圖像傳感器輻射損傷對(duì)光通信系統(tǒng)跟瞄精度的影響分析

李曉亮，羅 磊，孫 毅，魏志超，于慶奎

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圖像傳感器輻射損傷對(duì)光通信系統(tǒng)跟瞄精度的影響分析

李曉亮，羅 磊，孫 毅，魏志超，于慶奎

（中國(guó)航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中的圖像傳感器在空間輻射環(huán)境中會(huì)因輻射損傷導(dǎo)致成像噪聲增大，從而在確定光斑質(zhì)心時(shí)產(chǎn)生偏差，影響系統(tǒng)跟瞄精度。文章基于典型器件地面輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，利用灰度質(zhì)心算法對(duì)不同尺寸模擬缺陷光斑的質(zhì)心偏差量進(jìn)行計(jì)算，并分析質(zhì)心偏差對(duì)系統(tǒng)跟瞄精度的影響。結(jié)果表明：光斑的質(zhì)心偏移與輻射產(chǎn)生缺陷像素的數(shù)量和位置均相關(guān)；增大光斑尺寸可減小質(zhì)心偏差。最后，從抗輻射損傷能力角度為系統(tǒng)光斑尺寸選取提出約束條件要求。

衛(wèi)星光通信；圖像傳感器；輻射損傷；光斑定位；灰度質(zhì)心算法；跟瞄精度

0 引言

在衛(wèi)星光通信中，為了實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)—捕獲—跟蹤（PAT）系統(tǒng)鏈路的快速建立和穩(wěn)定保持，光路中的圖像傳感器必須能夠精確地定位光斑質(zhì)心位置，并實(shí)時(shí)返回至控制環(huán)路；控制器根據(jù)質(zhì)心位置信息進(jìn)行姿態(tài)校正，使光束精確指向?qū)Ψ浇K端。因此，保證光通信系統(tǒng)跟瞄精度是建立、維持通信鏈路的重要條件[1-2]。

在空間應(yīng)用環(huán)境中，圖像傳感器會(huì)因輻射損傷導(dǎo)致器件暗電流、光響應(yīng)均勻度等參數(shù)退化，產(chǎn)生壞點(diǎn)等現(xiàn)象，造成光斑成像質(zhì)量下降，影響光斑定位精度。本文基于地面輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估圖像傳感器輻射損傷前后成像性能的變化程度，利用灰度質(zhì)心算法計(jì)算成像光斑質(zhì)心偏差量，分析輻射損傷引起的質(zhì)心偏差對(duì)跟瞄精度的影響。

1 光通信系統(tǒng)工作原理

衛(wèi)星光通信采用視軸通信方式，兩個(gè)通信終端間的精確對(duì)準(zhǔn)以及激光鏈路的穩(wěn)定保持是實(shí)現(xiàn)通信的前提，因此PAT技術(shù)是光通信系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素。圖1[3]所示為光通信系統(tǒng)終端光路與電控部分：光學(xué)天線(xiàn)接收到信標(biāo)光后，首先根據(jù)粗瞄子系統(tǒng)中的光斑位置實(shí)現(xiàn)粗瞄電控系統(tǒng)誤差校正，校正后的光束經(jīng)精瞄鏡及分束鏡在精瞄環(huán)路成像，并進(jìn)一步根據(jù)成像光斑位置完成精瞄子系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)偏差校正，最終實(shí)現(xiàn)通信。

圖1 光通信系統(tǒng)終端光路與電控部分示意

成像光斑質(zhì)心位置是光通信系統(tǒng)瞄準(zhǔn)、跟蹤過(guò)程中的重要信息，系統(tǒng)根據(jù)質(zhì)心位置進(jìn)行跟瞄。由于衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的通信距離遠(yuǎn)、接收光斑能量弱，對(duì)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度要求極高，通信光束對(duì)準(zhǔn)偏差通常在μrad量級(jí)，因此光斑質(zhì)心位置若發(fā)生偏移，會(huì)對(duì)光通信系統(tǒng)鏈路穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[4-6]。

2 輻照試驗(yàn)及損傷分析

在空間輻射環(huán)境中，圖像傳感器的輻射損傷主要考慮總劑量效應(yīng)和位移效應(yīng)。本文分別對(duì)CMV 4000和HS1216兩款CMOS器件進(jìn)行輻照試驗(yàn)，其中總劑量試驗(yàn)在北京大學(xué)鈷源室進(jìn)行，位移試驗(yàn)分別利用北京大學(xué)質(zhì)子加速器和中國(guó)工程物理研究院穩(wěn)態(tài)中子加速器進(jìn)行，試驗(yàn)樣品信息見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣品信息

