CN104764454B - 一种基于emccd的高动态星敏感器 - Google Patents

一种基于emccd的高动态星敏感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于EMCCD的高动态星敏感器，包括成像组件和视频电路；成像组件包括电子倍增图像传感器EMCCD(12)、致冷器(13)、致冷器导热结构(14)、密封腔壳体(18)等；视频电路包括FPGA、高速DAC、高压驱动模块、时钟驱动模块、图像采样模块和致冷器驱动模块；FPGA通过高速DAC和高压驱动模块输出幅值和相位可调的倍增时钟信号至EMCCD，FPGA通过时钟驱动模块输出驱动时钟信号至EMCCD，FPGA输出采样时序信号至图像采样模块，控制图像采样模块采集EMCCD输出的模拟图像信号并转换成数字图像信号后输出给FPGA，FPGA根据热敏电阻采集的温度输出致冷控制量至致冷器驱动模块，致冷器驱动模块产生相应的致冷电流并输出至致冷器。本发明的星敏感器具有探测灵敏度高、信噪比可调、动态性能高等优点。

Description

一种基于EMCCD的高动态星敏感器
技术领域
本发明涉及一种基于EMCCD(电子倍增图像传感器)的高动态星敏感器。
背景技术
星敏感器是以恒星为姿态参考源的光学敏感器，它无需先验的姿态和角速度信息，进行全天球自主姿态捕获和确定，具有精度高、几乎没有漂移、可靠性高等优点，是卫星的关键姿态测量部件。
影响星敏感器动态性能的因素较为复杂，目前高动态星敏感器的主流研究方案是，综合设计曝光时间、镜头孔径、光学视场等指标，辅助以软件增强等手段，提高星敏感器的探测能力，以提高星敏感器的动态性能。但这些手段均有一定的缺点，
1)增加曝光时间
通过增加曝光时间可以增强光信号以提高信噪比，但是在动态条件下，较长的曝光时间会造成星点在像面上拖尾，造成星点能量分散，达不到提高探测能力的目的，而且星图拖尾会造成星点提取的困难。
2)增大光学系统孔径
通过增大光学系统的通光孔径可以提高星敏感器的探测能力，但是通光孔径的增大意味星敏感器的体积、重量的增大，而且大孔径光学系统的焦距也大，这意味着视场的减小和探测星数也减少，在高动态条件下会可能会由于跟踪窗口移出视场而导致跟踪失败。
3)降低噪声
通过降低噪声的方法可以提高信噪比，比如选用低噪声图像传感器件、半导体致冷技术、低噪声视频电路设计，但这些方法难以大幅提高星敏感器的探测能力。
4)软件补偿
通过软件的方法来提高动态性能，比如图像信噪比增强技术、低信噪比图像的星点提取技术等，但这些方法对星敏感动态性能的提高也是有限的。
5)采用像增强器
在图像传感器前端增加像增强器来提高星敏感器的探测能力，像增强器一般由光电阴极、微通道板(MCP)、荧光屏组成，此外还需要一个额外的光学中继装置(光纤/透镜)将增强的图像投影到星敏感器的图像传感器上，实现提高探测灵敏度的目的，该技术的缺点主要在于：(a)成像过程要经历光电、电光、光电三次转换，成像环节多，引入的额外噪声较大；(b)像增强器与图像传感器之间的光学中继组件耦合损失较大，传像质量会下降，并且较多的组件会带来一定的可靠性问题；(c)结构、工艺复杂，国内的工艺成熟度不高，性能不太稳定，地面使用寿命通常不超过15000h；(d)像增强器和光学中继组件存在先天的面均匀性低问题，而且长时间使用时面均匀性还会发生变化，因此也影响了星敏感器测量精度和可靠性。
鉴于上述技术限制，目前主流星敏感器的动态性能一般为2°/s左右，采用像增强器实现的方案可达10°/s左右，但精度和可靠性稍差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于EMCCD的探测灵敏度高、信噪比可调、动态性能高的星敏感器。
