CN107273694B - 一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法 - Google Patents

一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，该方法通过对同一天在轨暗场测试采集到的十幅图进行统计，得到十幅图中宇宙射线轨迹总数，然后统计每条宇宙射线轨迹在图像上经过的列数，找出每条宇宙射线轨迹中灰度值最大的像素，以该像素为中心像素，其上下左右各个方向上的像素灰度值逐渐降低，寻找各方向上像素的灰度值介于图像背景灰度值的1.5倍和中心像素灰度值之间的所有像素即为宇宙射线信号源覆盖的像素。通过计算宇宙射线轨迹上所有像素的平均灰度值、宇宙射线上方信号源像素的灰度值总和以及宇宙射线下方信号源像素的灰度值总和，计算出总的电荷转移损失率，以此求出基于该条宇宙射线的电荷耦合器件的单次电荷转移效率。本发明实时性强，方法简单，计算结果准确。

Description

一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试 方法
技术领域
本发明涉及图像传感器检测技术领域，涉及一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法。
背景技术
电荷耦合器件最重要的参数就是电荷群的转移效率，它的高低直接反映器件的设计与工艺水平，器件能否正常工作，性能好坏也主要取决于它。电荷群在电荷耦合器件中转移时受很多因素的影响，使其不能完全地由一个电极下的势阱里转移到另一个电极下的势阱里，总有些损耗，不好的转移效率将造成信号幅度、相位、频率等的失真。因而引起图像模糊不清,畸变很大,直至显不出图像,因而在研制电荷耦合器件时首先就是要测出其转移效率,加以分析后再返回工艺,以提高器件水平。
电荷转移效率是指信号电荷在电荷耦合器件转移沟道内转移时，进行一次电荷转移的过程中，正确转移的电荷与转移前电荷的比值。电荷耦合器件在空间应用时，空间高能粒子会导致电荷耦合器件产生损伤，因此需要了解它在空间辐射环境下敏感参数的实时退化情况，电荷转移效率就是其中一个重要敏感参数。由于在空间应用环境中，不具备地面测试电荷耦合器件电荷转移效率的条件，没有均匀光场，因此扩展像元边缘响应法、首像元响应法不再适用；空间应用环境中也没有X射线辐照及控制装置，X射线堆积线径迹方法也不再适用。现有测试方法均不能对在轨电荷耦合器件的电荷转移效率进行在轨测量。本发明所述的基于宇宙射线的测试方法就能对在轨电荷耦合器件的电荷转移效率进行在轨测试，而且对于电荷耦合器件刚进入空间环境后就能立即利用出现的宇宙射线计算其电荷转移效率。
本发明提出一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，该方法通过对同一天在轨暗场测试采集到的十幅图进行统计，得到十幅图中宇宙射线轨迹总数。然后统计每条宇宙射线轨迹在图像上经过的列数，找出每条宇宙射线轨迹中灰度值最大的像素，以该像素为中心，寻找其邻近像素和邻近像素的邻近像素中符合灰度值大于1.5倍本底条件的所有像素即为宇宙射线信号源覆盖的像素。通过计算宇宙射线轨迹上所有像素的平均灰度值、宇宙射线上方信号源像素的灰度值总和以及宇宙射线下方信号源像素的灰度值总和，根据公式计算出总的电荷转移损失率，以此求出基于该条宇宙射线的电荷耦合器件的单次电荷转移效率。利用上述方法求出剩余宇宙射线对应的单次电荷转移效率，最后计算所求出的单次电荷转移效率的均值，即为在轨电荷耦合器件的电荷转移效率。本发明实时性强，方法简单，可以准确测出空间应用的电荷耦合器件实时电荷转移效率，为表征传感器的性能及变化程度以及对极端环境下性能退化的预测提供了有效可行的方法。
发明内容
本发明的目的在于，在空间应用环境中获得电荷耦合器件电荷转移效率在轨的实时退化情况，提供一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，该方法通过对同一天在轨暗场测试采集到的十幅图进行统计，得到十幅图中宇宙射线轨迹总数。然后统计每条宇宙射线轨迹在图像上经过的列数，找出每条宇宙射线轨迹中灰度值最大的像素，以该像素为中心，其上下左右各个方向上的像素灰度值逐渐降低，寻找各方向上像素的灰度值介于图像背景灰度值的1.5倍和中心像素灰度值之间的所有像素即为宇宙射线信号源覆盖的像素。通过计算宇宙射线轨迹上所有像素的平均灰度值、宇宙射线上方信号源像素的灰度值总和以及宇宙射线下方信号源像素的灰度值总和，根据公式计算出总的电荷转移损失率，以此求出基于该条宇宙射线的电荷耦合器件的单次电荷转移效率。利用上述方法求出剩余宇宙射线对应的单次电荷转移效率，最后计算所求出的单次电荷转移效率的均值，即为在轨电荷耦合器件的电荷转移效率。本发明具有实时性，方法简单，计算结果准确。
本发明所述的一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，具体操作按下列步骤进行：
a、对在轨电荷耦合器件同一天在轨暗场测试采集到的十幅图进行统计，得到十幅图中宇宙射线轨迹总数N；
b、统计每条宇宙射线轨迹在图像上经过的列数Ncolumn；
c、找出每条宇宙射线轨迹中灰度值最大的像素，以该像素为中心像素，其上下左右各个方向上的像素灰度值逐渐降低，寻找各方向上像素的灰度值介于图像背景灰度值的1.5倍和中心像素灰度值之间的所有像素即为宇宙射线信号源覆盖的像素；
d、计算每条宇宙射线轨迹上所有像素的平均灰度值DNaverage；
e、计算每条宇宙射线轨迹上方所有信号源像素的灰度值总和DNup和Ncolumn的比值以及每条宇宙射线轨迹下方所有信号源像素的灰度值总和DNdown和Ncolumn的比值；
f、计算每条宇宙射线相对应的总的电荷转移损失率CTI总，然后求出每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率CTE，其中根据公式(1)计算每条宇宙射线相对应的总的电荷转移损失率CTI总，
