馮婕 崔益豪 李豫東 文林 郭旗

1) (中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所,烏魯木齊 830011)

2) (新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011)

3) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

為分析惡劣空間輻射環(huán)境導(dǎo)致星敏感器性能退化、姿態(tài)測(cè)量精度降低的原因,深入研究了60Co-γ 射線輻射環(huán)境下互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體有源像素傳感器(complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor,CMOS APS)電離總劑量效應(yīng)對(duì)星敏感器星圖識(shí)別的影響機(jī)理.通過(guò)搭建外場(chǎng)觀星試驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)際觀測(cè)天頂和獵戶座天區(qū),經(jīng)過(guò)星圖數(shù)據(jù)采集、星點(diǎn)提取與星圖識(shí)別等試驗(yàn)流程,獲得60Co-γ 射線輻照后CMOS APS 噪聲對(duì)星圖背景灰度均值、識(shí)別星點(diǎn)數(shù)量的影響機(jī)理,并提出一種尋找被輻射噪聲湮沒(méi)星點(diǎn)的識(shí)別算法.通過(guò)理論推導(dǎo)分別建立了CMOS APS 暗電流噪聲、暗信號(hào)非均勻性噪聲和光響應(yīng)非均勻性噪聲與星點(diǎn)質(zhì)心定位誤差的定量關(guān)系.研究結(jié)果表明60Co-γ 射線輻照后星敏感器星圖背景灰度均值增大、星點(diǎn)識(shí)別數(shù)量減少,CMOS APS 輻照后噪聲增大導(dǎo)致星點(diǎn)質(zhì)心定位誤差增大,從而影響星敏感器的姿態(tài)定位精度,該研究結(jié)果為高精度星敏感器的設(shè)計(jì)和抗輻射加固提供一定的理論依據(jù).

1 引言

星敏感器作為衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)發(fā)射階段和在軌飛行時(shí)衛(wèi)星的姿態(tài)控制有極為關(guān)鍵的作用[1].星敏感器首先通過(guò)拍攝星空星圖,再進(jìn)行星圖預(yù)處理、星圖識(shí)別和姿態(tài)計(jì)算,最后輸出姿態(tài)角數(shù)據(jù)為衛(wèi)星等航天飛行器進(jìn)行自主導(dǎo)航.星敏感器的核心組成部分是成像系統(tǒng)[2-5].早期星敏感器都是以電荷耦合器件圖像傳感器作為恒星成像器件,隨著星敏感器低功耗、微小型化的需求日趨增多以及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝的進(jìn)步,基于 CMOS 圖像傳感器的星敏感器成為目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品[6,7].

惡劣的空間輻射環(huán)境會(huì)使互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體有源像素傳感器(complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor,CMOS APS)暗電流、暗信號(hào)非均勻性(dark signal non-uniformity,DSNU)、光響應(yīng)非均勻性(photon response non-uniformity,PRNU)等輻射敏感參數(shù)退化[8,9].CMOS 圖像傳感器參數(shù)退化導(dǎo)致星敏感器采集的星圖背景噪聲明顯增大,從而影響星敏感器的星點(diǎn)質(zhì)心定位、星圖識(shí)別、姿態(tài)定位精度等性能.國(guó)內(nèi)外已有研究發(fā)現(xiàn): 空間工作的星敏感器經(jīng)輻照后采集的星圖出現(xiàn)信噪比減小、星點(diǎn)拖尾等性能退化現(xiàn)象,影響星敏感器的在軌姿態(tài)定位精度[10].目前,衛(wèi)星上會(huì)同時(shí)裝配星敏感器和陀螺儀,當(dāng)空間輻射導(dǎo)致星敏感器星圖識(shí)別能力下降、姿態(tài)定位異常時(shí),工程單位大多采取關(guān)閉星敏感器,依靠陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)定位的解決方法.這種解決方法可以使衛(wèi)星繼續(xù)運(yùn)行,但存在一定風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)橥勇輧x的姿態(tài)定位精度和星敏感器相比要低,存在衛(wèi)星姿態(tài)控制的不確定性.另外還可以采取圖像處理算法去除輻射誘發(fā)噪聲對(duì)星圖識(shí)別的影響,但圖像處理算法的建立基于對(duì)CMOS APS 輻射誘發(fā)噪聲機(jī)理的深入分析和CMOS APS 輻射效應(yīng)對(duì)星敏感器星圖識(shí)別機(jī)理的研究,僅使用常規(guī)降噪算法,有可能把星點(diǎn)信號(hào)也濾除,或者未濾除的部分噪點(diǎn)被星敏感器誤認(rèn)作是星點(diǎn).因此,迫切需要開(kāi)展CMOS APS輻射效應(yīng)對(duì)星圖識(shí)別的機(jī)理研究.

