CMOS 有源像素傳感器輻射損傷對星敏感器星圖識別影響機理與識別算法*

馮婕 崔益豪 李豫東 文林 郭旗

1) (中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所,烏魯木齊 830011)

2) (新疆電子信息材料與器件重點實驗室,烏魯木齊 830011)

3) (中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

為分析惡劣空間輻射環(huán)境導(dǎo)致星敏感器性能退化、姿態(tài)測量精度降低的原因,深入研究了60Co-γ 射線輻射環(huán)境下互補金屬氧化物半導(dǎo)體有源像素傳感器(complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor,CMOS APS)電離總劑量效應(yīng)對星敏感器星圖識別的影響機理.通過搭建外場觀星試驗系統(tǒng),實際觀測天頂和獵戶座天區(qū),經(jīng)過星圖數(shù)據(jù)采集、星點提取與星圖識別等試驗流程,獲得60Co-γ 射線輻照后CMOS APS 噪聲對星圖背景灰度均值、識別星點數(shù)量的影響機理,并提出一種尋找被輻射噪聲湮沒星點的識別算法.通過理論推導(dǎo)分別建立了CMOS APS 暗電流噪聲、暗信號非均勻性噪聲和光響應(yīng)非均勻性噪聲與星點質(zhì)心定位誤差的定量關(guān)系.研究結(jié)果表明60Co-γ 射線輻照后星敏感器星圖背景灰度均值增大、星點識別數(shù)量減少,CMOS APS 輻照后噪聲增大導(dǎo)致星點質(zhì)心定位誤差增大,從而影響星敏感器的姿態(tài)定位精度,該研究結(jié)果為高精度星敏感器的設(shè)計和抗輻射加固提供一定的理論依據(jù).

1 引言

星敏感器作為衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的重要組成部分,對發(fā)射階段和在軌飛行時衛(wèi)星的姿態(tài)控制有極為關(guān)鍵的作用[1].星敏感器首先通過拍攝星空星圖,再進行星圖預(yù)處理、星圖識別和姿態(tài)計算,最后輸出姿態(tài)角數(shù)據(jù)為衛(wèi)星等航天飛行器進行自主導(dǎo)航.星敏感器的核心組成部分是成像系統(tǒng)[2-5].早期星敏感器都是以電荷耦合器件圖像傳感器作為恒星成像器件,隨著星敏感器低功耗、微小型化的需求日趨增多以及互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝的進步,基于 CMOS 圖像傳感器的星敏感器成為目前市場上的主流產(chǎn)品[6,7].

惡劣的空間輻射環(huán)境會使互補金屬氧化物半導(dǎo)體有源像素傳感器(complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor,CMOS APS)暗電流、暗信號非均勻性(dark signal non-uniformity,DSNU)、光響應(yīng)非均勻性(photon response non-uniformity,PRNU)等輻射敏感參數(shù)退化[8,9].CMOS 圖像傳感器參數(shù)退化導(dǎo)致星敏感器采集的星圖背景噪聲明顯增大,從而影響星敏感器的星點質(zhì)心定位、星圖識別、姿態(tài)定位精度等性能.國內(nèi)外已有研究發(fā)現(xiàn): 空間工作的星敏感器經(jīng)輻照后采集的星圖出現(xiàn)信噪比減小、星點拖尾等性能退化現(xiàn)象,影響星敏感器的在軌姿態(tài)定位精度[10].目前,衛(wèi)星上會同時裝配星敏感器和陀螺儀,當(dāng)空間輻射導(dǎo)致星敏感器星圖識別能力下降、姿態(tài)定位異常時,工程單位大多采取關(guān)閉星敏感器,依靠陀螺儀進行姿態(tài)定位的解決方法.這種解決方法可以使衛(wèi)星繼續(xù)運行,但存在一定風(fēng)險,因為陀螺儀的姿態(tài)定位精度和星敏感器相比要低,存在衛(wèi)星姿態(tài)控制的不確定性.另外還可以采取圖像處理算法去除輻射誘發(fā)噪聲對星圖識別的影響,但圖像處理算法的建立基于對CMOS APS 輻射誘發(fā)噪聲機理的深入分析和CMOS APS 輻射效應(yīng)對星敏感器星圖識別機理的研究,僅使用常規(guī)降噪算法,有可能把星點信號也濾除,或者未濾除的部分噪點被星敏感器誤認(rèn)作是星點.因此,迫切需要開展CMOS APS輻射效應(yīng)對星圖識別的機理研究.

