CN106501701A - 一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置及方法，通过辐照试验系统在低剂量率的情况下使用⁶⁰Co‑γ辐射源对光电探测器进行辐照试验；通过移位测试系统将辐照过的光电探测器移出辐照环境，完成图像的采集和图像参数的计算。本发明通过为探测器的正常工作提供合适的驱动时序，以可变光源提供不同的光照强度，由积分球模拟均匀光源，采用Camera link接口对探测器输出图像实时采集，采用光电参数解算单元进行光电参数的计算、辐照前后试验数据的比对，快速准确地实现对探测器抗辐照能力的定量评价。

Description

一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置及方法

技术领域

本发明涉及星敏感器的光电探测器检测技术，特别涉及一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置及方法。

背景技术

光电探测器作为星敏感器上的成像单元，主要包括CCD器件和CMOS图传感器两大类，核心功能是获取实际星空中的星点图像。星图质量的好坏直接作用在星敏感器后续的图像处理、星图识别、姿态解算，最终影响星敏感器的三轴姿态精度。

星敏感器主要应用在卫星、飞船等飞行器上，所处空间环境复杂。现在飞行器一般的任务需求是8年，甚至15年。星敏感器长时间在空间环境中工作，将遭遇地球辐射带、太阳宇宙射线、银河射线、等离子体等电磁辐射环境。这些离子辐射环境还随太阳活动和地磁活动而变化，会对星敏感器关键部件——光电探测器产生电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应、表面充/放电效应等空间辐射效应，造成光电参数饱和输出电压、暗噪声、暗信号、信噪比和响应非均匀性变差。这将导致星敏感器获得噪声大、信噪比小、均匀性差的图像，造成星点识别质心定位精度差，姿态测量精度不稳定等一系列问题。

目前，国内星敏感器光电探测器的抗辐照性能主要采用功能分析的方法，简单的检查图像质量的好坏，并且整机产品和光电探测器的一起经历辐照试验。故障发生后，很难定量分析辐照总剂量增加与探测器性能参数的一一对应关系。因此有必要开展光电探测器抗辐照性能的定量检测，确定空间环境辐射剂量与光探测器性能的对应关系，为星敏感器的高可靠长寿命提供技术支撑。

发明内容

本发明所要解决的问题是如何通过地面不同剂量率的⁶⁰Co-γ射线源辐照试验和位移损伤试验，确定空间辐照能量对光电探测器性能参数变化的定量影响，检测出探测器光电参数变化对星敏感器采集的星图质量的定量影响。

为解决所述问题，本发明提供了一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置及方法，基于光电探测器抗辐照效应的特点，结合辐照试验的移位测试方法和数字图像的实时采集、数据处理，快速检测出辐照试验前后星敏感器光电探测器指标参数的变化情况，准确得出光电探测器的抗辐照指标数据。

为了实现上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其中包含辐照试验系统和移位测试系统；

所述辐照试验系统使用以⁶⁰Co-γ为射线源的辐射源，对光电探测器进行辐照试验；

所述移位测试系统在辐照试验之后对光电探测器进行移位测试，设置有光电探测器测试电子线路板为光电探测器提供工作所需的相应驱动时序，通过图像采集板卡实时采集不同光照条件下光电探测器的输出图像，由光电参数解算单元根据输出图像进行光电参数的计算，得出光电探测器的抗辐照指标数据。