本发明包括如下技术方案：
一种基于EMCCD的高动态星敏感器，包括：成像组件和视频电路；
成像组件包括光学系统、电子倍增图像传感器EMCCD、致冷器、致冷器导热结构、抽气阀门、气密接插件、O形橡胶圈、密封腔壳体、密封腔底座、CCD电路板和热敏电阻；视频电路包括FPGA、高速DAC、高压驱动模块、时钟驱动模块、图像采样模块和致冷器驱动模块；
光学系统用于收集恒星光学信号，并成像在EMCCD的焦面上；EMCCD可根据倍增时钟信号对恒星光学信号进行电子倍增，转换成增强的模拟图像信号，EMCCD的电子倍增倍数能够通过FPGA实现在线调节；致冷器用于对EMCCD进行致冷；密封腔壳体安装在密封腔底座上方，在密封腔壳体上安装抽气阀门，光学系统位于密封腔壳体上方；密封腔壳体侧面安装气密接插件；光学系统的镜片与密封腔壳体之间通过O形橡胶圈密封，密封腔壳体与密封腔底座之间、抽气阀门与密封腔壳体之间都通过O形橡胶圈密封；EMCCD、致冷器、致冷器导热结构、CCD电路板位于密封腔壳体与密封腔底座形成的密封腔内；通过抽气阀门抽真空使得密封腔保持真空状态；EMCCD通过导热胶粘接在致冷器冷面上，EMCCD的管脚通过引线焊接至CCD电路板上，CCD电路板的输入输出信号通过气密接插件引出至密封腔外与视频电路相连；致冷器热面焊接在致冷器导热结构上，致冷器的冷端和热端粘贴热敏电阻；致冷器导热结构安装在密封腔底座上方；
FPGA通过高速DAC和高压驱动模块输出幅值和相位可调的倍增时钟信号至EMCCD，FPGA通过时钟驱动模块输出驱动时钟信号至EMCCD，FPGA输出采样时序信号至图像采样模块，控制图像采样模块采集EMCCD输出的模拟图像信号并转换成数字图像信号后输出给FPGA，FPGA根据热敏电阻采集的温度输出致冷控制量至致冷器驱动模块，致冷器驱动模块产生相应的致冷电流并输出至致冷器。
FPGA输出正弦波数字序列，通过高速DAC转换成模拟正弦波信号，该模拟正弦波信号通过高压驱动模块进行放大后输出倍增时钟信号至EMCCD，实现电子倍增功能；FPGA通过控制正弦波数字序列的输出顺序实现正弦波的相位调节，可对EMCCD的电子倍增倍数进行精调，通过控制高压驱动模块的放大倍数实现正弦波的幅值调节，可对EMCCD的电子倍增倍数进行粗调。
在需要提高电子倍增倍数时，FPGA采集数字图像并提取星点信息，根据最亮的N颗星计算星点图像的平均信噪比SNR1，若SNR1<SNR0-时，通过粗调增大电子倍增倍数；若SNR1>SNR0+时，通过精调减小电子倍增倍数；若SNR1在[SNR0-,SNR0+]内时结束调节；SNR0-为信噪比下限值，SNR0+为信噪比上限值。
在需要降低电子倍增倍数时，FPGA采集数字图像并提取星点信息，根据最亮的N颗星计算星点图像的平均信噪比SNR1，若SNR1>SNR0+时，通过粗调减小电子倍增倍数，若SNR1<SNR0-时，通过精调增大电子倍增倍数，SNR1在[SNR0-,SNR0+]内时结束调节，SNR0-为信噪比下限值，SNR0+为信噪比上限值。
FPGA对EMCCD输出的模拟图像信号进行逐行采样，根据设定的窗口位置判断模拟图像信号中当前行是否在窗口内，如果当前行不在窗口内，则FPGA控制EMCCD直接快速泄放该行内的像素电荷，同时控制图像采样模块不采样该行的像素；如果当前行在窗口内，则对其列坐标进行判读，如果不是窗口内的列，则FPGA控制EMCCD以第一时钟频率输出像素电荷，同时控制图像采样模块不进行采样；如果是窗口内的列，则FPGA控制EMCCD以第二时钟频率输出像素电荷，同时控制图像采样模块对这些窗口内的像素进行采样，并使能图像输出行有效信号，以便FPGA对图像采样模块输出的数字图像信号进行图像采集和处理；第一时钟频率比第二时钟频率快。
