CN105806362A - 一种ccd探测器辐射效应试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCD探测器辐射效应试验装置，包括光电探测板和数据处理板。光电探测板由探测器电路、驱动电路和图像采集电路三部分组成，数据处理板由电源电路和处理器电路两部分组成。本发明解决了CCD探测器在辐射效应模拟试验中数据处理电路受辐照源影响而不能真实测量CCD探测器的光电参数随辐照剂量变化规律的问题，同时利用本发明还能同时对6片CCD探测器进行辐照模拟试验，单次实现CCD探测器不同工作状态下性能参数随辐照剂量变化规律的测量。

Description

一种CCD探测器辐射效应试验装置

技术领域

本发明涉及空间电磁环境辐射领域，更具体地，涉及一种航天器星敏感器所用的CCD探测器抗空间辐射效应能力测试的试验装置及方法。

背景技术

高精度星敏感器作为航天器姿态确定的一种重要手段，具有精度高、稳定性好以及误差不随时间累计等优点，因而广泛应用于大型卫星、空间站以及新型航天器，是实现这类航天器姿态确定的核心单机。星敏感器按功能可分为光学单元、成像单元、数据处理单元和数据交换单元。其中成像单元是星敏感器的核心部分，主要负责探测恒星光子，拍摄高信噪比的恒星图像以供数据处理单元进行星图识别匹配。成像单元所用的探测器芯片主要有CCD和CMOS两种。其中CCD器件容易受空间环境中的射线、X射线、电子、离子以及质子等高能粒子的影响，经过长时间空间辐射后表现出暗电流增大、饱和输出电压降低、光辐射响应度下降、电荷转移效率（CTE）降低、响应非均匀性增大等不期望的现象，导致所成图像的性噪比降低，动态范围缩小，固态图片噪声增大，进而造成恒星质心提取不准，甚至星图无法识别等问题，严重影响星敏感器姿态测量精度。为此需要开展CCD探测器的空间辐射效应研究，获取辐射剂量与CCD性能参数之间的定量关系，为长寿命、高可靠的星敏感器设计提供基础支撑。

目前，主要采用地面高能粒子源模拟空间辐射环境，获取CCD探测器的辐射变化规律。由于在地面模拟试验中，除CCD探测器外，数据处理电路也会对辐照源敏感，导致不能准确测量CCD探测器的参数与辐照剂量的关系。

发明内容

本发明所要解决的问题是CCD探测器在地面辐照试验中，由于处理器电路受辐照源感扰，导致无法准确获取CCD探测器的性能参数与辐照剂量的关系；为解决所述问题，本发明提供了一种CCD探测器辐射效应试验装置及方法。

本发明提供的CCD探测器辐射效应试验装置包括：光电探测板和数据处理板。

所述光电探测板包括探测器电路、驱动电路和图像采集电路：探测器电路利用电阻、电容设置合理的偏置及退耦，采用射级跟随器将CCD探测器的输出端与后级电路隔离，输出CCD探测器视频信号模拟量；驱动电路将所述数据处理板产生的TTL时序信号转换为满足CCD探测器要求的驱动电平，驱动探测器产生光电信号模拟量；图像采集电路对原始的CCD探测器信号进行处理，通过前级滤波、暗电平钳位、信号放大、相关双采样等降低复位、电源波动及噪声等对成像质量的影响，并通过A/D转换器将CCD探测器输出的模拟量信号转化为数字量信号，传送给所述数据处理板。

所述数据处理板包括电源电路和处理器电路：电源电路主要将辐射效应试验装置外接一次电源转化为内部所需的各路二次电源，同时实现装置中二次地线与一次地线的隔离；处理器电路主要将光电探测板传来的数据通过解算、星图匹配等手段转化为航天器姿态四元数，本装置中采用DSP+FPGA的技术架构，其中FPGA主要实现逻辑管理、硬件处理、译码、异步通讯转换等功能，DSP主要用于数据处理计算。

与现有技术相比，本发明的优点在于，本发明提供的CCD探测器辐射效应试验装置将光电探测电路和数据处理电路分别设计成两块独立的电路板，辐照试验时只需将光电探测板放入辐射源，而将数据处理板置于辐射源外，通过连接器实现两者的通信，最大程度地减少辐射源对数据处理电路的影响，准确反映CCD探测器受辐照后的参数变化规律。

另外，本发明所提供的装置可以同时对6片CCD探测器进行辐照试验，其中，2片处于正常工作状态，2片处于仅加偏置电压不工作状态，2片处于不加电不工作状态，因此可单次实现CCD探测器在不同工作状态下受辐照后的参数变化曲线的测量。

附图说明

图1是本发明提供的试验装置整体原理图；

图2是本发明提供的试验装置中光电探测板原理图；

图3是本发明提供的试验装置中光电探测板驱动时序状态机。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的原理图，主要由二次电源模块、数字处理模块、驱动模块、视频信号处理模块及CCD模块构成。根据图1所示的原理图，将试验装置的硬件电路设计成二块印制板，分别是光电探测板和数据处理板。

