CCD視頻信號(hào)處理器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

張旭輝 王媛媛 董建婷 汪洲 王殿中,2

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CCD視頻信號(hào)處理器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

張旭輝1王媛媛1董建婷1汪洲1王殿中1,2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

文章利用重離子地面模擬源，采用圖像分析方法，開展了CCD視頻信號(hào)處理器件單粒子效應(yīng)系統(tǒng)性試驗(yàn)與測試研究。首先介紹了器件單粒子效應(yīng)（SEE）試驗(yàn)方案、試驗(yàn)測試系統(tǒng)組成；然后通過試驗(yàn)研究獲得了器件單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）和單粒子鎖定（SEL）特征參數(shù)，評(píng)估了視頻信號(hào)處理器件單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)成像性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：地面試驗(yàn)測試系統(tǒng)可有效實(shí)時(shí)判斷、統(tǒng)計(jì)該器件單粒子效應(yīng)發(fā)生事件，并能直觀實(shí)時(shí)觀察到單粒子事件發(fā)生時(shí)遙感圖像的變化；視頻信號(hào)處理器件隨著重離子LET值增大，其單粒子截面呈增加趨勢，器件對(duì)重離子誘發(fā)的單粒子效應(yīng)比較敏感；單粒子鎖定對(duì)光學(xué)遙感器成像任務(wù)的危害程度高于單粒子翻轉(zhuǎn)。最后給出了采取單粒子鎖定防護(hù)建議。

視頻信號(hào)處理器件 單粒子效應(yīng) 試驗(yàn) 重離子 航天遙感

0 引言

隨著電子技術(shù)和衛(wèi)星光學(xué)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)遙感器電子設(shè)備中使用了集成度高、工藝復(fù)雜的現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、可編程只讀存儲(chǔ)器（Programmable Read-Only Memory，PROM）、CCD視頻信號(hào)處理器等大規(guī)模集成電路，但同時(shí)空間環(huán)境中以單粒子效應(yīng)為代表的輻射效應(yīng)也對(duì)這些器件的可靠性造成了嚴(yán)重威脅[[1-3]，從而使在軌設(shè)備或系統(tǒng)面臨發(fā)生故障甚至任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。近年針對(duì)FPGA、PROM的單粒子效應(yīng)分析、試驗(yàn)測試技術(shù)研究逐漸深入，獲取了較為成熟的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、檢測及評(píng)估方法[6-9]，而對(duì)CCD視頻信號(hào)處理器件的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)研究報(bào)道較少。視頻信號(hào)處理器件是光學(xué)遙感器光電信號(hào)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其器件內(nèi)部一般集成了相關(guān)雙采樣（CDS）、可調(diào)增益放大（PGA）、暗電平鉗位校正、參考電壓、AD轉(zhuǎn)換、輸出緩沖、串口配置、時(shí)序邏輯發(fā)生等模塊，其中相關(guān)雙采樣和AD轉(zhuǎn)換模塊是最主要的模塊，也是大多數(shù)CCD視頻處理器件的必備模塊。視頻信號(hào)處理器件至少包含CMOS模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器（比較器，增益放大）、CMOS邏輯器件等對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的電路單元，單粒子效應(yīng)可能會(huì)引起CCD視頻信號(hào)處理器件的性能參數(shù)（轉(zhuǎn)換精度、誤碼率、功耗等）退化、甚至功能失效，最終使遙感器圖像失真、直至圖像功能喪失[10]。本文針對(duì)光學(xué)遙感器光電信號(hào)處理系統(tǒng)中使用的CCD視頻信號(hào)處理器件，選擇ADI公司生產(chǎn)的AD系列器件作為試驗(yàn)研究對(duì)象，利用重離子地面模擬源，采用圖像分析方法，開展了器件單粒子效應(yīng)系統(tǒng)性試驗(yàn)與測試研究，評(píng)估了視頻信號(hào)處理器件的單粒子效應(yīng)敏感性及其單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)成像性能的影響。

1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)器件采用ADI公司生產(chǎn)的視頻信號(hào)處理器件（型號(hào)AD9942，14 bit數(shù)字量化，雙通道），工作電壓3.3V，最大相關(guān)雙采樣頻率為40MHz，質(zhì)量等級(jí)為工業(yè)級(jí)。試驗(yàn)器件試驗(yàn)前做專業(yè)開帽處理[7]，以保證重離子能夠射入器件靈敏區(qū)內(nèi)。