本文主要討論了CMOS APS 電離總劑量效應(yīng)對(duì)星敏感器所拍攝星圖背景灰度均值、星敏感器識(shí)別星點(diǎn)數(shù)量的影響機(jī)理.基于機(jī)理分析提出了一種尋找未識(shí)別星點(diǎn)的算法,該算法可成功識(shí)別被背景噪聲湮沒(méi)的星點(diǎn).此外,通過(guò)理論推導(dǎo)分別建立了CMOS APS 暗電流噪聲、DSNU 噪聲和PRNU噪聲與星敏感器質(zhì)心定位誤差的定量關(guān)系.

2 樣品與輻照試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)選取商用8T CMOS 圖像傳感器作為樣品,型號(hào)為CMV4000,分辨率為 2048×2048,像素尺寸為 5.5 μm×5.5 μm,靈敏度為4.64 V/(lux·s) (每秒接受單位光照強(qiáng)度產(chǎn)生4.64 V 電壓),動(dòng)態(tài)范圍為60 dB,功耗為600 mW.其主要組成模塊有: 內(nèi)部時(shí)序發(fā)生器、串行外設(shè)接口、溫度傳感器、像素陣列、模擬前端和低壓差分信號(hào)傳輸通道.其中模擬前端電路由可編程增益放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、偏置電路等模塊構(gòu)成.圖1 是8T CMOS 圖像傳感器的像素單元結(jié)構(gòu)示意圖,在4T 基本像素單元的基礎(chǔ)上,8T 像素單元增加了采樣管S1 和S2,像素內(nèi)源極跟隨器SF2 等晶體管,通過(guò)將電壓信號(hào)存儲(chǔ)在電容C1 和C2 中,實(shí)現(xiàn)全局曝光.同時(shí),兩個(gè)采樣電容還將分別儲(chǔ)存光生載流子轉(zhuǎn)化后的電壓和復(fù)位電壓,實(shí)現(xiàn)相關(guān)雙采樣,有效抑制讀出噪聲[11].

圖1 8T CMOS 圖像傳感器像素單元結(jié)構(gòu)示意圖(PMD,金屬前介質(zhì);TG,傳輸柵;RS,行選擇器;RST,復(fù)位晶體管;VDD,器件內(nèi)部工作電壓;PC,預(yù)充電晶體管)Fig.1.Structure diagram of 8T CMOS image sensor pixel unit (PMD,pre-metal dielectric;TG,transfer gate;RS,row select transistor;RST,reset transistor;VDD,device internal operating voltage;PC,pre-charge transistor).

2.2 60Co-γ 射線輻照試驗(yàn)

60Co-γ射線輻照試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進(jìn)行.CMOS 圖像傳感器輻照時(shí)劑量率選取50 rad(Si)/s,總劑量為50 krad(Si),不加偏置.當(dāng)累積劑量到7.5,10,20,50 krad(Si)時(shí),降源測(cè)試CMOS 圖像傳感器輻射敏感參數(shù)(暗電流,DSNU,PRNU).星敏感器外場(chǎng)觀星試驗(yàn)是在麗江天文臺(tái)進(jìn)行.將輻照到7.5,10,20,50 krad(Si)的CMOS 圖像傳感器分別裝入星敏感器測(cè)試系統(tǒng),逐個(gè)拍攝獵戶座天區(qū)和天頂,每個(gè)劑量點(diǎn)各采集95.6,143.4,525.6 ms 三個(gè)積分時(shí)間下的50 幀圖.將采集的星圖輸入星圖匹配軟件,同時(shí)輸入標(biāo)定后的星敏感器的焦距值和主點(diǎn)位置,對(duì)獵戶座天區(qū)星點(diǎn)進(jìn)行提取、匹配.