本文主要討論了CMOS APS 電離總劑量效應(yīng)對星敏感器所拍攝星圖背景灰度均值、星敏感器識別星點數(shù)量的影響機理.基于機理分析提出了一種尋找未識別星點的算法,該算法可成功識別被背景噪聲湮沒的星點.此外,通過理論推導(dǎo)分別建立了CMOS APS 暗電流噪聲、DSNU 噪聲和PRNU噪聲與星敏感器質(zhì)心定位誤差的定量關(guān)系.

2 樣品與輻照試驗

2.1 試驗樣品

試驗選取商用8T CMOS 圖像傳感器作為樣品,型號為CMV4000,分辨率為 2048×2048,像素尺寸為 5.5 μm×5.5 μm,靈敏度為4.64 V/(lux·s) (每秒接受單位光照強度產(chǎn)生4.64 V 電壓),動態(tài)范圍為60 dB,功耗為600 mW.其主要組成模塊有: 內(nèi)部時序發(fā)生器、串行外設(shè)接口、溫度傳感器、像素陣列、模擬前端和低壓差分信號傳輸通道.其中模擬前端電路由可編程增益放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、偏置電路等模塊構(gòu)成.圖1 是8T CMOS 圖像傳感器的像素單元結(jié)構(gòu)示意圖,在4T 基本像素單元的基礎(chǔ)上,8T 像素單元增加了采樣管S1 和S2,像素內(nèi)源極跟隨器SF2 等晶體管,通過將電壓信號存儲在電容C1 和C2 中,實現(xiàn)全局曝光.同時,兩個采樣電容還將分別儲存光生載流子轉(zhuǎn)化后的電壓和復(fù)位電壓,實現(xiàn)相關(guān)雙采樣,有效抑制讀出噪聲[11].

圖1 8T CMOS 圖像傳感器像素單元結(jié)構(gòu)示意圖(PMD,金屬前介質(zhì);TG,傳輸柵;RS,行選擇器;RST,復(fù)位晶體管;VDD,器件內(nèi)部工作電壓;PC,預(yù)充電晶體管)Fig.1.Structure diagram of 8T CMOS image sensor pixel unit (PMD,pre-metal dielectric;TG,transfer gate;RS,row select transistor;RST,reset transistor;VDD,device internal operating voltage;PC,pre-charge transistor).

2.2 60Co-γ 射線輻照試驗

60Co-γ射線輻照試驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進行.CMOS 圖像傳感器輻照時劑量率選取50 rad(Si)/s,總劑量為50 krad(Si),不加偏置.當(dāng)累積劑量到7.5,10,20,50 krad(Si)時,降源測試CMOS 圖像傳感器輻射敏感參數(shù)(暗電流,DSNU,PRNU).星敏感器外場觀星試驗是在麗江天文臺進行.將輻照到7.5,10,20,50 krad(Si)的CMOS 圖像傳感器分別裝入星敏感器測試系統(tǒng),逐個拍攝獵戶座天區(qū)和天頂,每個劑量點各采集95.6,143.4,525.6 ms 三個積分時間下的50 幀圖.將采集的星圖輸入星圖匹配軟件,同時輸入標(biāo)定后的星敏感器的焦距值和主點位置,對獵戶座天區(qū)星點進行提取、匹配.