針對(duì)CCD視頻信號(hào)處理器件，建立單粒子效應(yīng)試驗(yàn)測試系統(tǒng)[11-12]。試驗(yàn)測試系統(tǒng)包括重離子輻射源設(shè)備、CCD模擬信號(hào)源電路、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、電源轉(zhuǎn)換及監(jiān)測電路、數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及測溫系統(tǒng)等。試驗(yàn)器件位于信號(hào)處理電路中。

電路性能指標(biāo)：電源為±5V，3.3V；信號(hào)頻率為12MHz；數(shù)據(jù)合成頻率為72MHz。

信號(hào)處理電路置于真空靶室內(nèi)，在真空條件下，試驗(yàn)器件接受重離子輻照。輔助電路就近放置在真空靶室外的輻照試驗(yàn)室內(nèi)，用鋁盒進(jìn)行屏蔽，防止電磁干擾。

試驗(yàn)測試系統(tǒng)布局如圖1所示。

試驗(yàn)過程中，通過單粒子效應(yīng)檢測軟件，統(tǒng)計(jì)單粒子效應(yīng)事件，并通過觀測器件電源端電流、系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)及圖像變化，對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子鎖定（SEL）進(jìn)行識(shí)別判定，最終獲取器件單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定特征參數(shù)。

（1）試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

CCD模擬信號(hào)源電路模擬4 096元CCD探測器輸出的視頻信號(hào)，同時(shí)提供采集CCD視頻信號(hào)所需的時(shí)鐘、行同步、幀同步等數(shù)字信號(hào)。CCD模擬信號(hào)的輸出幅值和頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置調(diào)整。

信號(hào)處理電路中包含視頻信號(hào)處理器件（AD9942）、濾波放大器、FPGA、電源芯片等器件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換、電源轉(zhuǎn)換濾波、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能。其中，4只雙通道視頻信號(hào)處理器件對(duì)應(yīng)于4 096元線陣探測器CCD（8×512）的8通道視頻輸出，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的采集處理。

電源轉(zhuǎn)換及監(jiān)測電路為各電路提供所需的各種電源并對(duì)器件工作電流進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)實(shí)現(xiàn)RS422接口信號(hào)轉(zhuǎn)換。電流超過正常范圍切斷輸入電流，直至單粒子事件消除后恢復(fù)供電。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路將視頻處理器件輸出的CCD圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備所需的數(shù)據(jù)格式，通過Cameralink圖像傳輸接口輸出。

（2）數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備

采用加拿大公司的CLFC Full圖像卡實(shí)現(xiàn)高速大數(shù)據(jù)量圖像數(shù)據(jù)采集記錄，其數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備及其軟件具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄顯示、數(shù)據(jù)回放及處理、圖像處理等功能，滿足試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集和記錄等需求。采集存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 在線試驗(yàn)測試系統(tǒng)連接示意

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過RS422串口通訊接口信號(hào)轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)處理電路的遠(yuǎn)程控制，通過網(wǎng)線傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)測試數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

（4）測溫系統(tǒng)

采用熱電偶及溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)電路中FPGA、視頻處理器件等關(guān)鍵器件殼溫的實(shí)時(shí)測量，其測試數(shù)據(jù)用于分析試驗(yàn)過程中溫度敏感器件工作溫度的穩(wěn)定性。

（5）輻射源

試驗(yàn)選用HI-13串列靜電加速器[13]，選用4種不同線性能量傳輸（Linear Energy Transfer，LET）值的重離子進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)離子參數(shù)見表1。

圖2 采集存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 重離子參數(shù)

Tab.1 Parameters of heavy ion

1.2 測試方法

通過單粒子效應(yīng)測試軟件[12,14]獲取單粒子事件信息，通過測試和分析器件電源輸入端工作電流的變化進(jìn)一步區(qū)分SEU或SEL單粒子事件類別[15]。

測試軟件包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，下位機(jī)部分通過信號(hào)處理電路中FPGA預(yù)置的像元灰度（Digital Number，DN）均值和正常變化范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)CCD通道發(fā)生單粒子事件的實(shí)時(shí)判斷，并增加了對(duì)每個(gè)通道的統(tǒng)計(jì)位，用以記錄各通道事件次數(shù)的累加統(tǒng)計(jì)值，隨數(shù)據(jù)一起通過串口傳輸至監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）；上位機(jī)部分實(shí)現(xiàn)視頻圖像的快視并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱疟P陣列進(jìn)行記錄，為便于數(shù)據(jù)回讀及分析，在通用視頻數(shù)據(jù)采集軟件Stream 5.0版本的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，使軟件可以獨(dú)立于下位機(jī)輸入均值和正常變化范圍，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)過程中圖像數(shù)據(jù)的所有溢出，并將溢出像元的灰度值及其所在行列號(hào)，記錄成txt文件備查。只要出現(xiàn)數(shù)據(jù)值溢出，即可通過界面消息顯示，獲取單粒子事件信息。