3 CMOS 圖像傳感器輻射損傷與星敏感器性能退化機(jī)理

3.1 CMOS 圖像傳感器輻射損傷機(jī)理

γ射線輻照CMOS 圖像傳感器后,暗電流隨電離總劑量的增加而增大,如圖2 所示.暗電流增大的原因一方面是電離輻射在Si-SiO2界面處產(chǎn)生了大量界面態(tài),界面態(tài)密度隨累積劑量的增加而變大[12].界面態(tài)充當(dāng)復(fù)合中心增大暗電流的產(chǎn)生率.另一方面是電離輻射在淺槽隔離以及掩埋型光電二極管(pinned photodiode,PPD)上表面的金屬前介質(zhì)(premetal dielectric,PMD)層引入了正氧化物陷阱電荷,它雖然不能作為復(fù)合中心直接產(chǎn)生暗電流,但其附加電場(chǎng)可以使表面耗盡區(qū)與PPD的耗盡區(qū)相互接觸,這樣界面態(tài)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)可漂移進(jìn)入PPD 的耗盡區(qū),從而提高載流子的收集效率[12].

圖2 暗電流隨電離總劑量的變化Fig.2.Change of dark current versus the total ionizing dose.

DSNU 表征圖像傳感器芯片每個(gè)像素單元在暗場(chǎng)條件下響應(yīng)的非均一性.如圖3 所示,DSNU隨電離總劑量的增加而增大,電離效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),電子和空穴在遷移的同時(shí)會(huì)隨機(jī)復(fù)合,而每個(gè)像素單元的隨機(jī)復(fù)合概率不同,從而導(dǎo)致DSNU 增加;同時(shí)輻射效應(yīng)產(chǎn)生的缺陷能級(jí),充當(dāng)載流子產(chǎn)生-復(fù)合中心,也會(huì)增加電子空穴的產(chǎn)生-復(fù)合概率,從而加劇DSNU 的退化行為.

圖3 DSNU 隨電離總劑量的變化Fig.3.Change of DSNU versus the total ionizing dose.

PRNU 表征光響應(yīng)相對(duì)于平均值的偏差,以百分?jǐn)?shù)的形式表現(xiàn).如圖4 所示,PRNU 隨電離總劑量的增加而增大,電離效應(yīng)誘發(fā)的界面態(tài)降低光生載流子壽命,使得光生電荷收集效率下降,表現(xiàn)為量子效率的退化.由于界面陷阱電荷分布不均勻,像素之間量子效率退化存在差異,像素的響應(yīng)度差異增大,最終導(dǎo)致PRNU 上升.

圖4 PRNU 隨電離總劑量的變化Fig.4.Change of PRNU versus the total ionizing dose.

3.2 星敏感器性能退化機(jī)理

3.2.1 背景灰度均值

將輻照到7.5,10,20,50 krad(Si)的CMOS 圖像傳感器分別裝入星敏感器測(cè)試系統(tǒng),逐個(gè)拍攝獵戶座天區(qū)和天頂,每個(gè)劑量點(diǎn)各采集95.6,143.4,525.6 ms 三個(gè)積分時(shí)間下的50 幀圖.分別計(jì)算星敏感器每個(gè)劑量點(diǎn)不同積分時(shí)間所采集星圖的背景灰度均值,如表1 所列,隨著累積劑量的增加,背景灰度均值逐漸增大.對(duì)于同一累積劑量,隨著積分時(shí)間的增大,背景灰度均值也逐漸增大.背景灰度均值增大的主要原因是輻照后CMOS 圖像傳感器總噪聲的增大.

