汽車級圖像傳感器選型，CMOS與CCD在ADAS環(huán)視系統(tǒng)中的噪聲抑制對比
發(fā)布時間：2025/8/15
智能駕駛技術(shù)快速迭代，ADAS環(huán)視系統(tǒng)作為車輛周邊環(huán)境感知的核心模塊，對圖像傳感器的性能提出了嚴(yán)苛要求。其中，噪聲抑制能力直接影響系統(tǒng)在低光照、強(qiáng)干擾等極端場景下的可靠性。本文從技術(shù)原理、工程實(shí)踐及未來趨勢三個維度，對比分析CMOS與CCD傳感器在ADAS環(huán)視系統(tǒng)中的噪聲抑制特性。
一、噪聲來源與抑制技術(shù)原理
圖像傳感器的噪聲主要分為固定模式噪聲(FPN)和時間噪聲兩大類。FPN源于制造工藝不均勻性，表現(xiàn)為像素間的偏移或增益差異;時間噪聲則包含光子散粒噪聲、熱噪聲等隨機(jī)干擾。兩類噪聲的抑制需結(jié)合硬件設(shè)計與信號處理技術(shù)。
CCD傳感器采用電荷耦合傳輸機(jī)制，其噪聲抑制優(yōu)勢體現(xiàn)在電荷轉(zhuǎn)移效率(CTE)上。高端CCD的CTE可達(dá)99.9999%，有效減少電荷傳輸過程中的損失。例如，深空探測領(lǐng)域常用的CCD通過雙相關(guān)采樣(CDS)技術(shù)，利用兩次采樣時間間隔遠(yuǎn)小于噪聲時間常數(shù)的特性，將KT/C噪聲抑制至0.1e-以下。然而，CCD的全局曝光模式需復(fù)雜時鐘驅(qū)動電路，易引入時鐘抖動噪聲，且單芯片集成度低，需外接ADC和時序控制器，增加系統(tǒng)復(fù)雜度。
CMOS傳感器基于像素級并行處理架構(gòu)，其噪聲抑制核心在于工藝優(yōu)化與數(shù)字信號處理。現(xiàn)代CMOS傳感器普遍采用背照式(BSI)工藝，通過將光電二極管置于電路層后方，消除金屬連線對光線的遮擋，使量子效率(QE)提升至80%以上。例如，思特威推出的SC530AT車規(guī)級CMOS傳感器，通過CarSens?-RS工藝將讀取噪聲降至1.0e-，配合雙重曝光行交疊HDR技術(shù)，在100dB動態(tài)范圍下仍能保持低噪聲特性。此外，CMOS的片上集成能力使其可搭載自研AI ISP芯片，通過輕算力NPU實(shí)現(xiàn)實(shí)時降噪與圖像增強(qiáng)。
二、ADAS環(huán)視系統(tǒng)中的工程實(shí)踐對比
1. 低光照場景噪聲抑制
在地下停車場或夜間道路等低光照環(huán)境下，傳感器的信噪比(SNR)直接決定圖像可用性。CCD傳感器因高電荷轉(zhuǎn)移效率，在極低光照下仍能保持較低的暗電流噪聲。例如，某高端車型采用的CCD環(huán)視攝像頭，在0.1lux光照下SNR可達(dá)35dB，但需配合大光圈鏡頭(F/1.6)和機(jī)械快門，增加系統(tǒng)成本與體積。
CMOS傳感器則通過多技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)低光照優(yōu)化。以SC530AT為例，其采用SFCPixel?技術(shù)，在520nm波長下QE提升20%，配合PixGain HDR?模式，可在單幀內(nèi)同時捕捉高亮與暗部細(xì)節(jié)。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，在0.05lux光照下，該傳感器通過AI ISP降噪后SNR仍可達(dá)32dB，且無需機(jī)械結(jié)構(gòu)，更適配車載緊湊空間。
2. 高動態(tài)范圍場景噪聲抑制
ADAS環(huán)視系統(tǒng)需同時處理強(qiáng)光(如逆光)與暗光區(qū)域，對HDR性能要求嚴(yán)苛。CCD傳感器通過多斜積分法實(shí)現(xiàn)HDR，但需犧牲幀率(通常低于30fps)，難以滿足實(shí)時性要求。例如，某工業(yè)級CCD在120dB動態(tài)范圍下幀率僅15fps，無法適配高速運(yùn)動場景。
CMOS傳感器則通過多曝光融合技術(shù)突破HDR瓶頸。SC530AT支持的2-exposure SHDR模式，可在單幀內(nèi)完成長短曝光融合，實(shí)現(xiàn)100dB動態(tài)范圍且?guī)蔬_(dá)60fps。其讀取電路架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使DSNU(空間噪聲)在105℃高溫下降低51%，有效抑制高亮區(qū)域過曝噪聲。
3. 溫度穩(wěn)定性與長期可靠性
車載傳感器需在-40℃至105℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。CCD傳感器因采用單一材料結(jié)構(gòu)，溫漂系數(shù)較低，但需外置TEC制冷模塊控制暗電流，增加功耗與成本。例如，某車載CCD方案在85℃環(huán)境下暗電流達(dá)500e-/s，需通過制冷將溫度降至40℃以下。
CMOS傳感器通過工藝改進(jìn)提升溫度穩(wěn)定性。SC530AT采用CarSens?-RS工藝，在105℃環(huán)境下暗電流僅增加25%，白點(diǎn)缺陷減少5%，無需主動制冷即可滿足車規(guī)級AEC-Q100 Grade 2認(rèn)證。其低功耗特性(典型功耗150mW)進(jìn)一步降低熱噪聲產(chǎn)生，延長系統(tǒng)壽命。
三、未來趨勢與選型建議
隨著CMOS工藝向2μm以下節(jié)點(diǎn)演進(jìn)，其噪聲抑制能力正逼近CCD水平。例如，思特威車載產(chǎn)品矩陣已覆蓋1MP至8MP分辨率，其中4款高性能CIS產(chǎn)品專為艙內(nèi)OMS應(yīng)用設(shè)計，通過AI ISP芯片實(shí)現(xiàn)端到端降噪優(yōu)化。而CCD因制造成本高、集成度低，逐漸退出車載市場，僅在特定科研領(lǐng)域保留應(yīng)用。
對于ADAS環(huán)視系統(tǒng)選型，建議優(yōu)先選擇車規(guī)級CMOS傳感器，重點(diǎn)關(guān)注以下參數(shù)：
噪聲指標(biāo)：讀取噪聲≤1.5e-，F(xiàn)PN≤0.3e-;
動態(tài)范圍：≥100dB，支持多曝光HDR;
溫度適應(yīng)性：滿足AEC-Q100 Grade 2認(rèn)證，高溫下性能衰減≤10%;
集成能力：支持AI ISP與NPU加速，減少后端處理延遲。
在自動駕駛技術(shù)向L4級演進(jìn)的過程中，CMOS傳感器憑借其低功耗、高集成度與智能化降噪能力，已成為ADAS環(huán)視系統(tǒng)的主流選擇。未來，隨著背照式工藝、堆疊式架構(gòu)與AI算法的深度融合，車載圖像傳感器的噪聲抑制將進(jìn)入“零感知”時代，為智能駕駛安全保駕護(hù)航。