优选地，其特征在于，以光照强度可调的可变光源和模拟均匀光源的积分球作为光源，为光学探测器提供不同的光照条件。

优选地，所述图像采集板卡通过设置的Camera link接口采集图像信息；采集的图像信息，包含光电探测器的哑像元、暗像元和有效图像像元。

优选地，所述移位测试系统通过设置支撑架，在辐照试验之后进行移位测试时对光电探测器进行安装和固定。

优选地，所述光电探测器为CCD探测器和APS型探测器。

优选地，所述辐照试验系统设置有供电和工作状态监测装置，为光电探测器的试验电路供电，并对光电探测器的图像输出状态进行检测。

优选地，所述光电探测器测试电子线路板设置有FPGA，为光电探测器相应提供在不加电、静态工作、偏置工况、正常工作状态下的时序控制；

通过与FPGA信号连接的驱动电路，为光电探测器提供偏置工况和正常工作状态下所需要的工作电压和驱动电流。

优选地，所述FPGA通过视频处理电路与光电探测器信号连接，接收由所述视频处理电路进行模数转换后的图像信号进行存储，并基于Camera link标准的通讯协议与所述图像采集板卡的Camera link接口信号连接以传送图像信号；所述FPGA还与向光电探测器提供偏置电压的电源模块信号连接，对所述电源模块进行控制。

优选地，所述定量检测装置在同一测试基板上，设置有分别处在静态工作、偏置工况、正常工作状态下的三路光电探测器；在辐照试验中所述测试基板的光电探测器处于由辐射源产生的辐射环境，且对所述定量检测装置的其他部件进行屏蔽。

本发明的另一个技术方案是提供一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测方法，使用上述任意一种定量检测装置实现：以⁶⁰Co-γ为射线源的辐射源，在辐射环境对光电探测器进行辐照试验；

在辐照环境之外，对辐照前后的光电探测器分别进行移位测试，采集不同光照条件下光电探测器的输出图像进行光电参数的计算，得出光电探测器的抗辐照指标数据，进行辐照前后试验数据的比对及光电探测器的一致性检测；

所述光电参数，包含：光电探测器暗信号、暗噪声、固态图片噪声、辐射响应度、响应线性度、饱和输出电压，响应非均匀性、转移效率、光谱响应。

本发明所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置及方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

在实际试验过程中，为了保证试验有效，辐照源中只有待测光电探测器，要实现实时测量，需要其他辅助测试设备，而大多数测试设备多为工业级设备，在辐照环境中不能长时间工作，这就给测量带来了极大困难，许多参数无法获得。根据辐照试验的累计效应，辐照试验结束后一段时间内，进行移位测试同样可以反映出元器件的抗辐照能。

为此，本发明的装置采用移位测试方法，将辐照过的探测器移出辐照环境进行信号测量；通过光电探测器辐照前后的光电参数测量，可以计算出辐照前后光电探测器的相关光电参数变化情况。

本发明借鉴辐照试验的移位测试方法，有效避免在辐照试验的实时测试过程中采集光电探测器图像信息时存在的测试设备和条件限制，避免在试验中对辐照剂量率与实际空间环境中低剂量辐射的换算，使得本发明对光电探测器的试验简便、数据测试完整。

本发明可以快速检测出在不同剂量率条件下，辐照剂量对探测器暗信号、暗噪声、固态图片噪声、辐射响应度、响应线性度、饱和输出电压，响应非均匀性、转移效率、光谱响应等参数的影响，获得光电探测器的抗辐照指标和光电探测器的一致性检测。

本发明在测试基板上设置了多路光电探测器的测试点，各路探测器电路实现和接口完全一致，可以实现多片探测器在同一工况、不同工况下的测试，用于试验数据比对和芯片一致性检测，使试验测试结果真实有效，节约时间、试验成本。

本发明通过积分球、可调光源、高速图像采集电路的配合，可以实时获得不同光照条件的图像数据，进行光电参数的计算、辐照前后试验数据的比对，有效获取大量数据可以进一步确定试验结果的有效性。

附图说明

图1为光电探测器抗辐照性能的定量检测装置的框图。

图2为光电探测器抗辐照性能的定量检测装置的电子学原理图。

图3为所述定量检测装置的执行流程图。

具体实施方式

本发明提出的星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其原理框图如图1所示，包含辐照试验系统和移位测试系统。辐照试验系统包括辐照源1、待辐照的光电探测器2、供电和工作状态监测装置3；移位测试系统包含支撑架4、光电探测器测试电子线路板5、积分球6、可变光源7、图像采集板卡8和光电参数解算单元9。