表1 星敏感器每個(gè)劑量點(diǎn)不同積分時(shí)間所采集星圖的背景灰度均值Table 1.Image gray-mean of the whole star map with different integration time and different dose levels.

CMOS 圖像傳感器噪聲來(lái)源于其光敏單元的光電二極管、像元晶體管的復(fù)位和讀出過(guò)程、有源放大器、行列選擇開(kāi)關(guān)等[13],主要包括暗電流噪聲、DSNU 噪聲、PRNU 噪聲、固定模式噪聲和讀出噪聲.其中DSNU 噪聲、PRNU 噪聲、固定模式噪聲隨累積劑量的增大而增大.暗電流噪聲既隨累積劑量的增大而增大,也隨積分時(shí)間的增大而增大.

暗電流噪聲等于暗電流產(chǎn)生電子數(shù)的平方根.CMOS 圖像傳感器暗電流來(lái)源可大致分為兩部分:像素單元與外圍電路.CMOS 圖像傳感器的工作原理決定了外圍電路暗電流是與積分時(shí)間無(wú)關(guān)的固定值;而像素單元暗電流隨著積分時(shí)間的增加,輸出灰度值會(huì)逐漸增大.電離輻射引起像素之間暗電流產(chǎn)生率差異性增大,導(dǎo)致DSNU 噪聲的增加.PRNU 噪聲表征了光響應(yīng)相對(duì)于平均值的偏差.由于界面陷阱電荷分布不均勻,像素之間量子效率退化存在差異,像素的響應(yīng)度差異增大,最終導(dǎo)致PRNU 噪聲上升.

固定模式噪聲體現(xiàn)了像素與像素之間的差異,在固定積分時(shí)間下,固定模式噪聲基本是一個(gè)常數(shù),其主要來(lái)源于兩個(gè)方面: 一方面是制造過(guò)程中像素內(nèi)晶體管或列級(jí)晶體管失配;另一方面是像素內(nèi)暗電流.由于晶體管失配導(dǎo)致的固定模式噪聲可以通過(guò)相關(guān)雙采樣消除,而暗電流的來(lái)源多種多樣,產(chǎn)生機(jī)制各不相同,由暗電流導(dǎo)致固定圖像噪聲則無(wú)法完全消除.在無(wú)光照條件下,固定模式噪聲可用DSNU 來(lái)表征;在光照條件下,通過(guò)PRNU來(lái)評(píng)估.讀出噪聲屬于暫態(tài)噪聲,是由于電路通道中各種噪聲源(列放大器、可編程增益放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器)引起的信號(hào)電平的隨機(jī)波動(dòng),試驗(yàn)中電路通道保持不變,因此讀出噪聲的影響可以忽略不計(jì).

3.2.2 識(shí)別星點(diǎn)數(shù)量

本試驗(yàn)使用三角形算法進(jìn)行星圖識(shí)別.星圖識(shí)別前需要根據(jù)星敏感器的極限星等對(duì)史密松天體物理天文臺(tái)星表星表(Smithsonian astrophysical observatory star catalog,SAO)進(jìn)行篩選并建立星對(duì)角距查找表.星對(duì)角距查找表由星對(duì)星號(hào)和星對(duì)角距余弦值組成.星對(duì)角距余弦值可以根據(jù)構(gòu)成星對(duì)的兩顆導(dǎo)航星A 和B 的方向矢量計(jì)算得到.從SAO 星表中查到星A 和星B 的赤經(jīng)、赤緯分別為(αA,δA)和(αB,δB),則兩顆星的方向矢量分別為

這兩顆星星對(duì)角距余弦值為VA·VB,計(jì)算符合星敏感視場(chǎng)角的任意兩個(gè)顆星的星對(duì)角距余弦值并由小到大排序.然后對(duì)星圖進(jìn)行預(yù)處理和星點(diǎn)細(xì)分定位.星圖預(yù)處理先對(duì)所拍星圖進(jìn)行濾波,再通過(guò)相應(yīng)計(jì)算得到星點(diǎn)粗定位所使用的閾值,通過(guò)閾值分割,對(duì)星點(diǎn)進(jìn)行連通域標(biāo)記.星點(diǎn)細(xì)分定位可以得到星點(diǎn)在星圖中的準(zhǔn)確位置,如采用質(zhì)心法,可以使精度達(dá)到亞像素級(jí)別.三角形星圖識(shí)別方法分為以下10 個(gè)步驟.