1、光电探测板设计

光电探测板包括探测器电路、驱动电路和图像采集电路。

1）探测器电路

探测器电路利用电阻、电容设置合理的偏置及退耦，采用射级跟随器将CCD探测器输出端与后级电路隔离，输出探测器视频信号模拟量；

2）驱动电路

驱动电路将所述数据处理板产生的TTL时序信号转换为满足CCD探测器要求的驱动电平，驱动探测器产生光电信号模拟量。驱动电路中时序脉冲产生电路是整个驱动电路设计的关键所在，主要负责产生CCD正常工作所需的驱动时序，提供信号预处理电路所需的嵌位和采样/保持等脉冲信号，同时产生同步控制逻辑时序，协调图像处理、压缩、存储与前端CCD光信息采集和转移输出过程同步进行。

CCD探测器按照一帧图像的产生、转移及输出过程，可以分为感光、帧转移、行转移、像素移位输出等四个阶段，因此所设计的一个驱动时序状态机如图3所示，当上电（或者复位）按键被按下时，状态机处于复位状态(IDLE)，等待一定的延时后进入帧时序，帧时序的开始为帧转移状态，此时将成像区所有的电荷转移到存储区，等待转移完成后结束帧转移状态进入行转移状态，此时存储区的像素逐行下移到输出移位寄存器内。每次进入行转移状态时，行计数器加1，若行计数器的值和设定的电子快门的值相同，进入电子快门状态，等待完成电子快门后继续进行行转移。一行转移状态结束后进入像素输出转移状态。像素输出状态结束后继续进入行转移状态，直到所有的行都转移完成后进入复位状态，紧接着开始下一帧的时序。

3）图像采集电路

图像采集电路对原始的CCD探测器信号进行处理，通过前级滤波、暗电平钳位、信号放大、相关双采样等，降低复位、电源波动及噪声等对成像质量的影响，并通过A/D转换器将CCD探测器输出的模拟量信号转化为数字量信号，传送给所述数据处理板。

2、数据处理板

数据处理板包括电源电路和处理器电路。

1）电源电路

电源电路主要将整个辐射效应试验装置的一次电源转化为内部所需的各路二次电源，同时实现装置中二次地线与一次地线的隔离；

2）处理器电路

采用DSP+FPGA的技术架构构建高速数字运算处理电路，内总线采用3.3VI/O方式。其中，FPGA产生驱动时序控制信号，驱动CCD器件进行图像采集，并进行背景灰度阈值提取、数据转换、实时星点细分定位等预处理，得到恒星星点的位置和亮度信息，将该信息传送给DSP进行星图识别和星体目标的跟踪，实时解算并输出姿态信息。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种CCD探测器辐射效应试验装置，其特征在于，包括：光电探测板和数据处理板；

所述光电探测板包括探测器电路、驱动电路和图像采集电路；

所述的探测器电路利用电阻、电容设置合理的偏置及退耦，采用射级跟随器将CCD探测器输出端与后级电路隔离，输出探测器视频信号模拟量；所述的驱动电路将所述数据处理板产生的TTL时序信号转换为满足CCD探测器要求的驱动电平，驱动探测器产生光电信号模拟量；所述的图像采集电路对原始的CCD探测器信号进行处理，通过前级滤波、暗电平钳位、信号放大、相关双采样等，降低复位、电源波动及噪声对成像质量的影响，并通过A/D转换器将CCD探测器输出的模拟量信号转化为数字量信号，传送给所述数据处理板；

所述的数据处理板包括电源电路和处理器电路；

所述的电源电路实现辐射效应试验装置外接一次电源转化为内部所需的各路二次电源，同时实现装置中二次地线与一次地线的隔离；所述的处理器电路将光电探测板传来的数据通过解算、星图匹配等手段转化为用于航天器姿态确定的四元数，采用DSP+FPGA的技术架构构建高速数字运算处理电路，FPGA用于实现逻辑管理、硬件处理、译码、异步通讯转换功能，DSP用于星图识别和星体目标的跟踪，实时解算并输出姿态信息。

2.根据权利要求1所述的CCD探测器辐射效应试验装置，其特征在于，所述驱动电路中时序脉冲产生电路负责产生CCD正常工作所需的驱动时序，提供信号预处理电路所需的嵌位和采样/保持等脉冲信号，同时产生同步控制逻辑时序，协调图像处理、压缩、存储与前端CCD光信息采集和转移输出过程同步进行。

3.根据权利要求1所述的CCD探测器辐射效应试验装置，其特征在于，所述DSP+FPGA的技术架构构建高速数字运算处理电路的内总线采用3.3VI/O方式，FPGA产生驱动时序控制信号，驱动CCD器件进行图像采集，并进行背景灰度阈值提取、数据转换、实时星点细分定位预处理，得到恒星星点的位置和亮度信息，将该信息传送给DSP进行星图识别和星体目标的跟踪，实时解算并输出姿态信息。