根據(jù)工程型號(hào)保障要求，元器件用于中地球軌道且壽命8年以上者，抗位移損傷能力應(yīng)大于4×1011n/cm2（2.54mm鋁屏蔽）。為評(píng)估器件抗位移損傷能力，且結(jié)合應(yīng)用環(huán)境要求，設(shè)定CMV4000測(cè)試劑量點(diǎn)為1×1010、5×1010、2×1011p/cm2；HS1216測(cè)試劑量點(diǎn)為1×1011、4×1011n/cm2。

CMV4000為面陣圖像傳感器，采用10MeV質(zhì)子輻照至2×1011p/cm2前后的成像圖像如圖2所示。HS1216器件為線(xiàn)陣圖像傳感器，采用1MeV中子輻照至1×1011n/cm2前后的成像圖片如圖3所示，輻射損傷對(duì)器件成像造成的點(diǎn)缺陷表現(xiàn)為2類(lèi)：一類(lèi)為噪點(diǎn)，即暗電流明顯超出器件平均暗電流的像素點(diǎn)，如圖3(a)所示；另一類(lèi)為壞點(diǎn)，即像素點(diǎn)物理?yè)p傷，喪失光響應(yīng)能力，如圖3(b)所示。在下文圖像處理過(guò)程中將它們統(tǒng)稱(chēng)為點(diǎn)缺陷。

圖2 CMV4000輻照至2×1011 p/cm2前后成像圖片

(a) 輻照致像素噪點(diǎn)

(b) 輻照致像素壞點(diǎn)

圖3 HS1216輻照至1×1011n/cm2前后成像圖片

Fig. 3 Image of HS1216 before and after irradiation of 1×1011n/cm2

器件位移損傷在光敏單元產(chǎn)生缺陷中心，進(jìn)而影響載流子的產(chǎn)生與復(fù)合，導(dǎo)致暗電流增大?？倓┝啃?yīng)在SiO2層中產(chǎn)生電子–空穴對(duì)，促使器件暗電流增大；此外，總劑量導(dǎo)致閾值電壓的漂移，令耗盡區(qū)厚度減小，使進(jìn)入光敏二極管勢(shì)阱的電子數(shù)增加，也會(huì)導(dǎo)致暗電流增大[7-8]。圖4和圖5分別為對(duì)CMV4000器件利用質(zhì)子和γ射線(xiàn)進(jìn)行輻照時(shí)暗電流隨輻照積累的變化趨勢(shì)：質(zhì)子輻照至2×1011p/cm2時(shí)，暗電流增長(zhǎng)15.3倍；γ射線(xiàn)輻照劑量達(dá)到100krad(Si)時(shí)，暗電流增長(zhǎng)56.6倍。圖6和圖7分別為對(duì)HS1216器件利用中子和γ射線(xiàn)輻照時(shí)暗電流隨輻照積累的變化趨勢(shì)：中子輻照至4×1011n/cm2時(shí)，暗電流增加1.7倍；γ射線(xiàn)輻射至75krad(Si)時(shí)，暗電流增加6倍。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，位移損傷和總劑量效應(yīng)均對(duì)器件產(chǎn)生嚴(yán)重影響，器件參數(shù)退化明顯，暗電流的大幅增加導(dǎo)致噪點(diǎn)大量出現(xiàn)，嚴(yán)重影響器件成像質(zhì)量。

圖4 CMV4000的暗電流隨質(zhì)子輻照注量變化曲線(xiàn)

圖5 CMV4000的暗電流隨γ射線(xiàn)輻照劑量變化趨勢(shì)

圖6 HS1216的暗電流隨中子輻照注量變化曲線(xiàn)

圖7 HS1216的暗電流隨γ射線(xiàn)輻照劑量變化曲線(xiàn)

3 灰度質(zhì)心算法

圖像傳感器在空間應(yīng)用時(shí)，輻射損傷是位移效應(yīng)和總劑量效應(yīng)二者累積的結(jié)果；在器件現(xiàn)有抗輻射能力前提下，輻射損傷對(duì)器件成像性能的影響不容忽視。特別是輻射損傷誘發(fā)的器件暗電流明顯增大，以及出現(xiàn)大量噪點(diǎn)或壞點(diǎn)，對(duì)成像光斑質(zhì)心定位會(huì)造成惡劣影響，進(jìn)而影響光通信系統(tǒng)依據(jù)光斑質(zhì)心位置信息進(jìn)行跟瞄控制的性能。下面采用灰度質(zhì)心算法對(duì)存在輻射致缺陷的光斑質(zhì)心定位偏差進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而分析其對(duì)系統(tǒng)跟瞄精度的影響。