1)首先從星圖中提取星點(diǎn),然后按照能量對(duì)星點(diǎn)排序,選擇最亮的Sn顆星.

2)在最亮的星中將距離光軸最近的星作為第一目標(biāo)星S1.

3)在S1的半徑環(huán)外,選取視場(chǎng)中最亮的兩顆星S2和S3.

4)將這三顆星按照三角形幾何關(guān)系排序.

5)通過(guò)質(zhì)心法計(jì)算這三顆星在星敏感器探測(cè)器面陣上的位置(XI,YI):

其中Iij是星點(diǎn)在 (i,j) 處的灰度值.

6)設(shè)其中兩顆恒星的坐標(biāo)為(x1,y1)和(x2,y2),根據(jù)標(biāo)定出的主點(diǎn)位置(x0,y0),焦距f,計(jì)算得到這兩顆恒星在星敏感器坐標(biāo)系下的方向矢量:

7)依照上述方法計(jì)算S1S2,S1S3和S2S3星對(duì)之間星對(duì)角距余弦值的測(cè)量值α1,α2,α3.

8)考慮到星敏感器的成像誤差,第7)步計(jì)算出的星對(duì)角距余弦值的測(cè)量值與星對(duì)查找表中星對(duì)角距余弦值存在較小的差值,因此在[α1-ε,α1+ε],[α2-ε,α2+ε],[α3-ε,α3+ε]范圍內(nèi),對(duì)照星對(duì)角距查找表,找出S1S2,S1S3和S2S3可能的導(dǎo)航星組合: [I(k12),J(k12)],[I(k13),J(k13)] 和[I(k23),J(k23)].

9)從 [I(k12),J(k12)],[I(k13),J(k13)] 中找出相同的星S1,從 [I(k12),J(k12)],[I(k23),J(k23)] 中找出相同的星S2,從 [I(k13),J(k13)],[I(k23),J(k23)] 中找出相同的星S3.

10)若S1,S2,S3是唯一的,就識(shí)別成功;若S1,S2,S3不唯一,則重復(fù)以上步驟,重新構(gòu)建三角形進(jìn)行識(shí)別.

不同累積劑量下星圖三角形識(shí)別匹配結(jié)果如表2 所列.隨著累積劑量的增加,星敏感器識(shí)別星點(diǎn)的數(shù)量逐漸減少,當(dāng)累積劑量增加到50 krad(Si)時(shí),僅能匹配成功5 顆恒星.圖5 為星敏感器在不同累積劑量下采集的星圖,星圖已經(jīng)過(guò)降噪處理.可以看出,在累積劑量為10 krad(Si)時(shí),星敏感器采集的星圖可以成功識(shí)別9 顆恒星,且分布在視場(chǎng)不同區(qū)域;當(dāng)累積劑量增加到50 krad(Si)時(shí),星敏感器采集的星圖僅可以識(shí)別5 顆恒星,且星點(diǎn)分布較為集中.

圖5 不同累積劑量下星敏感器采集的星圖 (a) 10 krad(Si);(b) 50 krad(Si)Fig.5.Star maps collected by the star sensor at different cumulative doses: (a) 10 krad(Si);(b) 50 krad(Si).

表2 不同累積劑量下星敏感器識(shí)別星點(diǎn)數(shù)目Table 2.Number of star points identified by star sensors at different cumulative doses.

