CN110702097A - 一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法，该方法中涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、样品调整转台、样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、直流电源、计算机、平行光管、自准直经纬仪、单星模拟器和成像镜头组成，利用自准直经纬仪将固定在样品测试板上的成像镜头和平行光管对齐在一条直线上，然后将单星模拟器调到5等星，通过成像镜头对模拟单星星点成像，同时调节光学镜头，使星点成像清晰，再通过暗场测试和亮场测试，计算得到不同累积辐射剂量下不同星等的单个星点信噪比SNR，即得到了不同累积辐射剂量下星敏感器的极限探测星等灵敏度。通过本发明所述方法可以准确评估星敏感器在不同累积辐射剂量下辐射损伤，方法简单快速，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，涉及一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法。
背景技术
星敏感器是一种以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度的空间姿态测量装置，其因精度高、可靠性强及自主性好等优势在各类航天飞行器、卫星中得到广泛应用。星敏感器一般由光学***、成像***、数据处理***和数据交换***组成。其中成像***是星敏感器的重要组成部分，它的性能决定了星敏感器探测能力。
星敏感器的成像***主要由互补金属氧化物半导体有源像素传感器组成，其在空间应用必然面临天然空间辐射环境的威胁，空间辐射环境中的高能带电粒子作用于器件可产生累积辐射效应(电离总剂量效应、位移损伤效应)和单粒子效应，导致器件的暗电流、暗信号非均匀性噪声、光响应非均匀性噪声等性能参数退化，甚至功能失效。国内外研究发现，互补金属氧化物半导体有源像素传感器的空间辐射损伤又会导致星敏感器在太空工作经辐照后出现星点质心定位精度降低、星等探测灵敏度降低等性能退化现象，影响到星敏感器的工作精度和有效寿命，从而严重威胁星敏感器乃至卫星的安全可靠运行。然而国内外研究机构还未研究互补金属氧化物半导体有源像素传感器辐射损伤敏感参数的变化是如何传递到星敏感器***输出端从而导致***性能参数退化的机制，也就无法定量评估星敏感器***辐射损伤。
本发明涉及一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法，该方法中涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、样品调整转台、样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、直流电源、计算机、平行光管、自准直经纬仪、单星模拟器和成像镜头组成，该方法首先利用自准直经纬仪将样品测试板和平行光管对齐在一条直线上，然后将单星模拟器调到5等星，通过成像镜头对模拟单星星点成像，同时调节光学镜头，使星点成像清晰，再通过暗场测试和亮场测试，计算得到不同累积辐射剂量下不同星等的单个星点信噪比SNR，通过统计每个累积辐射剂量下单个星点信噪比SNR首次出现小于5时的探测星等m1,最后将探测星等m1减去0.1后即得到了不同累积辐射剂量下星敏感器的极限探测星等灵敏度。本发明可以准确评估星敏感器在不同累积辐射剂量下辐射损伤，方法简单快速，实用性强，更可以为星敏感器在轨姿态测量误差预测和修正技术的研究奠定一定的基础，同时可以为高精度星敏感器的设计提供一定的理论依据。
发明内容
本发明的目的在于，从互补金属氧化物半导体有源像素传感器辐射损伤敏感参数的变化分析推倒出星敏感器***性能参数的退化，提供一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法，该方法中涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、样品调整转台、样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、直流电源、计算机、平行光管、自准直经纬仪、单星模拟器和成像镜头组成，该方法首先利用自准直经纬仪将样品测试板和平行光管对齐在一条直线上，然后将单星模拟器调到5等星，通过成像镜头对模拟单星星点成像，同时调节光学镜头，使星点成像清晰，再通过暗场测试和亮场测试，计算得到不同累积辐射剂量下不同星等的单个星点信噪比SNR，通过统计每个累积辐射剂量下单个星点信噪比SNR首次出现小于5时的探测星等m1,最后将探测星等m1减去0.1后即得到了不同累积辐射剂量下星敏感器的极限探测星等灵敏度。本发明可以准确评估星敏感器在不同累积辐射剂量下辐射损伤，方法简单快速，实用性强。
本发明所述的一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法，该方法中涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、样品调整转台、样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、直流电源、计算机、平行光管、自准直经纬仪、单星模拟器和成像镜头组成，在静电试验平台(1)上分别设有积分球光源(2)和样品调整转台(3)，在样品调整转台(3)上固定有样品测试板(4)，在样品测试板(4)上放置互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)，在样品测试板(4)上固定成像镜头(11)，样品测试板(4)分别与积分球光源(2)和直流电源(6)连接，在静电试验平台(1)的两侧分别设有平行光管(8)、自准直经纬仪(9)和单星模拟器(10)，平行光管(8)与单星模拟器(10)连接，自准直经纬仪(9)和平行光管(8)对准，静电试验平台(1)与计算机(7)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、利用自准直经纬仪(9)将固定在样品测试板(4)上的成像镜头(11)与平行光管(8)对齐在一条直线上；
