沈本劍，劉海波，賈 輝，楊建坤，2

（1.國防科技大學(xué)理學(xué)院技術(shù)物理研究所，長(zhǎng)沙410073；2.空間智能控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190）

CCD溫度對(duì)星敏感器星點(diǎn)定位精度的影響

沈本劍1，劉海波1，賈 輝1，楊建坤1，2

（1.國防科技大學(xué)理學(xué)院技術(shù)物理研究所，長(zhǎng)沙410073；2.空間智能控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190）

CCD噪聲是影響星敏感器星點(diǎn)定位精度的誤差源之一，以DV437-BU2型CCD為例，對(duì)CCD的暗電流、暗電流散粒噪聲、暗電流不均勻噪聲等的溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量.研究了CCD溫度對(duì)星敏感器星點(diǎn)定位精度的影響，結(jié)果表明：對(duì)于DV437-BU2型CCD芯片，當(dāng)CCD工作溫度高于300 K時(shí)，降溫可以顯著提高星敏感器星點(diǎn)定位精度，當(dāng)CCD工作溫度低于300 K時(shí)，降溫對(duì)星點(diǎn)定位精度的影響不明顯；當(dāng)溫度由330K降到300K時(shí)，星點(diǎn)定位精度由0.12個(gè)像素提高至0.078個(gè)像素.

CCD；噪聲；星敏感器；定位精度；致冷

星敏感器是一種高精度的姿態(tài)測(cè)量器件，通過探測(cè)天球上不同位置的恒星來確定衛(wèi)星姿態(tài)，提供航天飛行器相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的三軸姿態(tài)［1］.CCD星敏感器是以CCD芯片為光電探測(cè)系統(tǒng)的核心成像原件，其基本工作原理是以恒星為參照物，利用CCD相機(jī)拍攝到的星圖經(jīng)過恒星質(zhì)心提取、星圖識(shí)別和姿態(tài)估算等一系列計(jì)算，確定出星敏感器的視軸在天體空間的瞬時(shí)指向，從而確定飛行器的姿態(tài)［2］.在CCD星敏感器完成一次測(cè)量過程中，星點(diǎn)提取精度的大小對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果有著很大的影響.CCD噪聲是影響星敏感器星點(diǎn)定位精度的誤差源之一，CCD工作溫度是影響CCD噪聲的重要因素.研究CCD工作溫度對(duì)星點(diǎn)定位精度的影響，對(duì)于提高星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度有重要的意義.

美國部分星敏感器采用了致冷工藝，目前研制成功的AST-301星敏感器，采用致冷工藝，其姿態(tài)測(cè)量精度達(dá)0.18″［3］，但未說明其控制的CCD工作溫度.文獻(xiàn)［4］提出了一種新的對(duì)CCD進(jìn)行致冷的方案，但未對(duì)CCD溫度對(duì)星敏感器星點(diǎn)定位精度的影響進(jìn)行研究.

本文采用熱電致冷技術(shù)，以DV437-BU2型CCD為例，進(jìn)行了相關(guān)的CCD噪聲實(shí)驗(yàn).并研究了CCD的噪聲-溫度特性，計(jì)算了CCD溫度對(duì)星敏感器星點(diǎn)定位精度的影響.得到CCD星敏感器合適的工作溫度.

1 CCD噪聲

CCD噪聲包括暗電流散粒噪聲、暗電流不均勻噪聲、讀出噪聲、光子散粒噪聲和光響應(yīng)不均勻噪聲等［5］.本文針對(duì)暗電流散粒噪聲、暗電流不均勻噪聲以及讀出噪聲三種主要噪聲進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn).

暗電流散粒噪聲：半導(dǎo)體熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生載流子，形成暗電流是一種隨機(jī)的過程，可以采用Piosson分布進(jìn)行描述［6］.

暗電流不均勻噪聲：由于CCD各像元在制作工藝上的差異，使得各像元產(chǎn)生的暗電流不是均勻分布的.在CCD陣列中，局部晶格缺陷或雜質(zhì)的存在還可造成暗電流尖峰［7］.在星敏感器應(yīng)用中，暗電流尖峰會(huì)嚴(yán)重影響星敏感器的星點(diǎn)定位精度，因此，必須盡量降低CCD的暗電流不均勻噪聲.

讀出噪聲：信號(hào)電荷通過讀出電路將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為信號(hào)電壓，并進(jìn)行讀出時(shí)，在CCD測(cè)量信號(hào)中也將引入不確定性，所有的這些噪聲成分構(gòu)成讀出噪聲，它代表在量化過程中引入的誤差［8］.

光子散粒噪聲：光照射到CCD光敏區(qū)轉(zhuǎn)換為光電子，產(chǎn)生信號(hào)電荷的過程可看著獨(dú)立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過程［9］.單位時(shí)間內(nèi)光產(chǎn)生的信號(hào)電荷數(shù)目并非絕對(duì)不變，而是在一個(gè)平均值上有微小的起伏.這一微小的起伏便形成了噪聲.

