淺談小型化星敏感器圖像傳感器的選型及其靈敏度提高方法

游鵬程，桑文華，嚴(yán)小軍，廖波勇

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

?

淺談小型化星敏感器圖像傳感器的選型及其靈敏度提高方法

游鵬程，桑文華，嚴(yán)小軍，廖波勇

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

簡要介紹了圖像傳感器的類型和基本原理，分析比較了幾種星敏感器中比較常用的CCD和CMOS APS圖像傳感器的特點。重點針對這兩類圖像傳感器的溫度特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析討論。同時，針對星敏感器方案設(shè)計中的約束條件，詳細(xì)介紹了圖像傳感器的選型分析計算過程。最后綜合考慮多種約束條件，簡要地提出了幾種可以提高星探測靈敏度的方法。

CCD；CMOSAPS；星敏感器；靈敏度

0　引言

在各種航天器的姿態(tài)測量和控制系統(tǒng)中，星敏感器起著非常重要的作用，是最為精密的姿態(tài)測量部件之一。星敏感器中，圖像傳感器是整個系統(tǒng)工作的核心部件，其任務(wù)是把光學(xué)系統(tǒng)在焦平面上的成像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，形成電信號，經(jīng)由后續(xù)電路處理，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的數(shù)字圖像信號，然后送到后續(xù)處理器模塊進(jìn)行處理［7］。在空間環(huán)境應(yīng)用中，特別是彈載平臺應(yīng)用中，由于受到各種苛刻條件的約束，如過載、溫度、電磁干擾等，對星敏感器的可靠性、重量、功耗、抗輻射性能等都提出了比較高的要求。

1　圖像傳感器的發(fā)展簡述

圖像傳感器根據(jù)原理結(jié)構(gòu)的差異可分為CCD型和CMOS型圖像傳感器［1］；而CMOS型圖像傳感器根據(jù)像元結(jié)構(gòu)內(nèi)是否具有信號放大器的有源結(jié)構(gòu)又可分為CMOS PPS（無源像元）和CMOS APS（有源像元）［2］兩種子類型。CCD型圖像傳感器是模擬和數(shù)字混合的結(jié)構(gòu)，需要復(fù)雜的驅(qū)動電路及視頻信號處理電路，但是光電轉(zhuǎn)換靈敏度高，在信噪比方面與CMOS相比具有一定的優(yōu)勢，目前不少對精度要求比較高的星敏感器都采用CCD傳感器。CMOS圖像傳感器是使用與制造DRAM同樣的技術(shù)，幾乎與CCD同時出現(xiàn)。但是早期的CMOS圖像傳感器的像素為無源像素結(jié)構(gòu)，因此信噪比比較低，成像質(zhì)量差，并沒有得到廣泛應(yīng)用。后來在像元電路中引入了信號放大器來改善像元的性能，使得信噪比有很大的提升后，才逐漸發(fā)展起來了；同時CMOS不受電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，讀取速度快，圖像質(zhì)量明顯改善。而且具有集成度高、無需外圍驅(qū)動電路和視頻信號處理電路、電源設(shè)計簡單及全數(shù)字化結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，近年來已成為國外星敏感器研究的重點，未來具有很大的潛力。因此CMOS APS星敏感器具有更小的尺寸、功耗也更低。

國內(nèi)外基于CCD圖像傳感器的星敏感器起步比較早，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，具有較優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和較低的噪聲水平，但是其系統(tǒng)驅(qū)動復(fù)雜、功耗大，通常用于對精度要求比較高的地方。

目前，隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，CMOS傳感器在靈敏度和信噪比方面與CCD傳感器的差距正在越來越小。實際工業(yè)應(yīng)用CCD圖像傳感器的生產(chǎn)廠家比較少，主要有ONSEMI、SONY、Philips等幾家公司。而CMOS圖像傳感器由于采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，生產(chǎn)的廠商比較多，軍工應(yīng)用做的比較好的非常少，主要是CMOSIS公司。表1、表2中挑選了幾款比較常用的CCD圖像傳感器和CMOS APS圖像傳感器，并簡要列出了其規(guī)格特點。