b、将经过辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)固定在样品测试板(4)上，再将样品测试板(4)分别与直流电源(6)和计算机(7)相连，将单星模拟器(10)调到5等星，通过成像镜头(11)对模拟单星星点成像，同时调节光学镜头，使星点成像清晰；
c、开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源，计算机采集50幅星图，将这50幅星图的背景灰度值取平均值，得到星图的背景散粒噪声
d、利用步骤c采集到的50幅星图，将这50幅图中单个星点的灰度值取平均值得到星点的目标散粒噪声
e、打开积分球光源(2)，并保持测试室中其他照明光源关闭，将积分时间设为能使互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)像素输出的灰度值达到50％饱和灰度值，开始进行亮场测试，计算机(7)采集50幅图；
f、利用步骤c暗场测试和步骤e亮场测试采集的图像，计算辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的暗电流噪声NDC、固定模式噪声NFPN、暗信号非均匀性噪声NDSNU和读出噪声Nread；
g、将单星模拟器(10)调到其他星等，重复步骤c、d、e计算不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)光响应非均匀性噪声NPRNU以及星图的背景散粒噪声
和目标散粒噪声
h、取下固定在样品测试板(4)上的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)，换上不同累积剂量的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)，重复步骤b、c、d、e和f，计算得到不同累积剂量、不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的总噪声ND；
i、计算不同累积辐射剂量下不同星等的单个星点信噪比SNR；
j、统计每个累积辐射剂量下单个星点信噪比SNR首次出现小于5时的探测星等m1；
k、将步骤j算出的探测星等m1减去0.1，即得到了星敏感器的极限探测星等灵敏度。
本发明所述的一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法，该方法中暗场测试和光场测试使用的采图软件是由中国电子科技集团公司第四十四研究所提供的；图像处理软件是由中国科学院光电技术研究所提供；
利用暗场测试和亮场测试采集的图像，计算机图像处理可以得到读出噪声Nread，根据公式(1)计算辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器暗电流噪声NDC，根据公式(2)计算固定模式噪声NFPN，根据公式(3)计算不同累积辐射剂量下暗信号非均匀性噪声NDSNU；
NFPN＝s2 (2)
其中Ndark为暗电流产生的电子数；s2为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采暗场图像的灰度值的标准方差；K为转换增益。
根据公式(4)计算不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)光响应非均匀性噪声NPRNU；
其中s1为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采亮场图像达半饱和时图像灰度值的标准方差；s2为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采暗场图像的灰度值的标准方差；μ1为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采亮场图像的平均灰度值；μ2为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采暗场图像达半饱和时图像的平均灰度值。
根据公式(5)计算得到不同累积剂量、不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的总噪声ND；
根据公式(6)计算不同累积辐射剂量下不同星等的单个星点信噪比SNR；
统计每个累积辐射剂量下单个星点信噪比SNR首次出现小于5时的探测星等m1；将算出的探测星等m1减去0.1，即得到了星敏感器的极限探测星等灵敏度。
本发明所述的一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法，适用于成像***是任意型号互补金属氧化物半导体有源像素传感器的星敏感器***。本发明准确度高，方法简单快速，实用性强，可以为星敏感器在轨姿态测量误差预测和修正技术的研究奠定一定的基础，同时可以为高精度星敏感器的设计提供一定的理论依据。
因此本发明适用于需要预估或者掌握星敏感器辐射损伤程度的星敏感器研制单位、科研院所和航天载荷单位使用。