3 CMOS 圖像傳感器輻射損傷與星敏感器性能退化機理

3.1 CMOS 圖像傳感器輻射損傷機理

γ射線輻照CMOS 圖像傳感器后,暗電流隨電離總劑量的增加而增大,如圖2 所示.暗電流增大的原因一方面是電離輻射在Si-SiO2界面處產(chǎn)生了大量界面態(tài),界面態(tài)密度隨累積劑量的增加而變大[12].界面態(tài)充當(dāng)復(fù)合中心增大暗電流的產(chǎn)生率.另一方面是電離輻射在淺槽隔離以及掩埋型光電二極管(pinned photodiode,PPD)上表面的金屬前介質(zhì)(premetal dielectric,PMD)層引入了正氧化物陷阱電荷,它雖然不能作為復(fù)合中心直接產(chǎn)生暗電流,但其附加電場可以使表面耗盡區(qū)與PPD的耗盡區(qū)相互接觸,這樣界面態(tài)產(chǎn)生的電子-空穴對可漂移進入PPD 的耗盡區(qū),從而提高載流子的收集效率[12].

圖2 暗電流隨電離總劑量的變化Fig.2.Change of dark current versus the total ionizing dose.

DSNU 表征圖像傳感器芯片每個像素單元在暗場條件下響應(yīng)的非均一性.如圖3 所示,DSNU隨電離總劑量的增加而增大,電離效應(yīng)會產(chǎn)生電子-空穴對,電子和空穴在遷移的同時會隨機復(fù)合,而每個像素單元的隨機復(fù)合概率不同,從而導(dǎo)致DSNU 增加;同時輻射效應(yīng)產(chǎn)生的缺陷能級,充當(dāng)載流子產(chǎn)生-復(fù)合中心,也會增加電子空穴的產(chǎn)生-復(fù)合概率,從而加劇DSNU 的退化行為.

圖3 DSNU 隨電離總劑量的變化Fig.3.Change of DSNU versus the total ionizing dose.

PRNU 表征光響應(yīng)相對于平均值的偏差,以百分?jǐn)?shù)的形式表現(xiàn).如圖4 所示,PRNU 隨電離總劑量的增加而增大,電離效應(yīng)誘發(fā)的界面態(tài)降低光生載流子壽命,使得光生電荷收集效率下降,表現(xiàn)為量子效率的退化.由于界面陷阱電荷分布不均勻,像素之間量子效率退化存在差異,像素的響應(yīng)度差異增大,最終導(dǎo)致PRNU 上升.

圖4 PRNU 隨電離總劑量的變化Fig.4.Change of PRNU versus the total ionizing dose.

3.2 星敏感器性能退化機理

3.2.1 背景灰度均值

將輻照到7.5,10,20,50 krad(Si)的CMOS 圖像傳感器分別裝入星敏感器測試系統(tǒng),逐個拍攝獵戶座天區(qū)和天頂,每個劑量點各采集95.6,143.4,525.6 ms 三個積分時間下的50 幀圖.分別計算星敏感器每個劑量點不同積分時間所采集星圖的背景灰度均值,如表1 所列,隨著累積劑量的增加,背景灰度均值逐漸增大.對于同一累積劑量,隨著積分時間的增大,背景灰度均值也逐漸增大.背景灰度均值增大的主要原因是輻照后CMOS 圖像傳感器總噪聲的增大.

表1 星敏感器每個劑量點不同積分時間所采集星圖的背景灰度均值Table 1.Image gray-mean of the whole star map with different integration time and different dose levels.

CMOS 圖像傳感器噪聲來源于其光敏單元的光電二極管、像元晶體管的復(fù)位和讀出過程、有源放大器、行列選擇開關(guān)等[13],主要包括暗電流噪聲、DSNU 噪聲、PRNU 噪聲、固定模式噪聲和讀出噪聲.其中DSNU 噪聲、PRNU 噪聲、固定模式噪聲隨累積劑量的增大而增大.暗電流噪聲既隨累積劑量的增大而增大,也隨積分時間的增大而增大.