針對(duì)高累積劑量下星點(diǎn)識(shí)別數(shù)目下降問(wèn)題,對(duì)星圖識(shí)別程序進(jìn)行調(diào)試分析,發(fā)現(xiàn)隨著累積劑量的增加進(jìn)入識(shí)別過(guò)程的待識(shí)別星數(shù)目減少.為了對(duì)未識(shí)別的星進(jìn)行重新識(shí)別,本文首先根據(jù)星敏感器的成像原理以及天球坐標(biāo)系到星敏感器坐標(biāo)之間的旋轉(zhuǎn)變換、星敏感器坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系之間的投影變換關(guān)系確定某星點(diǎn)未識(shí)別的原因.

以10 krad(Si)星圖識(shí)別到的星SAO132176為例(圖5(a)中綠色圓圈),在50 krad(Si)星圖中該星未能識(shí)別.利用50 krad(Si)星圖成功識(shí)別出的星的觀測(cè)矢量和在天球坐標(biāo)系下的方向矢量,結(jié)合姿態(tài)四元數(shù)估計(jì)算法計(jì)算出當(dāng)前星敏感器姿態(tài)的四元數(shù):

并將四元數(shù)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)矩陣M:

在SAO 星表中查找SAO132176 在天球坐標(biāo)系下的赤經(jīng)和赤緯:

建立該星在天球坐標(biāo)系下的單位矢量:

通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換,得到該星在星敏感器坐標(biāo)系中方向矢量:

根據(jù)星敏感器的主點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0)和焦距(f),經(jīng)過(guò)投影透視變換,得到星SAO132176 在所拍星圖的位置:

考慮到像素坐標(biāo)都是整數(shù)及光學(xué)系統(tǒng)畸變等其他因素的影響,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行取整處理,同時(shí)在計(jì)算出的位置附近搜索灰度值最大的像素即為星SAO132176 在此星圖中的中心位置.

以該坐標(biāo)為中心,3×3 窗口為大小,選為該星覆蓋區(qū)域,如圖6(a)所示.

經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的星SAO132176 覆蓋區(qū)域最大灰度值為289,如圖6(b)所示,而該星圖在閾值分割時(shí)所使用的閾值為296,導(dǎo)致星SAO132176 未進(jìn)入后續(xù)質(zhì)心定位和星圖識(shí)別過(guò)程.在調(diào)整閾值分割值為285 時(shí),星SAO132176 可成功進(jìn)入后續(xù)質(zhì)心定位和星圖識(shí)別過(guò)程,并最終被成功識(shí)別.同理,在設(shè)置合適閾值后其余未識(shí)別星均可成功識(shí)別.這說(shuō)明CMOS 圖像傳感器輻射損傷導(dǎo)致所拍星圖背景灰度均值和方差增大,而星圖閾值分割值通常設(shè)置為星圖背景灰度均值與三倍星圖灰度值方差的和,當(dāng)輻照到一定累積劑量后,某些星斑的灰度值低于閾值分割所設(shè)置的值,從而影響識(shí)別結(jié)果.本文提出的尋找未識(shí)別星點(diǎn)算法的原理: 當(dāng)星圖識(shí)別星數(shù)明顯低于星敏感器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的視場(chǎng)內(nèi)星點(diǎn)數(shù)目時(shí),則根據(jù)SAO 星表數(shù)據(jù)和已解算出的姿態(tài)信息計(jì)算出該幅星圖中未識(shí)別星點(diǎn)的位置,并綜合考慮未識(shí)別星點(diǎn)灰度值范圍,在后續(xù)星敏感器所拍星圖中程序自動(dòng)降低閾值以控制進(jìn)入后續(xù)識(shí)別流程的待識(shí)別星點(diǎn)數(shù)目.使用該算法對(duì)后續(xù)所拍星圖進(jìn)行驗(yàn)證分析,證明該算法可有效解決γ輻射導(dǎo)致的星敏感器星點(diǎn)識(shí)別數(shù)目下降的問(wèn)題.

圖6 (a) 星 (SAO132176) 在累積劑量50 krad(Si)星圖中位置 (白色方框?yàn)槲醋R(shí)別星覆蓋范圍);(b) 該星斑及附近灰度值分布Fig.6.(a) Star (SAO132176) position of 50 krad (Si) star map (The white box is the coverage of unidentified stars);(b) gray value distribution of the star spot and its vicinity.