辐照试验系统能够在低剂量率的情况下完成待测试元器件的辐照试验。一般使用的辐射源1： ⁶⁰Co-γ射线源；辐照剂量率：5rad(si)/s；辐照总剂量：60Krad(si)，80Krad(si)（满足长寿命应用需求）；辐照试验环境：室温25℃，大气环境。待辐照的光电探测器2为CCD探测器和APS型探测器。供电和工作状态监测装置3主要实现给试验电路供电，对探测器的图像输出状态进行检测，确保试验顺利完成。

移位测试系统主要负责完成图像的采集和图像参数的计算。其中，支撑架4用于辐照试验后，进行移位测试时，作为对待测探测器安装和固定的支撑工装。光电探测器测试电子线路板5，为探测器的正常工作提供合适的驱动时序。积分球6用于模拟均匀光源；可变光源7提供不同的光照强度。图像采集板卡8采用高速图像采集接口Camera link接口，实现探测器输出图像的实时采集。光电参数解算单元9，可布置于上位机，利用上一步采集的不同工况下的图像，通过分析计算饱和输出电压、暗噪声、暗信号、固态图像噪声、辐射响应度、信噪比和响应非均匀性等参数，对探测器抗辐照能力进行定量评价，以便针对薄弱环节进行抗辐加固设计，为后续高可靠的要求提供数据支撑。

其中，基于积分球6、可变光源7及其调整机构、图像采集板卡8的配合，可以实现不同光照强度下的图像采集，工作的基本原理是采用积分球6作为均匀漫射光源，模拟实际的星点光源，该光源由可变光源7组成，通过调整实现不同亮度等级的等色温连续输出。通过图像采集板卡8采集不同光照强度下的图像，并由此计算得到光电探测器的相关光电参数。

图像采集板卡8所使用的Camera link接口，能够实现控制器并行单端逻辑电平与Camera Link标准中采用的LVDS并行传输电平的转换。实际设计中，接口芯片采用DS90CR287A，时钟频率可以高达85MHz，可实现图像数据的实时采集，有利于数据分析。基于Camera link接口实时采集的图像信息中，包含探测器的哑像元、暗像元和有效图像像元。根据光源的具体能量大小和待测探测器实际积分时间可以算出探测器接收的实际光能量，结合图像中亚像元、暗像元和有效图像像元，可以计算得到光电探测器的相关光电参数。

光电探测器测试电子线路板5作为非标准设备，需要进行专项设计，其具体的电子学设计原理如图2所示。本发明中包含两块PCB印制板，PCB_1为待辐照探测器辐照板，为了验证探测器在不同工况下的辐照情况，设计了3个光电探测器电路，可以分别为静态、偏置和正常工作三种工况，按照插座设计，还可以进行插拔替换，辐照时能够在同一条件下进行辐照试验。

三个光电探测器电路完全一致，作为一个独立部分制作在这一个印制板PCB_1上。这样可以同时完成三片探测器的测量，排除多次试验过程中试验条件不一致的干扰，实现探测器一致性比对和筛选。在实际辐照测试中可以只对光电探测器进行辐照，而将其余的硬件电路都使用铅砖屏蔽，防止辐射源的干扰。

另一印制板PCB_2实现探测器时序、偏压等控制、视频信号处理、图像采集等功能，其整个电子学硬件基于FPGA进行开发，产生探测器需要的不同工况下的驱动时序，从视频处理电路接收AD转换后的视频信号进行数据采集并存储至数据存储模块，基于CameraLink标准的通信协议与高速Camera link接口通信以传送采集到的数据，通过电源控制模块控制电源模块产生三片探测器需要的偏置电压。

其中，采用FPGA与驱动电路的架构，实现对光电探测器不同工况的控制：通过FPGA实现光电探测器不加电、静态工作、偏置工况和正常工作等状态的时序控制；驱动电路实现探测器偏置和正常工作所需要的工作电压和驱动电流，实现了电子学小型化和灵活性。