對(duì)于光斑亞像素定位的軟件算法可分為2種，一種為擬合形心法，即將光斑灰度分布或邊緣輪廓擬合為對(duì)稱(chēng)函數(shù)或幾何圖形，以其對(duì)稱(chēng)中心作為光斑的定位結(jié)果；另一種為灰度質(zhì)心法，即利用光斑圖像的灰度重心所對(duì)應(yīng)的像素位置作為光斑位置的定位結(jié)果[9-10]。而光通信終端成像光斑定位大多采用灰度質(zhì)心法，該算法可以表示為

式中：(x,y)為像素灰度值；x和y為對(duì)應(yīng)的行列坐標(biāo)；x和y為光斑質(zhì)心坐標(biāo)。

利用灰度質(zhì)心算法計(jì)算圖像質(zhì)心。圖8和圖9分別給出了不同尺寸光斑在不同缺陷狀態(tài)下的質(zhì)心定位圖像，圖中藍(lán)色圓點(diǎn)為光斑質(zhì)心，即跟瞄過(guò)程的靶標(biāo)中心，白點(diǎn)為模擬缺陷點(diǎn)。表2和表3為對(duì)應(yīng)的質(zhì)心坐標(biāo)，μm。

(a) 原始圖像??????(b) 規(guī)則點(diǎn)缺陷圖像

(c) 隨機(jī)點(diǎn)缺陷圖像??????(d) 全窗口隨機(jī)缺陷圖像

圖8 大尺寸光斑不同缺陷狀態(tài)下的質(zhì)心定位圖像

Fig. 8 The big spot centroid location image under different defects

表2 大尺寸光斑不同缺陷狀態(tài)下的質(zhì)心定位坐標(biāo)

(a) 原始圖像??????(b) 規(guī)則點(diǎn)缺陷圖像

(c) 隨機(jī)點(diǎn)缺陷圖像??????(d) 全窗口隨機(jī)缺陷圖像

圖9 小尺寸光斑不同缺陷狀態(tài)下的質(zhì)心定位圖像

Fig. 9 The small spot centroid location image under different defects

表3 小尺寸光斑不同缺陷狀態(tài)下的質(zhì)心定位坐標(biāo)

計(jì)算上述2種情況下光斑質(zhì)心的偏移量，結(jié)果如表4所示，其中Δ、Δ分別表示質(zhì)心坐標(biāo)相比原始圖像質(zhì)心在軸和軸方向上的偏移量，質(zhì)心偏差表示光斑質(zhì)心（圖中藍(lán)點(diǎn)）的偏移距離。

表4 光斑質(zhì)心坐標(biāo)偏移量比較（歸一化為像素）

對(duì)比2種計(jì)算結(jié)果可知，缺陷像素的引入會(huì)導(dǎo)致光斑質(zhì)心偏移，在大尺寸光斑圖像中引入點(diǎn)缺陷情況下質(zhì)心偏差約為1個(gè)像素，全窗口隨機(jī)引入缺陷點(diǎn)的情況下質(zhì)心偏差達(dá)到6個(gè)像素；在小尺寸光斑圖像中引入規(guī)則點(diǎn)缺陷和隨機(jī)點(diǎn)缺陷時(shí)質(zhì)心偏差分別為39個(gè)像素和33個(gè)像素，全窗口隨機(jī)引入缺陷點(diǎn)的情況下質(zhì)心偏差達(dá)到38個(gè)像素。即，光斑質(zhì)心的偏移不僅與缺陷像素的數(shù)量相關(guān)，而且與缺陷像素的位置也密切相關(guān)；缺陷像素的引入對(duì)小尺寸光斑的影響作用更為突出。