所述设定的窗口的列坐标比预测跟踪窗口的列坐标向左移动2个像素。
所述致冷器为多级半导体致冷器，FPGA根据热敏电阻采集的温度利用数字PID控制算法输出致冷控制量，使得EMCCD的温度稳定在-15℃±2℃。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明的一种基于EMCCD的高动态星敏感器，采用电子倍增图像传感器EMCCD可具备极高的探测灵敏度，可将曝光时间减小至数毫秒，无需使用大口径的光学系统，避免图像拖尾，无需进行软件补偿；利用半导体深度致冷降低EMCCD芯片暗电流噪声，提高图像信噪比，同时利用真空密封设计保证在大气环境下正常工作；利用EMCCD的电子倍增倍数在线调节实现星敏感器探测灵敏度的动态调节，解决了寿命末期星敏感器探测灵敏度下降的问题；基于EMCCD的星敏感器相比像增强器方案结构简单，不需使用前置增强装置和中继装置，成像环节少，成像质量和信噪比高，解决了像增强器可靠性不高和使用寿命短的问题。
本发明通过行电荷快速泄放和列像素变速率读出的设计，实现了窗口图像的快速读出，解决了传统CCD读出速度较慢的问题，提高了星敏感器的数据刷新率。
高灵敏度EMCCD极短的曝光时间结合窗口图像快速读出方法，使星敏感器可实现很高的动态性能。
附图说明
图1为本发明星敏感器的成像组件组成结构示意图；
图2为本发明星敏感器的视频电路组成结构示意图；
图3为本发明星敏感器的窗口图像读出时序示意图；
图4为本发明星敏感器的倍增倍数在线调节流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步介绍。
本发明提供的星敏感器包括成像组件和视频电路。成像组件的结构如图1所示，包括光学系统11、EMCCD12、致冷器13、致冷器导热结构14、抽气阀门15、气密接插件16、O形橡胶圈17、密封腔壳体18、密封腔底座19、CCD电路板20和热敏电阻21；光学系统11用于收集恒星光学信号，并成像在EMCCD12的焦面上；EMCCD根据倍增时钟信号对恒星光学信号进行电子倍增，转换成增强的模拟图像信号，EMCCD的电子倍增倍数能够通过FPGA实现在线调节；致冷器13用于对EMCCD进行致冷；密封腔壳体18安装在密封腔底座19上方，在密封腔壳体18上安装抽气阀门15，光学系统位于密封腔壳体18上方；密封腔壳体18侧面安装气密接插件16；光学系统11的镜片与密封腔壳体18之间通过O形橡胶圈17密封，密封腔壳体18与密封腔底座19之间、抽气阀门15与密封腔壳体18之间都通过O形橡胶圈17密封；EMCCD12、致冷器13、致冷器导热结构14、CCD电路板20位于密封腔壳体18与密封腔底座19形成的密封腔内；通过抽气阀门15抽真空使得密封腔保持真空状态；EMCCD12通过导热胶粘接在致冷器13冷面上，EMCCD12的管脚通过引线焊接至CCD电路板20上，CCD电路板20的输入输出信号通过气密接插件16引出至密封腔外与视频电路相连；致冷器13热面通过冷焊材料焊接在致冷器导热结构14上，致冷器13的冷端和热端粘贴热敏电阻21；致冷器导热结构14安装在密封腔底座19上方。
EMCCD图像噪声计算公式如下：