表1　幾種典型的CCD圖像傳感器Table 1Several common CCD image sensors

表2　幾種典型的CMOS圖像傳感器Table 2Several common CMOS image sensors

2　CCD和CMOS圖像傳感器溫度特性

由于星敏感器的工作平臺相比太空穩(wěn)定的運行環(huán)境要惡劣得多，如大過載、溫差范圍大、電磁環(huán)境復(fù)雜等。因此，對平臺上星敏感器提出了更嚴(yán)苛的要求，特別是工作溫度的限制要求。

工作平臺環(huán)境溫度一般為50?C左右，這樣就對星敏感器的圖像傳感器提出了很高的要求。根據(jù)圖像傳感器芯片手冊資料我們了解到，通常情況下，圖像傳感器芯片在正常工作時，芯片自身的溫度一般會比工作環(huán)境溫度高大約10?C～15?C［3］。隨著芯片溫度的升高，芯片輸出的暗電流噪聲也不斷增加。以CMOSIS公司的CMOS APS圖像傳感器CMV4000為例，在25?C環(huán)境溫度下其暗電流噪聲為125e/s，溫度每升高大約6.5?C時，其暗電流噪聲將增加1倍。

而CCD圖像傳感器關(guān)于溫度的特性也類似，以CCD傳感器KAF3200為例，其25?C環(huán)境溫度下暗電流噪聲約為20pA/cm2，溫度每升高6?C，其暗電流噪聲輸出增加1倍。而CCD圖像傳感器FTT1010-M芯片在30?C時，其暗電流噪聲約為20pA/cm2，當(dāng)溫度升高到60?C，其暗電流噪聲升至300pA/cm2，其暗電流溫度曲線如圖1所示。從圖1中可以看出隨著溫度的升高，暗電流噪聲幾乎呈線性上升，在正常工作條件下，溫度越低，芯片的暗電流噪聲也越低。

圖1　KAF3200芯片的暗電流-溫度特性曲線Fig.1Dark current-temperature cure of the KAF3200

當(dāng)溫度超過芯片的正常工作溫度范圍時，芯片的暗電流、讀出噪聲等會急劇上升，以致芯片無法正常輸出圖像數(shù)據(jù)。通過分析可以知道，CCD和CMOS APS圖像傳感器隨著溫度的升高，其暗電流噪聲都會明顯上升，但是由于在通常情況下，CCD圖像傳感器的填充系數(shù)高于CMOS型式的圖像傳感器，靈敏度相對來說也稍高些。但是在溫度比較高的情況下，CCD和CMOS APS圖像傳感器的噪聲都比較大，二者的差距并不是太大。工作情況都要比低溫環(huán)境下要差。需要在后續(xù)的信號處理中降低噪聲，提升信噪比。同時在有條件的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量采取降溫措施。

由于平臺工作環(huán)境的特殊性，安裝于平臺上的星敏感器與外殼隔離，因此，采用輻射散熱和傳導(dǎo)散熱的措施都不可行，只能在后續(xù)的硬件設(shè)計和軟件算法設(shè)計中來提升信號的質(zhì)量，提升信噪比。另一方面，在如此高的工作溫度下，大部分CCD圖像傳感器由于暗電流噪聲的急劇上升，其性能都不太理想。而CMOS APS圖像傳感器雖然暗電流噪聲也會快速上升，但是通常情況下其表現(xiàn)要比CCD圖像傳感器要理想的多。