3.2.3 星點(diǎn)質(zhì)心定位精度

星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度主要取決于星點(diǎn)質(zhì)心定位精度.星敏感器所拍星圖中的星點(diǎn)質(zhì)心定位誤差不能直接計(jì)算,但可通過(guò)星對(duì)角距標(biāo)準(zhǔn)誤差間接計(jì)算得到星點(diǎn)質(zhì)心定位誤差,星對(duì)角距標(biāo)準(zhǔn)誤差是星點(diǎn)質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差的1.42 倍[14].由于不同累積劑量下星點(diǎn)識(shí)別數(shù)量有差異,因此在計(jì)算星對(duì)角距標(biāo)準(zhǔn)誤差時(shí),其他累積劑量點(diǎn)都選取和50 krad(Si)成功識(shí)別的相同5 顆星.利用實(shí)測(cè)和理論星對(duì)角距計(jì)算出不同累積劑量下5 顆星的星對(duì)角距標(biāo)準(zhǔn)誤差,如圖7 所示.根據(jù)星對(duì)角距標(biāo)準(zhǔn)誤差與質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系,結(jié)合星敏感器視場(chǎng)角和分辨率計(jì)算得到不同累積劑量下的星點(diǎn)質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差(pixel),結(jié)果如圖8 所示.從圖7 和圖8 可以看出隨著累積劑量的增大,星對(duì)角距標(biāo)準(zhǔn)誤差逐漸增大,質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差也逐漸增大,即星點(diǎn)質(zhì)心定位精度逐漸下降.對(duì)于同一累積劑量,隨著積分時(shí)間的減小,星對(duì)角距標(biāo)準(zhǔn)誤差和質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差都逐漸增大,星點(diǎn)質(zhì)心定位精度逐漸降低.根據(jù)3.1 節(jié)分析,γ射線輻照會(huì)導(dǎo)致CMOS 圖像傳感器中的暗電流噪聲、DSNU噪聲和PRNU 噪聲增大,圖像傳感器輻照后噪聲增大又會(huì)導(dǎo)致星圖背景噪聲增大,從而影響星點(diǎn)質(zhì)心定位精度.為了定量分析CMOS 圖像傳感器暗電流噪聲、DSNU 噪聲和PRNU 噪聲對(duì)星敏感器質(zhì)心定位精度的影響,分別建立各噪聲對(duì)質(zhì)心定位誤差影響的函數(shù)關(guān)系式.

圖7 星對(duì)角距標(biāo)準(zhǔn)誤差隨累積劑量的變化Fig.7.Star diagonal distance standard accuracy versus the total ionizing dose.

圖8 星點(diǎn)質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差隨累積劑量的變化Fig.8.Star point centroid positioning standard accuracy versus the total ionizing dose.

星圖 (i,j)處的灰度值Iij由兩部分組成: 星點(diǎn)信號(hào)值Rij和噪聲信號(hào)值Nij,即

以X方向(橫坐標(biāo))為例,由質(zhì)心提取公式得到噪聲導(dǎo)致的X方向上的誤差 Δx:

式中XI,XR分別為總信號(hào)的質(zhì)心位置和星點(diǎn)信號(hào)的質(zhì)心位置.

由于CMOS 圖像傳感器暗電流噪聲、DSNU噪聲和PRNU 噪聲均為白噪聲[15],均值為0,因此此類噪聲引起的星點(diǎn)中心誤差的均值也為0.由此可得質(zhì)心定位誤差的方差為

考慮到真實(shí)信號(hào)的灰度值遠(yuǎn)大于噪聲信號(hào)的灰度值,且像元之間的噪聲互不相關(guān),即

則(17)式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

設(shè)質(zhì)心定位時(shí)所選窗口大小為m×m,則(19)式可進(jìn)一步計(jì)算得到

在本次試驗(yàn)中,窗口大小為3×3,即m=3,代入(21)式,得到噪聲對(duì)質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差影響的函數(shù):

其中R0=,即所選窗口內(nèi)總星信號(hào)值.