Figure GDA0002429749340000021
然后根据公式(2)求出每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率CTE；
Figure GDA0002429749340000031
式(2)中m为转移次数，p为电荷耦合器件的相数；
g、将每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率加和起来求均值CTEaverage，该均值即为在轨电荷耦合器件的电荷转移效率。
步骤a中在轨电荷耦合器件的输出端在上方。
本发明所述的一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，该方法为：
a、对在轨电荷耦合器件同一天在轨暗场测试采集到的十幅图进行统计，得到十幅图中宇宙射线轨迹总数N；
b、统计每条宇宙射线轨迹在图像上经过的列数Ncolumn；
c、找出每条宇宙射线轨迹中灰度值最大的像素，以该像素为中心像素，其上下左右各个方向上的像素灰度值逐渐降低，寻找各方向上像素的灰度值介于图像背景灰度值的1.5倍和中心像素灰度值之间的所有像素即为宇宙射线信号源覆盖的像素；
d、计算每条宇宙射线轨迹上所有像素的平均灰度值DNaverage；
e、计算每条宇宙射线轨迹上方所有信号源像素的灰度值总和DNup和Ncolumn的比值以及每条宇宙射线轨迹下方所有信号源像素的灰度值总和DNdown和Ncolumn的比值；
f、根据公式(1)计算每条宇宙射线相对应的总的电荷转移损失率CTI总，
Figure GDA0002429749340000032
然后根据公式(2)求出每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率CTE；
Figure GDA0002429749340000033
式(2)中m为转移次数，p为电荷耦合器件的相数。
g、将每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率加和起来求均值CTEaverage，该均值即为在轨电荷耦合器件的电荷转移效率。
本发明所述的一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，适用于输出端在上方的电荷耦合器件在轨电荷转移效率测试。本发明实时性强，方法简单，可以准确测出空间应用的电荷耦合器件实时电荷转移效率，为在轨实时表征传感器的性能及变化程度以及对极端环境下性能退化的预测提供了有效可行的方法。
因此本发明适用于需要掌握电荷耦合器件在轨性能的器件研制单位、科研院所和航天载荷单位使用。
附图说明
图1为本发明在轨暗场测试采集到的第一幅图；
图2为本发明在轨暗场测试采集到的第二幅图；
图3为本发明在轨暗场测试采集到的第三幅图；
图4为本发明在轨暗场测试采集到的第四幅图；
图5为本发明在轨暗场测试采集到的第五幅图；
图6为本发明在轨暗场测试采集到的第六幅图；
图7为本发明在轨暗场测试采集到的第七幅图；
图8为本发明在轨暗场测试采集到的第八幅图；
图9为本发明在轨暗场测试采集到的第九幅图；
图10为本发明在轨暗场测试采集到的第十幅图。
具体实施方式
实施例
本发明所述的一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，具体操作按下列步骤进行：
a、对在轨电荷耦合器件(其型号为1K×1K CCD)同一天在轨暗场测试采集到的十幅图进行统计，如图1-图10所示，得到十幅图中宇宙射线轨迹总数N等于12；
b、统计每条宇宙射线轨迹在图像上经过的列数Ncolumn，其值表1第2列所示；
表1电荷耦合器件在轨暗场测试数据
Figure GDA0002429749340000041
c、找出每条宇宙射线轨迹中灰度值最大的像素，以该像素为中心像素，其上下左右各个方向上的像素灰度值逐渐降低，寻找各方向上像素的灰度值介于图像背景灰度值的1.5倍和中心像素灰度值之间的所有像素即为宇宙射线信号源覆盖的像素；
d、计算每条宇宙射线轨迹上所有像素的平均灰度值DNaverage，其值表1第3列所示；
e、计算每条宇宙射线轨迹上方所有信号源像素的灰度值总和DNup和Ncolumn的比值以及每条宇宙射线轨迹下方所有信号源像素的灰度值总和DNdown和Ncolumn的比值，其值分别如表1第4列和第5列所示；
f、根据公式(1)计算每条宇宙射线对应的总的电荷转移损失率CTI总，其值如表1第6列所示；
Figure GDA0002429749340000051
然后根据公式(2)求出每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率CTE，其值如表一第七列所示；
Figure GDA0002429749340000052
式(2)中m为转移次数，其值如表一第八列所示，p为电荷耦合器件的相数，该实施例中p为3相；
g、将每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率加和起来求均值CTEaverage，其值等于0.999139，该均值即为在轨电荷耦合器件的电荷转移效率。
由于空间环境不具备地面测试电荷耦合器件电荷转移效率的均匀光场条件，因此扩展像元边缘响应法、首像元响应法不再适用；空间环境也不具备X射线辐照及控制装置，因此X射线堆积线径迹方法也不再适用。现有测试方法均不能对在轨电荷耦合器件的电荷转移效率进行在轨测量。
本发明所述的一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，该方法具有的效果是对输出端在上方的电荷耦合器件在刚进入空间应用环境时出现宇宙射线后就能立即对其电荷转移效率进行在轨实时测试。
通过在轨暗场采集到的图像，按照本发明提出的方法，就能得到在轨电荷耦合器件的电荷转移效率在轨测试结果，该测试结果与相同器件的地面试验结果对比，在轨电荷耦合器件的电荷转移效率由于空间高能粒子造成的损伤有所退化，本发明的测试结果与理论分析、建模仿真结果相符。