其中F为额外噪声因子，σsignal为光子散粒噪声，由光子入射及光电转换的随机性造成的，σdark为温度强相关性的芯片暗噪声，，σcic为时钟赝噪声，σDSNU为暗电流不均匀性，Nread为读出噪声，G为电子倍增倍数。当电子倍增倍数足够大时(如数百倍)，读出噪声被抑制到可以忽略，系统的主要噪声源来自芯片的暗电流，因此必须采取致冷措施，通过仿真计算，要保持恒星识别所需的信噪比，需将EMCCD的温度降低至-15℃。
EMCCD采用半导体致冷，致冷器13热面通过冷焊材料焊接在导热结构上，焊接温度不超过117℃。致冷器采用多级半导体致冷器，在设计的热负载情况下，致冷电流约为0.9A时，可实现最大致冷温差60℃，最大致冷功耗约为4W。FPGA根据热敏电阻采集的温度利用数字PID控制算法输出致冷控制量，通过对致冷器冷面EMCCD芯片的温度反馈量，控制其温度稳定在-15℃±2℃。
为解决大气环境下EMCCD低温结露的问题，整个成像组件设计成一个真空密闭腔体，将EMCCD密封在腔体内。气密接插件采用三段式设计，分别为内插头、外插头和中间插座，内外插头为孔式压接端接，中间插座为针式玻璃烧结密封，插座沉入密封腔壳体中，通过焊接的方式实现接触面的密封。密封腔组件安装完毕后通过抽气阀门抽真空，并通过氦质谱检测气密效果，整个密闭腔体的泄露率不大于1×10-4Pa·cm3/s。
本发明的视频电路如图2所示，包括FPGA、高速DAC、高压驱动模块、时钟驱动模块、图像采样模块和致冷器驱动模块。FPGA通过高速DAC和高压驱动模块输出幅值和相位可调的倍增时钟信号至EMCCD，FPGA通过时钟驱动模块输出驱动时钟信号至EMCCD，FPGA输出采样时序信号至图像采样模块，控制图像采样模块采集EMCCD输出的模拟图像信号并转换成数字图像信号后输出给FPGA，由FPGA完成星点提取。FPGA根据热敏电阻采集的温度输出致冷控制量至致冷器驱动模块，致冷器驱动模块产生相应的致冷电流并输出至致冷器。
由于EMCCD的电子倍增功能由其倍增时钟信号控制，其倍增时钟信号的幅值和相位决定了EMCCD的电子倍增倍数，因此本发明设计了一种幅值和相位可调的正弦波驱动电路来实现EMCCD的倍增时钟信号驱动(见图2所示)。FPGA通过控制正弦波数字序列的输出顺序实现正弦波的相位调节，可对EMCCD的倍增倍数进行精调。由于EMCCD的像素正常读出速率为10MHz，快速读出速率为40MHz，因此FPGA输出正弦波数字序列部分和高速DAC模块的速率采用400MHz以上，以保证相位调整的精度。FPGA通过控制高压驱动模块的放大倍数实现正弦波的幅值调节，可对EMCCD的倍增倍数进行粗调，倍增倍数调节档位设计为8档，调节电压幅值范围为41.6～50.8V，调节步长为1.15V。
EMCCD电子倍增倍数的调节流程如图3所示，包括如下步骤：
(1)获取信噪比下限值SNR0-和上限值SNR0+；SNR0-和SNR0+为已知量；
(2)获取调整方向标志UpDown，1为增大信噪比，0为减小信噪比；调整方向标志根据实际情况事先设定，对本发明来说是已知量；
(3)采集星图并完成星图提取及排序，计算最亮N(一般取5～10)颗星的平均信噪比SNR1；
(4)判断SNR1是否在[SNR0-,SNR0+]内；如果在[SNR0-,SNR0+]内，则结束调节；如果不在[SNR0-,SNR0+]内，则判断调整方向标志UpDown，若UpDown＝1，则认为需要提高电子倍增倍数，转入步骤(5)；若UpDown＝0，则认为需要降低电子倍增倍数，转入步骤(6)；
(5)若SNR1<SNR0-时，通过粗调增大电子倍增倍数，即高压驱动模块的放大倍数调大1档，然后返回步骤(3)；若SNR1>SNR0+时，通过精调减小电子倍增倍数，即FPGA输出正弦波序列相位调小1档，然后返回步骤(3)；