3　圖像傳感器選型計算

3.1圖像傳感器類型的選取

由于CMOS APS和CCD圖像傳感器采用同樣的硅材料，光譜響應(yīng)和量子效率接近，像元尺寸和電荷的存儲容量也相接近，但由于CMOS技術(shù)和工藝以及有源像元的結(jié)構(gòu)特點，使得COMS APS具有CCD無法相比的優(yōu)勢：集成度高、單一電源供電、低功耗、抗輻射能力強、動態(tài)范圍大、數(shù)據(jù)讀出方式靈活等。此外CMOS APS的窗口讀出模式可對感興趣的區(qū)域像素進(jìn)行隨機讀取。由于通常采用全局快門，其輸出圖像不會產(chǎn)生模糊現(xiàn)象。CMOS APS圖像傳感器的不利因素在于它的光電特性和感光面積，相對于CCD的100%的填充系數(shù)［4］，CMOS APS的填充系數(shù)一般為30%～70%。而且標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，使得CMOS圖像傳感器在信噪比、靈敏度、圖像的非均勻性、暗電流噪聲等方面稍遜色于CCD。但是最近幾年來，隨著CMOS工藝技術(shù)的進(jìn)步，CMOS和CCD的差距正在逐漸接近，CMOS在很多方面正在逐步替代CCD。

對于小型化星敏感器的系統(tǒng)設(shè)計而言，首先要考慮星敏感器系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該滿足任務(wù)書的技術(shù)要求。主要包括視場、星等靈敏度、更新速率、體積、重量、工作溫度等。這些技術(shù)參數(shù)既相互關(guān)聯(lián)又相互制約，共同決定了星敏感器系統(tǒng)的性能水平。綜合衡量任務(wù)書中的其他約束條件如功耗、數(shù)據(jù)更新速率、平臺環(huán)境溫度、尺寸和重量等技術(shù)條件，特別是尺寸和重量及功耗條件，考慮到COMS APS圖像傳感器所具有的優(yōu)勢，比較適合采用CMOS APS形式的圖像傳感器設(shè)計方案。

3.2圖像傳感器型號選取的計算過程

我們假定星敏感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：1）有效視場要求≥5°×5°；2）尺寸不大于120mm× 120mm×120mm；3）功耗≤10W；4）數(shù)據(jù)更新率大于2Hz；5）工作溫度約50?C；6）視軸指向精度優(yōu)于1.5''；7）質(zhì)量不超過2kg。

首先，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，平臺預(yù)留空間為優(yōu)先考慮條件，這就基本決定了星敏感器的外形尺寸的大小。因此星敏感器結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)部布局優(yōu)先考慮尺寸條件，初步取鏡筒長度為70mm，鏡頭焦距f約為80mm。在鏡頭長度確定了之后，結(jié)合參考任務(wù)書給出的尺寸限制，即可確定接著后端的電源模塊和圖像處理模塊的初步結(jié)構(gòu)排布方式及電路處理模塊的結(jié)構(gòu)。

其次，根據(jù)視場（FOV）指標(biāo)要求［5］，在保證一定的芯片感光能量的前提下，結(jié)合之前確定的焦距f值及光學(xué)鏡頭的加工難度，綜合考慮選取鏡頭光圈F值為3左右，即可大致確定鏡頭的光學(xué)口徑，取入射光口徑d'為30mm。根據(jù)式（1）即可確定圖像傳感器芯片的大小。

式中，ω為光學(xué)系統(tǒng)的圓視場；a、b為圖像傳感器的長和寬（圖像傳感器通常為方形結(jié)構(gòu)）；f為鏡頭焦距；d'為鏡頭光學(xué)口徑。

一般來說，對正方形陣列的圖像傳感器芯片有：a=b，帶入?yún)?shù)計算可得出a=26.5mm。

最后，根據(jù)任務(wù)書中精度指標(biāo)的要求：視軸指向精度優(yōu)于1.5?。鏡頭裝配采用離焦設(shè)計，利用亞像元細(xì)分算法?？紤]國內(nèi)外亞像元細(xì)分算法的精度，假設(shè)星點質(zhì)心定位精度為1/10像素（3σ），針對單星，當(dāng)測量精度為1.5?（3σ）時，星敏感器測量精度可以采用式（2）進(jìn)行估算：