附图说明
图1为本发明测试***示意图；
图2为计算机采集到的一幅星图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例
本发明所述的本发明所述的一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法，该方法中涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、样品调整转台、样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、直流电源、计算机、平行光管、自准直经纬仪、单星模拟器和成像镜头组成，在静电试验平台1上分别设有积分球光源2和样品调整转台3，在样品调整转台3上固定有样品测试板4，在样品测试板4上放置互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5，在样品测试板4上固定成像镜头11，样品测试板4分别与积分球光源2和直流电源6连接，在静电试验平台1的两侧分别设有平行光管8、自准直经纬仪9和单星模拟器10，平行光管8与单星模拟器10连接，自准直经纬仪9和平行光管8对准，静电试验平台1与计算机7连接，具体操作按下列步骤进行：
a、利用自准直经纬仪9将固定在样品测试板4上的成像镜头11与平行光管8对齐在一条直线上；
b、将经过辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5固定在样品测试板4上，再将样品测试板4分别与直流电源6和计算机7相连，将单星模拟器10调到5等星，通过成像镜头11对模拟单星星点成像，同时调节光学镜头，使星点成像清晰，该实施例中星敏感器所用的互补金属氧化物半导体有源像素传感器型号为CMV4000，其分辨率为2048×2048，像素结构为8T-APS，直流电源设置为5V，限流1A；
c、开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源，计算机采集50幅星图，将这50幅星图的背景灰度值取平均值，将单星模拟器10调换不同星等后，重复测量，得到不同星等下星图的背景散粒噪声
均为1.28e-；
d、利用步骤c采集到的50幅星图，将这50幅图中单个星点的灰度值取平均值，将单星模拟器10调换不同星等后，重复测量，得到不同星等下某一星等星点的目标散粒噪声如表1所示；
表1不同星等单个星点信号目标散粒噪声
e、打开积分球光源2，并保持测试室中其他照明光源关闭，将积分时间设为能使互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5像素输出的灰度值达到50％饱和灰度值，该实施例中像素输出的灰度值为600DN，积分时间是5.76ms，开始进行亮场测试，计算机7采集50幅图；
f、利用步骤c暗场测试和步骤e亮场测试采集的图像，计算机7图像处理得到读出噪声Nread为13e-，根据公式(1)计算辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器暗电流噪声NDC，根据公式(2)计算固定模式噪声NFPN，根据公式(3)计算不同累积辐射剂量下暗信号非均匀性噪声NDSNU；
NFPN＝s2 (2)
其中Ndark为暗电流产生的电子数；s2为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采暗场图像的灰度值的标准方差；K为转换增益；
通过公式计算得到不同累积辐射剂量下互补金属氧化物半导体有源像素传感器暗电流噪声NDC，固定模式噪声NFPN和暗信号非均匀性噪声NDSNU，如表2所示：
表2不同累积辐射剂量下互补金属氧化物半导体有源像素传感器暗电流噪声NDC，
固定模式噪声NFPN暗信号非均匀性噪声NDSNU
g、将单星模拟器10调到其他星等，重复步骤c、d、e后，根据公式(4)计算不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)光响应非均匀性噪声NPRNU；
其中s1为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采亮场图像达半饱和时图像灰度值的标准方差；s2为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采暗场图像的灰度值的标准方差；μ1为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采亮场图像的平均灰度值；μ2为互补金属氧化物半导体有源像素传感器所采暗场图像达半饱和时图像的平均灰度值；
通过公式(4)计算得到不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器光响应非均匀性噪声NPRNU如表3所示：
表3不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器光响应非均匀性噪声
| 星等 | 光响应非均匀性噪声(e-) |
| 5 | 4.36 |
| 5.8 | 2.10 |
| 5.9 | 1.91 |
| 6 | 1.75 |
| 6.1 | 1.59 |
| 6.2 | 1.45 |
| 6.3 | 1.33 |
| 6.4 | 1.21 |
| 6.5 | 1.11 |