Claims (2)

1.一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，其特征在于具体操作按下列步骤进行：
a、对在轨电荷耦合器件同一天在轨暗场测试采集到的十幅图进行统计，得到十幅图中宇宙射线轨迹总数N；
b、统计每条宇宙射线轨迹在图像上经过的列数Ncolumn；
c、找出每条宇宙射线轨迹中灰度值最大的像素，以该像素为中心像素，其上下左右各个方向上的像素灰度值逐渐降低，寻找各方向上像素的灰度值介于图像背景灰度值的1.5倍和中心像素灰度值之间的所有像素即为宇宙射线信号源覆盖的像素；
d、计算每条宇宙射线轨迹上所有像素的平均灰度值DNaverage；
e、计算每条宇宙射线轨迹上方所有信号源像素的灰度值总和DNup和Ncolumn的比值以及每条宇宙射线轨迹下方所有信号源像素的灰度值总和DNdown和Ncolumn的比值；
f、计算每条宇宙射线相对应的总的电荷转移损失率CTI总，然后求出每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率CTE，其中根据公式(1)计算每条宇宙射线相对应的总的电荷转移损失率CTI总，
Figure FDA0002429749330000011
然后根据公式(2)求出每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率CTE；
Figure FDA0002429749330000012
式(2)中m为转移次数，p为电荷耦合器件的相数；
g、将每条宇宙射线相对应的单次电荷转移效率加和起来求均值CTEaverage，该均值即为在轨电荷耦合器件的电荷转移效率。
2.如权利要求1所述的一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法，其特征在于步骤a中在轨电荷耦合器件的输出端在上方。
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