式中，d為單個像元尺寸；Ecentroid為像元細(xì)分精度；Esight為單星視軸測量精度。

將各參數(shù)帶入式（2）中計算，在滿足單星測量精度（3σ）的要求下，計算得單像素尺寸d= 6.5μm。

根據(jù)上述的星敏感器圖像傳感器計算流程，如圖2所示，即可初步確定一個圖像傳感器的主要尺寸和指標(biāo)要求。通常情況下，相對固定的光學(xué)視場和圖像傳感器尺寸，星敏感器測量精度隨著圖像傳感器像元數(shù)量的增加而提高，增加圖像傳感器陣列的像元素是提高星敏感器精度的最有效的方法。但是增加陣列的像元數(shù)會導(dǎo)致單個像元感光能量的降低，導(dǎo)致圖像信噪比的降低，不利于圖像信號的后期處理。同時還會帶來一系列的問題，如造價、功耗、可靠性問題等。

另一方面，但是如果陣列像元素多，單像元尺寸較小，填充因子較低，探測靈敏度下降，圖像信號信噪比降低；反之，像元尺寸越大，圖像信噪比會提高。所以對星敏感器中探測器的像元陣列大小的選擇，必須根據(jù)系統(tǒng)要求，綜合考慮星敏感器的性能指標(biāo)要求來選擇陣列大小的參數(shù)。在滿足星敏感器視軸指向精度要求的前提下，為了提高星等探測靈敏度，應(yīng)盡量選擇像元尺寸較大的CMOS傳感器。

圖2　圖像傳感器芯片選型計算流程Fig.2The computation flow of the choice of the image sensor

綜合以上的分析過程，同時考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和可靠性要求，隨機窗口讀取能力和非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式，以及抗輻射能力等條件，根據(jù)以上假設(shè)技術(shù)指標(biāo)要求，CMOSIS公司的CMV4000圖像傳感器尺寸大小為15cm×15cm，單個像素尺寸為5.5μm，工作溫度范圍為-30?C～70?C，滿足指標(biāo)要求。因此本設(shè)計選擇CMV4000作為星敏感器感光元件進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計。

4　提高星探測靈敏度的方法

由于CMOS圖像傳感器在低溫下才具有優(yōu)異的性能，噪聲水平隨著溫度的上升不斷的增大。同時工作環(huán)境也比較特殊，無法采用主動降溫或者被動降溫的措施。在系統(tǒng)設(shè)計方案圖像傳感器型號確定的情況下，只能采用其他的方式來提高星探測的相對靈敏度，減小測量過程中噪聲影響，提高信噪比，從而提高星亮度等級的探測能力。具體的措施可以考慮主要從以下幾個方面進(jìn)行提高：

（1）延長積分時間

延長積分時間，目標(biāo)星輸出信號得到線性提高，而系統(tǒng)噪聲以平方根增加，系統(tǒng)的整體信噪比得到提高，從而提高星等探測靈敏度。但是積分時間過長會造成星像移動引起“拖尾”現(xiàn)象［6］，CMOS暗電流噪聲也將增加，從而影響星位置測量精度。

（2）多幀相加

在實際使用中，通過快速幀采樣，減少一次積分時間，降低暗電流噪聲，將快速相鄰的兩個或多個圖像幀疊加，從而提高信噪比。采樣速度的要求必須克服飛行器運動帶來的星像移動。

（3）加大光學(xué)系有效孔徑

大的光學(xué)系統(tǒng)有效孔徑可以獲得更多的星光能量，從提高暗星探測能力的方面，提高了系統(tǒng)的星探測能力。但是這種方法需要增大光學(xué)系統(tǒng)焦距，會帶來系統(tǒng)體積質(zhì)量的增加。

（4）提高光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量

通過減小相差、增加透過率等可以提高光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，從而提高到達(dá)探測器的有效光子數(shù)。在電子系統(tǒng)性能大體相同的情況下，提高系統(tǒng)整體信噪比。