暗電流非均勻性噪聲: 在積分時(shí)間tint內(nèi)生成的像素平均暗電流電子數(shù)為Idtint(Id為暗電流值),暗電流非均勻性噪聲方差為=Idtint,那么可得到

(23)式中Id隨累積劑量的增加而增大,故暗電流噪聲導(dǎo)致的質(zhì)心定位誤差σx,DCNU隨累積劑量增加而增大.由于R0與積分時(shí)間呈線性關(guān)系,則CMOS圖像傳感器暗電流噪聲導(dǎo)致的質(zhì)心定位誤差與積分時(shí)間呈關(guān)系,增加曝光時(shí)間可以減小暗電流噪聲對(duì)質(zhì)心定位誤差標(biāo)準(zhǔn)差的影響.而在本次實(shí)驗(yàn)中,積分時(shí)間為143.4 ms 時(shí),相較于積分時(shí)間為95.6 ms 時(shí)所拍星圖,質(zhì)心定位誤差降低,但此時(shí)星點(diǎn)區(qū)域像元已接近飽和區(qū),光子轉(zhuǎn)移曲線變化速率變緩,故當(dāng)積分時(shí)間為525.6 ms 時(shí),質(zhì)心定位誤差與積分時(shí)間143.4 ms 相比變化不明顯.

(24)式中R0與積分時(shí)間呈線性關(guān)系,那么σx,DSNU的大小取決于σDSNU,σDSNU的值隨累積劑量的增加而增大,故暗電流不均勻性噪聲導(dǎo)致的質(zhì)心定位誤差隨劑量增加而增大.

PRNU 噪聲: PRNU 噪聲等于光響應(yīng)不均勻度與星信號(hào)的乘積,則可得

(25)式與高斯彌散半徑和窗口大小有關(guān).根據(jù)實(shí)際情況,高斯彌散半徑取0.8,計(jì)算得到

式中σPRNU隨累積劑量增加而增大,故PRNU 噪聲導(dǎo)致的質(zhì)心定位誤差隨累積劑量增加而增大.

從以上分析可知,隨著累積劑量的增加,CMOS圖像傳感器暗電流噪聲、DSNU 噪聲以及PRNU噪聲逐漸增大,導(dǎo)致星點(diǎn)質(zhì)心定位誤差逐漸增大,最終影響星敏感器的姿態(tài)測(cè)量精度,而適當(dāng)增加積分時(shí)間可減少星點(diǎn)質(zhì)心定位誤差.但積分時(shí)間太大使星點(diǎn)區(qū)域像元已接近或到達(dá)飽和區(qū),光子轉(zhuǎn)移曲線變化速率變緩或不再變化,此時(shí)再增加積分時(shí)間對(duì)星點(diǎn)質(zhì)心定位誤差的減少已不明顯.

4 結(jié)論

60Co-γ射線輻照后,CMOS APS 暗電流噪聲、DSNU 噪聲、PRNU 噪聲隨累積劑量的增大而增大,CMOS APS 總噪聲的增大又會(huì)導(dǎo)致星敏感器拍攝星圖背景灰度均值增大,背景起伏明顯,從而導(dǎo)致星點(diǎn)識(shí)別難度增大,星點(diǎn)識(shí)別數(shù)量減少.基于機(jī)理分析,本文提出了一種尋找未識(shí)別星點(diǎn)的算法,該算法可以成功識(shí)別被背景噪聲湮沒(méi)的星點(diǎn).研究發(fā)現(xiàn),CMOS APS 暗電流噪聲、DSNU 噪聲和PRNU 噪聲增大導(dǎo)致星點(diǎn)質(zhì)心位置的偏移,最終影響星敏感器星點(diǎn)質(zhì)心定位精度.本文對(duì)星敏感器設(shè)計(jì)單位提高星敏感器識(shí)別星圖成功率、保障衛(wèi)星在軌安全可靠運(yùn)行奠定了理論基礎(chǔ).