4 討論

以光學(xué)天線(xiàn)口徑250mm、系統(tǒng)F數(shù)為4.5的終端為例，分析圖像傳感器輻射損傷對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，總劑量效應(yīng)和位移效應(yīng)均會(huì)使器件成像質(zhì)量下降，造成光斑定位偏差，直接影響光通信跟瞄子系統(tǒng)鏈路的穩(wěn)定性。本文中器件型號(hào)不一，故像元尺寸不同。若取像元大小為6.7μm×6.7μm，則光斑質(zhì)心位置移動(dòng)1個(gè)像素意味著光束方向偏移6μrad。從第3節(jié)中缺陷光斑質(zhì)心計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)存在單點(diǎn)缺陷時(shí)，對(duì)于大尺寸光斑而言光束方向偏移量為6μrad，對(duì)于小尺寸光斑而言光束方向偏移量達(dá)到150μrad以上；當(dāng)全窗口存在隨機(jī)缺陷時(shí)，對(duì)于大尺寸光斑而言光束方向偏移量為27μrad，對(duì)于小尺寸光斑而言光束方向偏移量為230μrad。光通信系統(tǒng)跟瞄精度通常在μrad量級(jí)；從輻射損傷導(dǎo)致的質(zhì)心定位偏差計(jì)算結(jié)果可知，大尺寸光斑的偏差量與跟瞄精度相當(dāng)，而小尺寸光斑的偏差量超出跟瞄精度10倍以上，難以實(shí)現(xiàn)通信要求。

圖像傳感器成像光斑尺寸越大，質(zhì)心測(cè)量結(jié)果精度越高，通信系統(tǒng)跟瞄精度也相應(yīng)提高。但在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，受限于衛(wèi)星平臺(tái)，發(fā)射光源功率較小，圖像傳感器獲得的光斑尺寸比較??；另外，大尺寸光斑也會(huì)增加處理器運(yùn)算量，影響信號(hào)探測(cè)的效率。因此，光斑具體尺寸的選擇需要一個(gè)優(yōu)化過(guò)程，可參考文獻(xiàn)[11]，除了考慮系統(tǒng)本身?xiàng)l件限制因素，還應(yīng)增加抗輻射損傷方面的約束條件。從抗輻射應(yīng)用加固角度考慮，可采用預(yù)處理或噪聲去除提高質(zhì)心定位精度，但這會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)提取光斑的質(zhì)心位置，故需要結(jié)合通信實(shí)時(shí)性進(jìn)行折中權(quán)衡。

5 結(jié)束語(yǔ)

在衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中，保證圖像傳感器的抗輻射能力是系統(tǒng)具備良好性能的前提和關(guān)鍵。衛(wèi)星光通信終端在空間輻射環(huán)境中受總劑量效應(yīng)和位移效應(yīng)的影響會(huì)導(dǎo)致暗電流增大、噪點(diǎn)數(shù)增加，直接影響器件成像質(zhì)量。本文通過(guò)灰度質(zhì)心算法計(jì)算了在不同模擬缺陷狀態(tài)下成像光斑質(zhì)心的偏移量，結(jié)果表明，輻射損傷的缺陷像素對(duì)小尺寸光斑的定位結(jié)果影響非常大，質(zhì)心定位偏差已大大超出跟瞄精度為μrad量級(jí)的要求。增大光斑尺寸可以降低缺陷像素對(duì)質(zhì)心定位的影響，但是實(shí)際應(yīng)用中受系統(tǒng)限制，成像光斑不會(huì)過(guò)大，因此，輻射損傷對(duì)系統(tǒng)跟瞄精度的影響不可忽視。在系統(tǒng)光斑尺寸優(yōu)化選取過(guò)程中，除了考慮系統(tǒng)自身限制條件外，還應(yīng)增加抗輻射能力這一考慮因素。

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（編輯：張艷艷）

The influence of image sensor irradiation damage on the tracking and pointing accuracy of optical communication system

LI Xiaoliang, LUO Lei, SUN Yi, WEI Zhichao, YU Qingkui

(China Aerospace Components Engineering Center, Beijing 100094, China)

The image sensor in the optical communication for satellite may produce noise due to the space irradiation damage, which leads to the deviation in determining the light spot centroid. Based on the irradiation test data for typical CMOS devices, different sizes of simulated defect spots are used for calculating the centroid deviation value by a grey-level centroid algorithm, and the impact on the tracking & pointing accuracy of the system is analyzed. It is shown that both the amount and the position of defect pixels caused by the irradiation contribute to the spot centroid deviation; and the larger the spots, the less the centroid deviation will be. Some suggestions are made with regard to the constraints for the spot size selection with consideration of the space radiation damage.

optical communication for satellite; image sensor; irradiation damage; spot location; gray-level centroid algorithm; tracking & pointing accuracy

TN929.13

A

1673-1379(2017)02-0171-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.011

2016-09-02；

2017-03-03

李曉亮（1990—），男，碩士學(xué)位，主要從事宇航元器件抗輻射保證研究工作。E-mail: lixiaoliang242@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544