h、取下固定在样品测试板4上的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5，换上不同累积剂量的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5，重复步骤b、c、d、e、f，根据公式(5)计算得到不同累积剂量、不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5的总噪声ND；
通过公式(5)计算出互补金属氧化物半导体有源像素传感器的总噪声ND，如表4所示：
表4在不同累积剂量、不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器的总噪声
i、根据公式(6)计算不同累积辐射剂量下不同星等的单个星点信噪比SNR；
通过公式(6)计算出在不同累积辐射剂量下不同星等的单个星点信噪比SNR，如表5所示：
表5在不同累积剂量、不同星等的单个星点信噪比SNR值
j、统计每个累积辐射剂量下星点信噪比SNR首次出现小于5时的探测星等m1：辐射剂量为0krad(Si)时，探测星等m1为6.2等；辐射剂量为0.5krad(Si)时，探测星等m1为6.2等；辐射剂量为5krad(Si)时，探测星等m1为6.2等；辐射剂量为20krad(Si)时，探测星等m1为6.1等；辐射剂量为60krad(Si)时，探测星等m1为5.9等；
k、将步骤j算出的探测星等减去0.1，即得到了星敏感器的极限探测星等灵敏度，辐射剂量为0krad(Si)时，星敏感器的极限探测星等灵敏度为6.1等；辐射剂量为0.5krad(Si)时，星敏感器的极限探测星等灵敏度为6.1等；辐射剂量为5krad(Si)时，星敏感器的极限探测星等灵敏度为6.1等；辐射剂量为20krad(Si)时，星敏感器的极限探测星等灵敏度为6等；辐射剂量为60krad(Si)时，探测星等m1为5.8等。
以上所述，仅为本发明提供的一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (1)
1.一种基于极限探测星等灵敏度的星敏感器辐射损伤评估方法，其特征在于，该方法中涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、样品调整转台、样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、直流电源、计算机、平行光管、自准直经纬仪、单星模拟器和成像镜头组成，在静电试验平台(1)上分别设有积分球光源(2)和样品调整转台(3)，在样品调整转台(3)上固定有样品测试板(4)，在样品测试板(4)上放置互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)，在样品测试板(4)上固定成像镜头(11)，样品测试板(4)分别与积分球光源(2)和直流电源(6)连接，在静电试验平台(1)的两侧分别设有平行光管(8)、自准直经纬仪(9)和单星模拟器(10)，平行光管(8)与单星模拟器(10)连接，自准直经纬仪(9)和平行光管(8)对准，静电试验平台(1)与计算机(7)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、利用自准直经纬仪(9)将固定在样品测试板(4)上的成像镜头(11)与平行光管(8)对齐在一条直线上；
b、将经过辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)固定在样品测试板(4)上，再将样品测试板(4)分别与直流电源(6)和计算机(7)相连，将单星模拟器(10)调到5等星，通过成像镜头(11)对模拟单星星点成像，同时调节光学镜头，使星点成像清晰；
c、开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭测试室中所有照明光源，计算机采集50幅星图，将这50幅星图的背景灰度值取平均值，得到星图的背景散粒噪声
d、利用步骤c采集到的50幅星图，将这50幅图中单个星点的灰度值取平均值得到星点的目标散粒噪声
e、打开积分球光源(2)，并保持测试室中其他照明光源关闭，将积分时间设为能使互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)像素输出的灰度值达到50％饱和灰度值，开始进行亮场测试，计算机(7)采集50幅图；
f、利用步骤c暗场测试和步骤e亮场测试采集的图像，计算辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的暗电流噪声NDC、固定模式噪声NFPN、暗信号非均匀性噪声NDSNU和读出噪声Nread；
g、将单星模拟器(10)调到其他星等，重复步骤c、d、e计算不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)光响应非均匀性噪声NPRNU以及星图的背景散粒噪声
和目标散粒噪声
h、取下固定在样品测试板(4)上的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)，换上不同累积剂量的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)，重复步骤b、c、d、e和f，计算得到不同累积剂量、不同星等下互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的总噪声ND；
i、计算不同累积辐射剂量下不同星等的单个星点信噪比SNR；
j、统计每个累积辐射剂量下单个星点信噪比SNR首次出现小于5时的探测星等m1；
k、将步骤j算出的探测星等m1减去0.1，即得到了星敏感器的极限探测星等灵敏度。
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