本发明所述定量检测装置的执行流程图，如图3所示。系统上电后，FPGA完成自检、初始化设置后，产品进入待机状态；当接收到上位机的输入配置信息后，选择探测器的型号、偏置电压和驱动时序配置，检测配置正确后，探测器上电。对视频信号进行相关双采样、完成模拟信号的数字化处理。上位机通过Camera link接口完成图像数据的实时采集。通过参数分析软件完成光电参数的计算（计算内容包含暗信号、暗噪声、固态图片噪声、辐射响应度、响应线性度、饱和输出电压，响应非均匀性、转移效率、光谱响应等），输出测试结果。最后接收上位机指令后，测试系统断电，测试结束。

本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，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，都可以利用上述描述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 (10)

1.一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，包含辐照试验系统和移位测试系统；

所述辐照试验系统使用以⁶⁰Co-γ为射线源的辐射源，对光电探测器进行辐照试验；

所述移位测试系统在辐照试验之后对光电探测器进行移位测试，设置有光电探测器测试电子线路板为光电探测器提供工作所需的相应驱动时序，通过图像采集板卡实时采集不同光照条件下光电探测器的输出图像，由光电参数解算单元根据输出图像进行光电参数的计算，得出光电探测器的抗辐照指标数据。

2.如权利要求1所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，以光照强度可调的可变光源和模拟均匀光源的积分球作为光源，为光学探测器提供不同的光照条件。

3.如权利要求1所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，所述图像采集板卡通过设置的Camera link接口采集图像信息；采集的图像信息，包含光电探测器的哑像元、暗像元和有效图像像元。

4.如权利要求1所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，所述移位测试系统通过设置支撑架，在辐照试验之后进行移位测试时对光电探测器进行安装和固定。

5.如权利要求1所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，所述光电探测器为CCD探测器和APS型探测器。

6.如权利要求1所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，所述辐照试验系统设置有供电和工作状态监测装置，为光电探测器的试验电路供电，并对光电探测器的图像输出状态进行检测。

7.如权利要求1~6中任意一项所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，

所述光电探测器测试电子线路板设置有FPGA，为光电探测器相应提供在不加电、静态工作、偏置工况、正常工作状态下的时序控制；

通过与FPGA信号连接的驱动电路，为光电探测器提供偏置工况和正常工作状态下所需要的工作电压和驱动电流。

8.如权利要求7所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，所述FPGA通过视频处理电路与光电探测器信号连接，接收由所述视频处理电路进行模数转换后的图像信号进行存储，并基于Camera link标准的通讯协议与所述图像采集板卡的Camera link接口信号连接以传送图像信号；所述FPGA还与向光电探测器提供偏置电压的电源模块信号连接，对所述电源模块进行控制。

9.如权利要求8所述星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测装置，其特征在于，所述定量检测装置在同一测试基板上，设置有分别处在静态工作、偏置工况、正常工作状态下的三路光电探测器；在辐照试验中所述测试基板的光电探测器处于由辐射源产生的辐射环境，且对所述定量检测装置的其他部件进行屏蔽。

10.一种星敏感器光电探测器抗辐照性能的定量检测方法，其特征在于，使用权利要求1~9中任意一项所述的定量检测装置，以⁶⁰Co-γ为射线源的辐射源，在辐射环境对光电探测器进行辐照试验；

在辐照环境之外，对辐照前后的光电探测器分别进行移位测试，采集不同光照条件下光电探测器的输出图像进行光电参数的计算，得出光电探测器的抗辐照指标数据，进行辐照前后试验数据的比对及光电探测器的一致性检测；

所述光电参数，包含：光电探测器暗信号、暗噪声、固态图片噪声、辐射响应度、响应线性度、饱和输出电压，响应非均匀性、转移效率、光谱响应。