在圖像傳感器信號已經(jīng)確定了的情況下，通過以上幾種軟、硬件設(shè)計方法，可以適當(dāng)?shù)靥岣邎D像傳感器的靈敏度。

5　結(jié)論

本文主要介紹了圖像傳感器的工作原理，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為CCD和CMOS APS兩類，并列出了幾種主要的CCD和CMOS圖像傳感器及其發(fā)展概況。根據(jù)星敏感器工作的溫度特點，簡要分析了CCD和CMOS圖像傳感器的溫度特性。根據(jù)假定給出的星敏感器技術(shù)指標(biāo)要求，詳細(xì)分析了選定圖像傳感器的計算過程，選定了基于CMOS APS技術(shù)的CMV4000圖像傳感器型號作為星敏感器的設(shè)計方案選型。最后根據(jù)給定的設(shè)計要求，簡要介紹了提高星敏感器星等探測靈敏度的幾點措施。

［1］李杰，劉金國，劉亞俠，等.CMOS APS器件及其在星敏感器中的應(yīng)用［J］.半導(dǎo)體光電，2004，25（5）：333-336. LI Jie，LIU Jin-guo，LIU Ya-xia et al.Application of CMOS APS in star tracker［J］.Semiconductor Optoelectronics，2004，25（5）：333-336.

［2］何靈娜，崔維鑫，裴云天.CMOS星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計［J］.光學(xué)技術(shù)，2007，33（S1）：195-198. HE Ling-na，CUI Wei-xin，PEI Yun-tian.Optical design of CMOS star sensor［J］.Optical Technique，2007，33 （S1）：195-198.

［3］劉海波，譚吉春，郝云彩，等.環(huán)境溫度對星敏感器測量精度的影響［J］.光電工程，2008，35（12）：40-44. LIU Hai-bo，TAN Ji-chun，HAO Yun-cai，et al.Effect of ambient temperature on star measurement accuuacy［J］. Opto-electronic Engineering，2008，35（12）：40-44.

［4］Hancock Ruce R，Stirbl Robert C，Cunningham Thomas J，et al.CMOS active pixel sensor specific performance effects on star tracker/imager position accuracy［J］. SPIE，2001，4284：43-53.

［5］李杰.APS星敏感器關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.中國科學(xué)院研究生院，2005. LI Jie.Study on key technique of APS star sensor［D］. University of ChineseAcademy of Sciences，2005.

［6］黎向陽.基于LUPA4000的面陣CMOS圖像傳感器成像系統(tǒng)研究［D］.中國科學(xué)院研究生院，2008. LI Xiang-yang.Study of the CMOS image sensor imaging system based on LUPA4000［D］.University of ChineseAcademy of Sciences，2008.

［7］賴孝君，閻璐，馮憲周，等.基于紅外視頻的火災(zāi)探測算法［J］.導(dǎo)航與控制，2013，12（4）：30-36. LAI Xiao-jun，YAN Lu，F(xiàn)ENG Xian-zhou，et al.A fire flame detection algorithm based on infrared video［J］. Navigation and Control，2013，12（4）：30-36.

The Study of the Image Sensor of the Miniaturized Star Sensor and the Sensitivity Improving Method

YOU Peng-cheng，SANG Wen-hua，YAN Xiao-jun，LIAO Bo-yong
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

The principle and the sort of the image sensor are brief described in the paper.The characteristic of several kinds of CCD and CMOS APS image sensor are compared，focusing on the characteristic vs temperature of the image sensor.Meanwhile，aiming at constraint condition in the project design of the star sensor，detailed introduction of the counting process of the image sensor selection is proposed.At last，compositing various related constraint condition，several methods that may increase the sensitivity of the star senor are proposed briefly.

CCD；CMOSAPS；star sensor；sensitivity

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01032

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.014

游鵬程，男，碩士，工程師，研究方向為星敏感器硬件電路設(shè)計。

2014-12-09