度上的并行處理

空域雙采樣利用雙像素結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同時(shí)采樣。索尼IMX455傳感器采用雙光電二極管設(shè)計(jì)，每個(gè)微透鏡下集成大小兩個(gè)像素：大像素（8μm）負(fù)責(zé)強(qiáng)光信號(hào)，小像素（2μm）捕獲弱光細(xì)節(jié)。通過金屬屏蔽層隔離兩個(gè)像素的光響應(yīng)區(qū)域，有效降低光串?dāng)_。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該結(jié)構(gòu)在星光級(jí)光照（0.001lux）下信噪比提升18dB，同時(shí)保持日光（100klux）下的線性響應(yīng)。

1.3 電荷域雙采樣：模擬域的動(dòng)態(tài)范圍壓縮

電荷域雙采樣通過雙電容結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)分級(jí)存儲(chǔ)。ADI公司ADPD188BI光學(xué)模塊采用雙電荷積分器，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電容（C1=10pF）飽和時(shí)，自動(dòng)切換至第二個(gè)電容（C2=100pF）繼續(xù)積分。配合可變反饋電阻（10kΩ-1MΩ），實(shí)現(xiàn)60dB模擬增益調(diào)節(jié)范圍。該方案在血氧檢測(cè)應(yīng)用中，成功同時(shí)捕捉動(dòng)脈搏動(dòng)（AC信號(hào)）與組織基線（DC信號(hào)），測(cè)量誤差小于1%。

二、數(shù)字信號(hào)處理：軟件層面的動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)

2.1 雙曝光融合算法：時(shí)空聯(lián)合處理

針對(duì)時(shí)域雙采樣數(shù)據(jù)，采用加權(quán)融合算法優(yōu)化動(dòng)態(tài)范圍。首先對(duì)短曝光圖像進(jìn)行直方圖均衡化增強(qiáng)細(xì)節(jié)，再通過泊松融合算法與長(zhǎng)曝光圖像合并。華為Mate60手機(jī)攝像頭應(yīng)用該技術(shù)后，逆光場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍從80dB提升至105dB，高光區(qū)域過曝率降低72%，陰影細(xì)節(jié)保留度提高40%。

2.2 響應(yīng)曲線校正：非線性補(bǔ)償技術(shù)

針對(duì)光電傳感器的非線性響應(yīng)特性，建立多項(xiàng)式校正模型：

通過最小二乘法擬合傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)，確定校正系數(shù)。TI OPT3101飛行時(shí)間傳感器采用五階多項(xiàng)式校正后，在0.1lx-100klux光照范圍內(nèi)，輸出信號(hào)線性度優(yōu)于0.5%，動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至130dB。

2.3 小波變換降噪：微弱信號(hào)提取

對(duì)空域雙采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行三層小波分解，保留低頻近似系數(shù)（A3）用于強(qiáng)光重建，高頻細(xì)節(jié)系數(shù)（D1-D3）用于弱光增強(qiáng)。某工業(yè)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)采用db4小波基處理后，在強(qiáng)光干擾下仍能清晰分辨0.1mm裂紋，信號(hào)信噪比提升22dB。

三、系統(tǒng)集成與性能驗(yàn)證

將雙采樣硬件與DSP算法集成于FPGA平臺(tái)，構(gòu)建實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。以Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC為例，其PL部分實(shí)現(xiàn)雙采樣時(shí)序控制，PS部分運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)執(zhí)行融合算法。測(cè)試表明，在1080P@60fps視頻流處理中，系統(tǒng)延遲控制在5ms以內(nèi)，功耗僅2.5W。

實(shí)際場(chǎng)景驗(yàn)證顯示，該方案在自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)200m@10%反射率探測(cè)距離，同時(shí)抑制陽光直射導(dǎo)致的飽和噪聲；在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，可同時(shí)檢測(cè)透明玻璃表面劃痕（微弱信號(hào)）與金屬框架反光（強(qiáng)信號(hào)）。

四、技術(shù)演進(jìn)方向

隨著SiPM（硅光電倍增管）和SPAD（單光子雪崩二極管）技術(shù)的成熟，雙采樣技術(shù)正向單光子級(jí)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展。未來研究可聚焦：

量子效率優(yōu)化：通過納米結(jié)構(gòu)修飾提升弱光檢測(cè)靈敏度

AI融合處理：利用深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)端到端的動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)

片上系統(tǒng)集成：將雙采樣ADC與DSP核集成于單芯片，降低系統(tǒng)功耗與體積

從消費(fèi)電子到航空航天，光電傳感器動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)正在重新定義光信號(hào)檢測(cè)的邊界。雙采樣硬件創(chuàng)新與數(shù)字信號(hào)處理算法的深度融合，為解決復(fù)雜光照?qǐng)鼍跋碌男盘?hào)捕獲難題提供了系統(tǒng)性解決方案，持續(xù)推動(dòng)著光電技術(shù)向更高精度、更廣應(yīng)用領(lǐng)域邁進(jìn)。