CCD圖像數(shù)據(jù)通過信號(hào)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)采設(shè)備（IO公司的CLFC采集卡），并最終由網(wǎng)線傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面可同時(shí)顯示單粒子翻轉(zhuǎn)信息、圖像數(shù)據(jù)，并可切換顯示相對(duì)應(yīng)的快視圖像，每行數(shù)據(jù)為4 104列，其中0~7列為器件單粒子翻轉(zhuǎn)通道統(tǒng)計(jì)位，8~4103列為CCD器件（8×512）4 096個(gè)像元圖像數(shù)據(jù)量化DN值顯示位。圖像數(shù)據(jù)區(qū)可顯示灰度圖像，也可切換為顯示圖像的原始數(shù)據(jù)。

考慮器件的實(shí)際工作狀態(tài)和環(huán)境噪聲，軟件對(duì)器件高9位的數(shù)據(jù)信息是否溢出進(jìn)行判別（其余位因噪聲因素等視為等概率事件），通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)界面獲取單粒子事件信息。

此外，通過回讀事件發(fā)生時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)并與已知數(shù)據(jù)比較，對(duì)單粒子事件結(jié)果進(jìn)行再確認(rèn)，以防止虛警情況發(fā)生。

電源端工作電流通過電源監(jiān)測電路獲取，試驗(yàn)前，通過穩(wěn)壓直流電源預(yù)先設(shè)置過電流保護(hù)值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過流保護(hù)功能。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)器件電源電流超過正常范圍時(shí)，記錄發(fā)生過流現(xiàn)象的時(shí)間和次數(shù)。根據(jù)過流現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間調(diào)取當(dāng)時(shí)的圖像數(shù)據(jù)，確定單粒子鎖定的發(fā)生及對(duì)成像功能的影響。

正常情況下，器件電源輸入端工作電流：365mA（4只器件總電流），預(yù)設(shè)過流保護(hù)值1.25A；器件高9位的像元DN值（模擬輸入600mV）：5 503±127（均值5 503，變化范圍5 376~5 630）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單粒子事件現(xiàn)象分析

試驗(yàn)過程中觀測到器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的故障模式主要表現(xiàn)為器件電源端電流增大、圖像輸出異常，圖像輸出異常表現(xiàn)為圖像灰度變化及無輸出。

單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，可觀測到單個(gè)、多個(gè)像元圖像數(shù)據(jù)DN值的變化的情形，器件電源端工作電流處于正常波動(dòng)范圍362~365mA。

單粒子鎖定發(fā)生時(shí)，可觀測到圖像數(shù)據(jù)DN值整行輸出交替變化及DN值輸出為0的情形，器件電源端工作電流明顯變化，最小480mA，最大1 000mA。

試驗(yàn)過程中器件均發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定事件。

圖3為器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)典型的軟件識(shí)別數(shù)據(jù)、圖像（多幀）、圖像數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的部分圖像界面（單幀）。從監(jiān)控界面可以看到器件在試驗(yàn)過程中發(fā)生了1次單粒子翻轉(zhuǎn)（圖3（a）），其對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)量化值溢出正常范圍，DN值為5 211，在圖中數(shù)字2 558列，對(duì)應(yīng)CCD的第2 051個(gè)像元（圖3（b））。

圖4為器件發(fā)生單粒子鎖定時(shí)典型的軟件識(shí)別數(shù)據(jù)、圖像（多幀）、圖像數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的部分圖像界面（單幀）。從監(jiān)控界面可以看到器件（對(duì)應(yīng)圖中第3列數(shù)據(jù)）發(fā)生了1次單粒子鎖定（圖4（a）），其對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)量化值溢出正常范圍，DN數(shù)值為0，在圖中數(shù)字1 544~2 056列，對(duì)應(yīng)CCD的第1 537~2 048個(gè)像元（圖4（b）），發(fā)生1次單粒子鎖定對(duì)應(yīng)的快視圖像與試驗(yàn)前相比發(fā)生了明顯變化，無單幀圖像輸出，顯示黑條（圖4（c））。鎖定時(shí)監(jiān)測到器件電源端工作電流647mA。

圖3 典型單粒子翻轉(zhuǎn)事件監(jiān)控界面

從系統(tǒng)圖像故障模式可以看出，單粒子翻轉(zhuǎn)引起單個(gè)像元的圖像數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)圖像的影響甚微，而單粒子鎖定一旦發(fā)生，多個(gè)像元圖像數(shù)據(jù)連續(xù)變化，對(duì)圖像的影響則顯而易見，其影響程度更甚。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)試驗(yàn)過程關(guān)鍵器件（FPGA、AD9942）溫度數(shù)據(jù)及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取試驗(yàn)過程溫度變化曲線，如圖5所示。數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，試驗(yàn)過程關(guān)鍵器件溫度相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)器件性能和試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