光響應(yīng)不均勻噪聲：光響應(yīng)不均勻噪聲，是由于CCD圖像傳感器的各個(gè)像元對(duì)光子的響應(yīng)存在著微小的差別，形成了光響應(yīng)不均勻性［10］.

2 CCD噪聲測(cè)量

2.1 20℃與－10℃輸出圖像的比較

實(shí)驗(yàn)采用Andor公司的DV437-BU2型CCD芯片和相關(guān)配套設(shè)備.DV437-BU2型CCD芯片的相關(guān)參數(shù)如表1所示［11］.

表1 DV437-BU2型CCD的相關(guān)參數(shù)

在黑暗環(huán)境中，蓋上CCD的鏡頭蓋，分別在不同溫度條件下，多次重復(fù)測(cè)量各像元的輸出值.在測(cè)量過程中，對(duì)CCD進(jìn)行熱電致冷時(shí)，由于溫度的降低可能導(dǎo)致CCD面結(jié)露，為避免CCD結(jié)露對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，應(yīng)在CCD致冷平衡一段時(shí)間后再進(jìn)行測(cè)量.圖1和圖2分別給出曝光時(shí)間為1s，CCD工作溫度為20℃和－10℃時(shí)，像元輸出灰度直方圖.

圖1 20℃時(shí)輸出灰度直方圖

圖2 －10℃時(shí)輸出灰度直方圖

由圖1和圖2可以看出，當(dāng)CCD溫度為20℃時(shí)，CCD輸出的灰度值平均值較大，而且輸出灰度的方差較大，而且有部分偏離430ADU，當(dāng)CCD溫度為－10℃時(shí)，CCD輸出的灰度平均值降低，輸出灰度值的方差較小.

實(shí)驗(yàn)觀察到降低CCD工作溫度可以減小壞點(diǎn)（hot pixel）的影響.圖3和圖4分別給出曝光時(shí)間為1s，溫度為20℃和－10℃時(shí)所觀測(cè)到的壞點(diǎn)大小.當(dāng)CCD工作溫度為20℃時(shí)，像元（285，409）附近觀察到4個(gè)壞點(diǎn)，如圖3所示；而當(dāng)CCD工作溫度降到－10℃時(shí)，壞點(diǎn)數(shù)量減小到2個(gè)，如圖4所示.

圖3 20℃時(shí)9×10像元內(nèi)的壞點(diǎn)大小

圖4 －10℃時(shí)9×10像元內(nèi)的壞點(diǎn)大小

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

在同一溫度條件下，對(duì)于多次重復(fù)拍攝的圖像，計(jì)算出各個(gè)像元噪聲的統(tǒng)計(jì)平均值，得到該溫度條件下的噪聲大小.試驗(yàn)測(cè)得DV437-BU2型CCD的暗電流與溫度的關(guān)系，暗電流散粒噪聲、暗電流不均勻噪聲與溫度的關(guān)系以及像元輸出的總噪聲（暗電流散粒噪聲、暗電流不均勻噪聲和讀出噪聲的和）與溫度的關(guān)系如圖5～7所示.

圖5給出DV437-BU2型CCD，在不同溫度條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的暗電流大小.

圖5 暗電流與溫度的關(guān)系

圖6給出實(shí)驗(yàn)測(cè)得DV437-BU2型CCD，在曝光時(shí)間為1s時(shí)，暗電流散粒噪聲和暗電流不均勻噪聲與溫度的關(guān)系.

圖6 暗電流散粒噪聲，暗電流不均勻噪聲與溫度的關(guān)系

由圖5和圖6可以看出，CCD暗電流，暗電流散粒噪聲，暗電流不均勻噪聲隨CCD溫度的增加而呈指數(shù)型增加，因此，降低CCD工作溫度，可以有效的降低CCD噪聲.

圖7給出在曝光時(shí)間為1s時(shí)，DV437-BU2型CCD各像元輸出的總噪聲與溫度的關(guān)系.

圖7 CCD像元輸出的總噪聲與溫度的關(guān)系

由圖7可以看出，當(dāng)CCD工作溫度較高時(shí)，降低CCD工作溫度可以有效的降低CCD噪聲，但當(dāng)CCD工作溫度較低時(shí)，降低CCD溫度對(duì)減小CCD噪聲的效果不明顯，因?yàn)榇藭r(shí)的CCD噪聲主要為讀出噪聲.

3 CCD噪聲對(duì)星敏感器星點(diǎn)定位精度的影響

3.1 星點(diǎn)提取的亞像元質(zhì)心算法

星敏感器星點(diǎn)提取一般采用亞像元質(zhì)心算法.理論上，星像點(diǎn)的能量分布服從二維Gaussian分布［12］，表示為

I（x，y）為質(zhì)心在（x0，y0）的恒星光斑在（x，y）處的光功率，I0為光斑的總功率，σPSF為光斑能量分布的Gaussian寬度.通過亞像元質(zhì)心算法，計(jì)算得到星點(diǎn)位置（xa，ya）：

xij，yij表示星點(diǎn)光斑第（i，j）個(gè)單元在CCD像元內(nèi)的坐標(biāo)，Uij表示第（i，j）個(gè)單元的像素值.

