CCD溫度對星敏感器星點定位精度的影響

沈本劍，劉海波，賈 輝，楊建坤，2

（1.國防科技大學理學院技術(shù)物理研究所，長沙410073；2.空間智能控制技術(shù)國家重點實驗室，北京100190）

CCD溫度對星敏感器星點定位精度的影響

沈本劍1，劉海波1，賈 輝1，楊建坤1，2

（1.國防科技大學理學院技術(shù)物理研究所，長沙410073；2.空間智能控制技術(shù)國家重點實驗室，北京100190）

CCD噪聲是影響星敏感器星點定位精度的誤差源之一，以DV437-BU2型CCD為例，對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行了實驗測量.研究了CCD溫度對星敏感器星點定位精度的影響，結(jié)果表明：對于DV437-BU2型CCD芯片，當CCD工作溫度高于300 K時，降溫可以顯著提高星敏感器星點定位精度，當CCD工作溫度低于300 K時，降溫對星點定位精度的影響不明顯；當溫度由330K降到300K時，星點定位精度由0.12個像素提高至0.078個像素.

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)測量器件，通過探測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于慣性坐標系的三軸姿態(tài)［1］.CCD星敏感器是以CCD芯片為光電探測系統(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相機拍攝到的星圖經(jīng)過恒星質(zhì)心提取、星圖識別和姿態(tài)估算等一系列計算，確定出星敏感器的視軸在天體空間的瞬時指向，從而確定飛行器的姿態(tài)［2］.在CCD星敏感器完成一次測量過程中，星點提取精度的大小對最終的測量結(jié)果有著很大的影響.CCD噪聲是影響星敏感器星點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工作溫度對星點定位精度的影響，對于提高星敏感器姿態(tài)測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)測量精度達0.18″［3］，但未說明其控制的CCD工作溫度.文獻［4］提出了一種新的對CCD進行致冷的方案，但未對CCD溫度對星敏感器星點定位精度的影響進行研究.

本文采用熱電致冷技術(shù)，以DV437-BU2型CCD為例，進行了相關的CCD噪聲實驗.并研究了CCD的噪聲-溫度特性，計算了CCD溫度對星敏感器星點定位精度的影響.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不均勻噪聲等［5］.本文針對暗電流散粒噪聲、暗電流不均勻噪聲以及讀出噪聲三種主要噪聲進行了相關的實驗.

暗電流散粒噪聲：半導體熱運動產(chǎn)生載流子，形成暗電流是一種隨機的過程，可以采用Piosson分布進行描述［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］.在星敏感器應用中，暗電流尖峰會嚴重影響星敏感器的星點定位精度，因此，必須盡量降低CCD的暗電流不均勻噪聲.

讀出噪聲：信號電荷通過讀出電路將信號電荷轉(zhuǎn)換為信號電壓，并進行讀出時，在CCD測量信號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)生信號電荷的過程可看著獨立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機過程［9］.單位時間內(nèi)光產(chǎn)生的信號電荷數(shù)目并非絕對不變，而是在一個平均值上有微小的起伏.這一微小的起伏便形成了噪聲.

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

2 CCD噪聲測量

2.1 20℃與－10℃輸出圖像的比較

實驗采用Andor公司的DV437-BU2型CCD芯片和相關配套設備.DV437-BU2型CCD芯片的相關參數(shù)如表1所示［11］.

表1 DV437-BU2型CCD的相關參數(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，多次重復測量各像元的輸出值.在測量過程中，對CCD進行熱電致冷時，由于溫度的降低可能導致CCD面結(jié)露，為避免CCD結(jié)露對測量結(jié)果的影響，應在CCD致冷平衡一段時間后再進行測量.圖1和圖2分別給出曝光時間為1s，CCD工作溫度為20℃和－10℃時，像元輸出灰度直方圖.

圖1 20℃時輸出灰度直方圖

圖2 －10℃時輸出灰度直方圖

由圖1和圖2可以看出，當CCD溫度為20℃時，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CCD溫度為－10℃時，CCD輸出的灰度平均值降低，輸出灰度值的方差較小.

實驗觀察到降低CCD工作溫度可以減小壞點（hot pixel）的影響.圖3和圖4分別給出曝光時間為1s，溫度為20℃和－10℃時所觀測到的壞點大小.當CCD工作溫度為20℃時，像元（285，409）附近觀察到4個壞點，如圖3所示；而當CCD工作溫度降到－10℃時，壞點數(shù)量減小到2個，如圖4所示.

圖3 20℃時9×10像元內(nèi)的壞點大小

圖4 －10℃時9×10像元內(nèi)的壞點大小

2.2 測量數(shù)據(jù)處理

在同一溫度條件下，對于多次重復拍攝的圖像，計算出各個像元噪聲的統(tǒng)計平均值，得到該溫度條件下的噪聲大小.試驗測得DV437-BU2型CCD的暗電流與溫度的關系，暗電流散粒噪聲、暗電流不均勻噪聲與溫度的關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）與溫度的關系如圖5～7所示.