對(duì)試驗(yàn)過程中多種離子相應(yīng)注量下的單粒子事件數(shù)（鎖定與翻轉(zhuǎn)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可計(jì)算出單粒子事件截面

()=()/() （1）

式中為不同LET離子的種類數(shù)；()為第種LET離子的單粒子事件截面；()為第種LET離子測得的單粒子事件數(shù)；()為第種LET離子的總注量。

圖5 關(guān)鍵器件溫度數(shù)據(jù)變化曲線

單粒子事件截面見表2。

表2 器件單粒子事件截面

Tab.2 SEE cross section of the component

根據(jù)重離子參數(shù)及單粒子事件截面數(shù)據(jù)，獲取器件單粒子截面與入射離子LET的關(guān)系，見圖6。

從圖6中可以看出，隨著入射離子LET值的增加，其單粒子截面呈增加趨勢，器件對(duì)重離子誘發(fā)的單粒子效應(yīng)比較敏感，單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值小于4.43MeV·cm2·mg–1，單粒子鎖定LET閾值在4.43～9.43 MeV·cm2·mg–1之間。

3 結(jié)束語

研究結(jié)果表明，試驗(yàn)測試系統(tǒng)可有效實(shí)時(shí)判斷、統(tǒng)計(jì)單粒子效應(yīng)發(fā)生事件，并能直觀實(shí)時(shí)觀察到單粒子事件發(fā)生時(shí)用信號(hào)灰度值表達(dá)的遙感圖像的變化；隨著入射離子LET值的增加，其單粒子截面呈增加趨勢，器件對(duì)重離子誘發(fā)的單粒子效應(yīng)比較敏感，器件單粒子鎖定對(duì)光學(xué)遙感器成像任務(wù)的危害程度高于單粒子翻轉(zhuǎn)；對(duì)于LET閾值不能滿足任務(wù)要求的器件，采取防護(hù)措施是必要的[12]。

實(shí)際工程應(yīng)用中，需從應(yīng)用角度結(jié)合單粒子效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的危害程度及系統(tǒng)所擔(dān)負(fù)的任務(wù)，突出重點(diǎn)，解決電路的空間環(huán)境適應(yīng)性問題。除選用單粒子免疫的加固器件外，應(yīng)主要在軟、硬件方面進(jìn)行電路加固設(shè)計(jì)或系統(tǒng)冗余實(shí)施防護(hù)[10]。

根據(jù)視頻處理器件單粒子試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)對(duì)危害極大的單粒子鎖定進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)[15]，有效的防護(hù)措施主要有兩方面，一方面通過合理設(shè)計(jì)減少出現(xiàn)SEL的概率，另一方面是SEL發(fā)生后，有效抑制SEL現(xiàn)象，并防止其造成的危害擴(kuò)大化。

值得說明的是，不管是主動(dòng)減少SEL的設(shè)計(jì)措施還是采用被動(dòng)的SEL擬制措施，都應(yīng)和電路、系統(tǒng)進(jìn)行融合嵌入式設(shè)計(jì)，以達(dá)到既能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)功能又能避免或解除單粒子鎖定的雙重目的。

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Study on Single Event Effect Test of CCD Video Device

ZHANG Xuhui1WANG Yuanyuan1DONG Jianting1WANG Zhou1WANG Dianzhong1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

The system test research of single event effects on CCD video signal processor was carried out byheavy-ion source and image analysis method in the paper. The structure of test system and the test schemes were detailedly introduced at first. Then the SEU/SEL characteristic parameters were acquired, and the SEE/SEL effects on the imaging performance of the system were evaluated. The results show that the test system can effectively and timely judge the SEEs, and visually display the corresponding change of the remote sensing image. With the increase of the LET value of heavy iron, the cross section of single event enlarges, and the device becomes more sensitive to SEE induced by heavy-ion. SEL is more harmful to optical remote sensor imaging mission than SEU. Lastly, suggestion is given about adopting systematic enhanced measure for SEL.

video signal processor; single event effects; test; heavy-ion; space remote sensing

V1

A

1009-8518(2018)06-0072-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.06.009

2018-02-13

張旭輝，女，1966年生，1987年獲北京理工大學(xué)光學(xué)儀器專業(yè)學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。E-mail：zhangxuhui93@163.com。

（編輯：王麗霞）