3.2 CCD工作溫度對(duì)星點(diǎn)定位精度的影響

當(dāng)存在CCD噪聲時(shí)，由于CCD噪聲的影響，使得計(jì)算的星點(diǎn)質(zhì)心與真實(shí)位置出現(xiàn)偏差.文獻(xiàn)［12］給出了采用5×5像元的亞像元質(zhì)心算法時(shí)，各類噪聲對(duì)星7點(diǎn)定位精度的影響，如表2所示.

表2中，L0表示5×5像元的信號(hào)電荷總量；N表示各類噪聲的大小.由表2中各項(xiàng)噪聲對(duì)星點(diǎn)定位精度的影響公式可以看出，減小各類噪聲，可以提高星敏感器星點(diǎn)定位精度.

星敏感器工作溫度范圍一般為－30℃～60℃［13］，將DV437-BU2型CCD運(yùn)用于星敏感器，星敏感器探測(cè)器部分參數(shù)如下：孔徑20mm，鏡頭透過率0.70，星點(diǎn)彌散斑大小約為5×5像元.

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入表2的各項(xiàng)中，取σPSF為0.7像元，采用5×5像元的星點(diǎn)質(zhì)心提取算法，在6.5等星照射，曝光時(shí)間為200ms的情況下，溫度與星點(diǎn)定位精度的關(guān)系如圖8和圖9所示.

表2 CCD噪聲對(duì)星點(diǎn)定位精度公式

圖8 暗電流散粒噪聲和暗電流不均勻噪聲對(duì)星點(diǎn)質(zhì)心定位精度的影響

圖8給出了在僅考慮CCD暗電流散粒噪聲和暗電流不均勻噪聲的情況下，星點(diǎn)質(zhì)心定位精度與CCD溫度的關(guān)系.圖9給出了考慮CCD噪聲時(shí)，CCD溫度對(duì)星點(diǎn)質(zhì)心定位精度的影響.由圖8可以看出，當(dāng)僅考慮CCD暗電流散粒噪聲和暗電流不均

圖9 溫度對(duì)星點(diǎn)定位精度的影響

勻噪聲時(shí)，降低CCD工作溫度可顯著提高星點(diǎn)質(zhì)心定位精度.由圖9可看出，當(dāng)CCD工作溫度較高時(shí)，適當(dāng)降低工作溫度，可以提高星敏感器星點(diǎn)定位精度，當(dāng)溫度為330 K時(shí)，星點(diǎn)定位精度約為0.12個(gè)像元，當(dāng)溫度降到280 K時(shí)，星點(diǎn)定位精度約為0.078個(gè)像元.對(duì)于DV437-BU2型CCD，當(dāng)CCD工作溫度在300 K以上時(shí)，降低CCD工作溫度可以明顯提高星敏感器星點(diǎn)定位精度，當(dāng)溫度低于300 K時(shí)，讀出噪聲將成為影響星敏感器星點(diǎn)定位精度的主要因素，降溫對(duì)提高星敏感器星點(diǎn)定位精度的作用不大.

4 結(jié) 論

本文對(duì)CCD進(jìn)行了噪聲實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了DV437-BU2型CCD在不同溫度下的暗電流散粒噪聲、暗電流不均勻噪聲和讀出噪聲，并將其應(yīng)用于星敏感器，計(jì)算了在6等星照射的情況下，CCD噪聲對(duì)星敏感器星點(diǎn)定位精度的影響.結(jié)果表明，適當(dāng)降低CCD的工作溫度，可有效提高星點(diǎn)定位精度：例如，在3 00 K以上，降低CCD的工作溫度可以明顯提高星點(diǎn)定位精度，當(dāng)溫度低于300 K時(shí)，降溫對(duì)星點(diǎn)定位精度的影響不大.由于各個(gè)型號(hào)的CCD芯片，其噪聲-溫度特性相似，因此，可參照本文的方法，采用熱電致冷技術(shù)，將星敏感器的探測(cè)器件的工作溫度控制在其適當(dāng)?shù)姆秶?，可有效提高星敏感器星點(diǎn)定位精度.

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CCD Chip’s Temperature Effect on Position Accuracy of Star Sensor

SHEN Benjian1，LIU Haibo1，JIA Hui1，YANG Jiankun1，2
（1.National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.National Key Laboratory of Science and Technology on Space Intelligent Control，Beijing 100190，China）

CCD noise is an error source of guide star position of star sensor.The DV437-BU2 CCD chip’s dark current，dark current shot noise and dark current non-uniformnoise characteristics of temperature have been measured in this paper.The effect of CCD chip’s temperature on star position accuracy has been researched.The results show that decreasing CCD chip’s temperature could improve the star position accuracy effectively when the temperature is higher than 300K，but could not remarkably when the temperature is lower than 300K.The star position accuracy level is improved from 0.12 pixel to 0.078 pixel when the temperature reduces from 330K to 300K.

CCD；noise；star sensor；position accuracy；refrigeration

2008-10-10

沈本劍（1984—），男，四川人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)檢測(cè)（e-mail：shenbenjian＠163.com）.

V248.21

A

1674-1579（2009）06-0036-05