(6)若SNR1>SNR0+时，通过粗调减小电子倍增倍数，即高压驱动模块的放大倍数调小1档，然后返回步骤(3)；若SNR1<SNR0-时，通过精调增大电子倍增倍数，即FPGA输出正弦波序列相位调大1档，然后返回步骤(3)。
针对EMCCD读出速度不高的特点，本发明设计了一种快速窗口图像读出时序(如图4所示)，可大幅减小星图读取时间，提高星敏感器的数据更新率和动态性能。星敏感器进入跟踪模式后，仅读出EMCCD探测的窗口图像，假设图像阵列为1024×1024，星敏感器在一幅星图中开20个窗口，每个窗口取20×20像素，则窗口图像在一副完整的星图中最多占用400行像素(所有窗口行方向不重叠)，其余最少624行非窗口内的图像可以直接快速泄放；对于一行窗口内的1024个列像素而言，仅有20～400个像素需要读出并采样，因此可采用变时钟速率的方式，对窗口内的像素则采用慢速时钟读出以降低其读出噪声，对窗口外的像素采用快速时钟读出并无需采样。另外，图4中的减速部分设计是考虑到，快速读出时的EMCCD的电荷转移效率不高，可能造成残留电荷影响，因此在预测跟踪窗口位置的基础上向左扩大2个像素，以便提前进行慢速读出，即称为减速，减速可以避免窗口外像素快速读出时对窗口内像素的读出造成影响。
假设星敏感器跟踪模式下窗口数量为20个，窗口大小为20×20像素，窗口内像素以10MHz读出，窗口外像素以40MHz读出，则整个窗口图像读出时间约为18ms，可实现50Hz的图像刷新率。窗口星点提取及姿态计算采用FPGA实现，星敏感器数据刷新率可达50Hz。
根据本发明的星敏感器样机可达到如下指标：视场：20°，极限跟踪角速度：25°/s，数据更新率：50Hz，静态灵敏度：8.5Mv，动态精度：0.6°/s角速度下光轴精度优于2”(3σ)，2°/s～10°/s条件下，光轴精度优于30″(3σ)。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种基于EMCCD的高动态星敏感器，包括成像组件和视频电路；其特征在于，
成像组件包括光学系统(11)、EMCCD(12)、致冷器(13)、致冷器导热结构(14)、抽气阀门(15)、气密接插件(16)、O形橡胶圈(17)、密封腔壳体(18)、密封腔底座(19)、CCD电路板(20)和热敏电阻(21)；视频电路包括FPGA、高速DAC、高压驱动模块、时钟驱动模块、图像采样模块和致冷器驱动模块；
光学系统(11)用于收集恒星光学信号，并成像在EMCCD(12)的焦面上；EMCCD(12)可根据倍增时钟信号对恒星光学信号进行电子倍增，转换成增强的模拟图像信号，EMCCD(12)的电子倍增倍数能够通过FPGA实现在线调节；致冷器(13)用于对EMCCD(12)进行致冷；密封腔壳体(18)安装在密封腔底座(19)上方，在密封腔壳体(18)上安装抽气阀门(15)，光学系统(11)位于密封腔壳体(18)上方；密封腔壳体(18)侧面安装气密接插件(16)；光学系统(11)的镜片与密封腔壳体(18)之间通过O形橡胶圈(17)密封，密封腔壳体(18)与密封腔底座(19)之间、抽气阀门(15)与密封腔壳体(18)之间都通过O形橡胶圈(17)密封；EMCCD(12)、致冷器(13)、致冷器导热结构(14)、CCD电路板(20)位于密封腔壳体(18)与密封腔底座(19)形成的密封腔内；通过抽气阀门(15)抽真空使得密封腔保持真空状态；EMCCD(12)通过导热胶粘接在致冷器(13)冷面上，EMCCD(12)的管脚通过引线焊接至CCD电路板(20)上，CCD电路板(20)的输入输出信号通过气密接插件(16)引出至密封腔外与视频电路相连；致冷器(13)热面焊接在致冷器导热结构(14)上，致冷器(13)的冷端和热端粘贴热敏电阻(21)；致冷器导热结构(14)安装在密封腔底座(19)上方；
