隨機(jī)亮點(diǎn)對(duì)電荷耦合器件的影響研究

楊小虎

摘要： 針對(duì)電荷耦合器件工作過程中出現(xiàn)的隨機(jī)亮點(diǎn)，通過與國(guó)外先進(jìn)儀器公司的產(chǎn)品以及不同型號(hào)探測(cè)器的比對(duì)分析，確認(rèn)了宇宙射線為隨機(jī)亮點(diǎn)產(chǎn)生的原因。進(jìn)一步的研究表明，由宇宙射線產(chǎn)生的隨機(jī)亮點(diǎn)對(duì)探測(cè)器不產(chǎn)生傷害，且可以通過數(shù)據(jù)處理予以消除。

關(guān)鍵詞：電荷耦合器件；隨機(jī)亮點(diǎn)；宇宙射線

中圖分類號(hào)：TP732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）31-0211-02

1 引言

電荷耦合器件（Charge Coupled Devices， CCD）作為地面及太空儀器設(shè)備主流的探測(cè)元件，具有低噪聲、高量子效率、寬響應(yīng)波段、重量輕、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，CCD各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)還受到應(yīng)用背景、軟件開發(fā)以及使用條件的限制，從而存在一些明顯的不足。隨機(jī)亮點(diǎn)正是CCD使用過程中出現(xiàn)的一種不符合原理的現(xiàn)象，本文針對(duì)該現(xiàn)象形成的原因及其之于電荷耦合器件的影響展開研究【1】。

2隨機(jī)亮點(diǎn)

2.1 現(xiàn)象描述

在本項(xiàng)目組研制的紫外臨邊探測(cè)載荷暗背景圖像中，在幀與幀圖像之間，間或有幾幀圖像出現(xiàn)隨機(jī)亮點(diǎn)，如圖1所示，其出現(xiàn)位置、所占像素大小和亮度都不固定。

圖1 像素出現(xiàn)隨機(jī)亮點(diǎn)現(xiàn)象示例

為了查看該隨機(jī)亮點(diǎn)是否與電路設(shè)計(jì)或者探測(cè)器本身有關(guān)，依次對(duì)美國(guó)普林斯頓公司生產(chǎn)的PI相機(jī)以及不同批次、不同型號(hào)的CCD探測(cè)器進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其均有類似的現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 普林斯頓PI相機(jī)、不同批次及不同型號(hào)CCD隨機(jī)亮點(diǎn)現(xiàn)象示例

進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，不同批次、不同型號(hào)探測(cè)器以及美國(guó)普林斯頓公司高性能PI相機(jī)之間，隨機(jī)亮點(diǎn)各自出現(xiàn)的頻率均約2%～3%，且99.8%的隨機(jī)亮點(diǎn)圖像中，隨機(jī)亮點(diǎn)信號(hào)約高出周圍信號(hào)2～3倍，只有0.2%的隨機(jī)亮點(diǎn)高出周圍信號(hào)5～10倍。

2.2 原因分析

由上述現(xiàn)象描述可知，隨機(jī)亮點(diǎn)與探測(cè)器本身、電路設(shè)計(jì)以及使用環(huán)境并沒有直接聯(lián)系。通過與CCD探測(cè)器生產(chǎn)廠家交流知道，自然環(huán)境中的宇宙射線等高能輻射，更容易被大面陣CCD探測(cè)器接收，從而對(duì)其正常工作產(chǎn)生干擾，這種影響尤其在微弱信號(hào)探測(cè)時(shí)更為明顯[2-4]。

此外，本項(xiàng)目組自行研發(fā)的CCD探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路與美國(guó)普林斯頓公司研制的高性能相機(jī)電路在隨機(jī)亮點(diǎn)水平上接近一致，可見隨機(jī)亮點(diǎn)乃CCD探測(cè)器弱信號(hào)探測(cè)下的共性問題，目前國(guó)際上的技術(shù)水平也無法徹底根治，除非將CCD探測(cè)器、相關(guān)電路等置于很厚的鉛密閉室內(nèi)才能隔絕無處不在的宇宙射線。

3 數(shù)據(jù)處理

隨機(jī)亮點(diǎn)不可避免，尤其在外太空，這種宇宙射線可能會(huì)更多，眾多在軌儀器的成功運(yùn)行表明，宇宙射線對(duì)于探測(cè)器的這種干擾不是致命的，并不會(huì)造成CCD探測(cè)器的損壞。

由于在軌觀測(cè)時(shí)目標(biāo)信號(hào)的連續(xù)性、宇宙射線的隨機(jī)性以及CCD探測(cè)器相鄰位置的響應(yīng)均勻性，為隨機(jī)亮點(diǎn)的處理提供了一種可行之法。

在出現(xiàn)隨機(jī)亮點(diǎn)的圖像中，可直接剔除該隨機(jī)亮點(diǎn)的信號(hào)，并以其周圍信號(hào)的平均值代替該像素處的信號(hào)水平，該處理方法能將隨機(jī)亮點(diǎn)與相鄰像素之間成倍的信號(hào)差異縮小到5%以內(nèi)，從而大大消除這種隨機(jī)亮點(diǎn)引起的數(shù)據(jù)粗大測(cè)量誤差。

4 結(jié)論

本文針對(duì)CCD探測(cè)器使用過程中出現(xiàn)的隨機(jī)亮點(diǎn)進(jìn)行了比對(duì)分析，明確了其出現(xiàn)的規(guī)律及特點(diǎn)。通過與CCD探測(cè)器生產(chǎn)廠家的溝通知道了隨機(jī)亮點(diǎn)產(chǎn)生的原因，并依據(jù)隨機(jī)亮點(diǎn)自身及探測(cè)目標(biāo)的特點(diǎn)提出了一種減小隨機(jī)亮點(diǎn)引起CCD探測(cè)器工作的方法，對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)具有較大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] STEVE B. HOWELL. HANDBOOK OF CCD ASTRONOMY[M]. Cambridge University Press，2000.

[2] Don Groom. Cosmic Rays and Other Nonsense in Astronomical CCD Imagers[J]. Cosmic Rays and other Nonsense，301-311.

[3] A W Wolfendale. Origin of cosmic rays[J]. Pramanam，1979，12（6）.

[4] Zhu J， Zhu ZQ， Wang C etc，al.. Cosmic-Ray Detection Based on Gray-Scale Morphology of Spectroscopic CCD Images[J].PUBLICATIONS OF THE ASTRONOMICAL SOCIETY OF AUSTRALIA，2009，26（1）：58.