圖5給出DV437-BU2型CCD，在不同溫度條件下，實驗測得的暗電流大小.

圖5 暗電流與溫度的關系

圖6給出實驗測得DV437-BU2型CCD，在曝光時間為1s時，暗電流散粒噪聲和暗電流不均勻噪聲與溫度的關系.

圖6 暗電流散粒噪聲，暗電流不均勻噪聲與溫度的關系

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給出在曝光時間為1s時，DV437-BU2型CCD各像元輸出的總噪聲與溫度的關系.

圖7 CCD像元輸出的總噪聲與溫度的關系

由圖7可以看出，當CCD工作溫度較高時，降低CCD工作溫度可以有效的降低CCD噪聲，但當CCD工作溫度較低時，降低CCD溫度對減小CCD噪聲的效果不明顯，因為此時的CCD噪聲主要為讀出噪聲.

3 CCD噪聲對星敏感器星點定位精度的影響

3.1 星點提取的亞像元質(zhì)心算法

星敏感器星點提取一般采用亞像元質(zhì)心算法.理論上，星像點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，計算得到星點位置（xa，ya）：

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

3.2 CCD工作溫度對星點定位精度的影響

當存在CCD噪聲時，由于CCD噪聲的影響，使得計算的星點質(zhì)心與真實位置出現(xiàn)偏差.文獻［12］給出了采用5×5像元的亞像元質(zhì)心算法時，各類噪聲對星7點定位精度的影響，如表2所示.

表2中，L0表示5×5像元的信號電荷總量；N表示各類噪聲的大小.由表2中各項噪聲對星點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運用于星敏感器，星敏感器探測器部分參數(shù)如下：孔徑20mm，鏡頭透過率0.70，星點彌散斑大小約為5×5像元.

將實驗數(shù)據(jù)代入表2的各項中，取σPSF為0.7像元，采用5×5像元的星點質(zhì)心提取算法，在6.5等星照射，曝光時間為200ms的情況下，溫度與星點定位精度的關系如圖8和圖9所示.

表2 CCD噪聲對星點定位精度公式

圖8 暗電流散粒噪聲和暗電流不均勻噪聲對星點質(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，星點質(zhì)心定位精度與CCD溫度的關系.圖9給出了考慮CCD噪聲時，CCD溫度對星點質(zhì)心定位精度的影響.由圖8可以看出，當僅考慮CCD暗電流散粒噪聲和暗電流不均

圖9 溫度對星點定位精度的影響

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

4 結(jié) 論

本文對CCD進行了噪聲實驗，測量了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，并將其應用于星敏感器，計算了在6等星照射的情況下，CCD噪聲對星敏感器星點定位精度的影響.結(jié)果表明，適當降低CCD的工作溫度，可有效提高星點定位精度：例如，在3 00 K以上，降低CCD的工作溫度可以明顯提高星點定位精度，當溫度低于300 K時，降溫對星點定位精度的影響不大.由于各個型號的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)，將星敏感器的探測器件的工作溫度控制在其適當?shù)姆秶?，可有效提高星敏感器星點定位精度.

［1］ 王曉東.大視場高精度星敏感器技術(shù)研究［D］.中國科學院研究生院，2003

［2］ 歐陽樺.基于CCD星敏感器的星圖模擬和導航星提取的方法研究［D］.華中科技大學，2005

［3］ Van B R.SIRTF autonomous star tracker［J］.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2002，4850（1）：108-121

［4］ 王彥，袁家虎.一種提高CCD探測靈敏度的方法［J］.光電工程，2000，27（6）：5-8，65

［5］ Janesick JR，Elliott T，Collinss，et al.Scientific chargecoupled devices［J］.Opt.Eng.，1987，26（8）：692-714

［6］ 王以銘.電荷耦合器件原理與應用［M］.北京：科學出版社，1987：105-106

［7］ 許秀貞，李自田.CCD噪聲分析及處理技術(shù)［J］.外與激光工程，2004，33（4）：343-346，357

［8］ 王書宏.天文CCD相機的噪聲分析與信噪比模型的研究［J］.半導體光電，2007，28（5）：731-734

［9］ 王帥.CCD器件的特性評價及其驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集電路設計［D］.浙江大學，2006

［10］ 李彬華.科學級CCD特性以及相機結(jié)構(gòu)研究［D］.中國科學院國家天文臺，2003

［11］ Manual of Andor DV437-BU2［Z］.Andor，2005

［12］ Hancock B R，Stirbl R C，Cunningham T J，et al.CMOS active pixel sensor specific performance effects on star tracker／imager position accuracy［J］.Proc.of SPIE，2001，4284：43－53

［13］ Blarre L，Piot D，Jacob P，et al.SED16 autonomous star sensor product line in flight results，new developments and improvements in progress［C］.AIAA Guidance，Navigation，and Control Conference，San Francisco，CA，USA，Aug.15-18，2005.

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，研究方向為光學檢測（e-mail：shenbenjian＠163.com）.

V248.21

A

1674-1579（2009）06-0036-05