FPGA通过高速DAC和高压驱动模块输出幅值和相位可调的倍增时钟信号至EMCCD(12)，FPGA通过时钟驱动模块输出驱动时钟信号至EMCCD(12)，FPGA输出采样时序信号至图像采样模块，控制图像采样模块采集EMCCD(12)输出的模拟图像信号并转换成数字图像信号后输出给FPGA，FPGA根据热敏电阻(21)采集的温度输出致冷控制量至致冷器驱动模块，致冷器驱动模块产生相应的致冷电流并输出至致冷器(13)。
2.如权利要求1所述的基于EMCCD的高动态星敏感器，其特征在于：FPGA输出正弦波数字序列，通过高速DAC转换成模拟正弦波信号，该模拟正弦波信号通过高压驱动模块进行放大后输出倍增时钟信号至EMCCD(12)，实现电子倍增功能；FPGA通过控制正弦波数字序列的输出顺序实现正弦波的相位调节，对EMCCD(12)的电子倍增倍数进行精调，通过控制高压驱动模块的放大倍数实现正弦波的幅值调节，对EMCCD(12)的电子倍增倍数进行粗调。
3.如权利要求2所述的基于EMCCD的高动态星敏感器，其特征在于：在需要提高电子倍增倍数时，
FPGA采集数字图像并提取星点信息，根据最亮的N颗星计算星点图像的平均信噪比SNR1，若SNR1<SNR0-时，通过粗调增大电子倍增倍数；若SNR1>SNR0+时，通过精调减小电子倍增倍数；若SNR1在[SNR0-,SNR0+]内时结束调节；SNR0-为信噪比下限值，SNR0+为信噪比上限值。
4.如权利要求2所述的基于EMCCD的高动态星敏感器，其特征在于：在需要降低电子倍增倍数时，FPGA采集数字图像并提取星点信息，根据最亮的N颗星计算星点图像的平均信噪比SNR1，若SNR1>SNR0+时，通过粗调减小电子倍增倍数，若SNR1<SNR0-时，通过精调增大电子倍增倍数，SNR1在[SNR0-,SNR0+]内时结束调节，SNR0-为信噪比下限值，SNR0+为信噪比上限值。
5.如权利要求1所述的基于EMCCD的高动态星敏感器，其特征在于：FPGA对EMCCD(12)输出的模拟图像信号进行逐行采样，根据设定的窗口位置判断模拟图像信号中当前行是否在窗口内，如果当前行不在窗口内，则FPGA控制EMCCD(12)直接快速泄放该行内的像素电荷，同时控制图像采样模块不采样该行的像素；如果当前行在窗口内，则对其列坐标进行判读，如果不是窗口内的列，则FPGA控制EMCCD(12)以第一时钟频率输出像素电荷，同时控制图像采样模块不进行采样；如果是窗口内的列，则FPGA控制EMCCD(12)以第二时钟频率输出像素电荷，同时控制图像采样模块对这些窗口内的像素进行采样，并使能图像输出行有效信号，以便FPGA对图像采样模块输出的数字图像信号进行图像采集和处理；第一时钟频率比第二时钟频率快。
6.如权利要求5所述的基于EMCCD的高动态星敏感器，其特征在于：所述设定的窗口的列坐标比预测跟踪窗口的列坐标向左移动2个像素。
7.如权利要求1所述的基于EMCCD的高动态星敏感器，其特征在于：所述致冷器(13)为多级半导体致冷器，FPGA根据热敏电阻(21)采集的温度利用数字PID控制算法输出致冷控制量，使得EMCCD(12)的温度稳定在-15℃±2℃。
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