暗電流噪聲等于暗電流產(chǎn)生電子數(shù)的平方根.CMOS 圖像傳感器暗電流來源可大致分為兩部分:像素單元與外圍電路.CMOS 圖像傳感器的工作原理決定了外圍電路暗電流是與積分時間無關(guān)的固定值;而像素單元暗電流隨著積分時間的增加,輸出灰度值會逐漸增大.電離輻射引起像素之間暗電流產(chǎn)生率差異性增大,導(dǎo)致DSNU 噪聲的增加.PRNU 噪聲表征了光響應(yīng)相對于平均值的偏差.由于界面陷阱電荷分布不均勻,像素之間量子效率退化存在差異,像素的響應(yīng)度差異增大,最終導(dǎo)致PRNU 噪聲上升.

固定模式噪聲體現(xiàn)了像素與像素之間的差異,在固定積分時間下,固定模式噪聲基本是一個常數(shù),其主要來源于兩個方面: 一方面是制造過程中像素內(nèi)晶體管或列級晶體管失配;另一方面是像素內(nèi)暗電流.由于晶體管失配導(dǎo)致的固定模式噪聲可以通過相關(guān)雙采樣消除,而暗電流的來源多種多樣,產(chǎn)生機制各不相同,由暗電流導(dǎo)致固定圖像噪聲則無法完全消除.在無光照條件下,固定模式噪聲可用DSNU 來表征;在光照條件下,通過PRNU來評估.讀出噪聲屬于暫態(tài)噪聲,是由于電路通道中各種噪聲源(列放大器、可編程增益放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器)引起的信號電平的隨機波動,試驗中電路通道保持不變,因此讀出噪聲的影響可以忽略不計.

3.2.2 識別星點數(shù)量

本試驗使用三角形算法進行星圖識別.星圖識別前需要根據(jù)星敏感器的極限星等對史密松天體物理天文臺星表星表(Smithsonian astrophysical observatory star catalog,SAO)進行篩選并建立星對角距查找表.星對角距查找表由星對星號和星對角距余弦值組成.星對角距余弦值可以根據(jù)構(gòu)成星對的兩顆導(dǎo)航星A 和B 的方向矢量計算得到.從SAO 星表中查到星A 和星B 的赤經(jīng)、赤緯分別為(αA,δA)和(αB,δB),則兩顆星的方向矢量分別為

這兩顆星星對角距余弦值為VA·VB,計算符合星敏感視場角的任意兩個顆星的星對角距余弦值并由小到大排序.然后對星圖進行預(yù)處理和星點細(xì)分定位.星圖預(yù)處理先對所拍星圖進行濾波,再通過相應(yīng)計算得到星點粗定位所使用的閾值,通過閾值分割,對星點進行連通域標(biāo)記.星點細(xì)分定位可以得到星點在星圖中的準(zhǔn)確位置,如采用質(zhì)心法,可以使精度達(dá)到亞像素級別.三角形星圖識別方法分為以下10 個步驟.

1)首先從星圖中提取星點,然后按照能量對星點排序,選擇最亮的Sn顆星.

2)在最亮的星中將距離光軸最近的星作為第一目標(biāo)星S1.

3)在S1的半徑環(huán)外,選取視場中最亮的兩顆星S2和S3.

4)將這三顆星按照三角形幾何關(guān)系排序.

5)通過質(zhì)心法計算這三顆星在星敏感器探測器面陣上的位置(XI,YI):

其中Iij是星點在 (i,j) 處的灰度值.

6)設(shè)其中兩顆恒星的坐標(biāo)為(x1,y1)和(x2,y2),根據(jù)標(biāo)定出的主點位置(x0,y0),焦距f,計算得到這兩顆恒星在星敏感器坐標(biāo)系下的方向矢量:

7)依照上述方法計算S1S2,S1S3和S2S3星對之間星對角距余弦值的測量值α1,α2,α3.

8)考慮到星敏感器的成像誤差,第7)步計算出的星對角距余弦值的測量值與星對查找表中星對角距余弦值存在較小的差值,因此在[α1-ε,α1+ε],[α2-ε,α2+ε],[α3-ε,α3+ε]范圍內(nèi),對照星對角距查找表,找出S1S2,S1S3和S2S3可能的導(dǎo)航星組合: [I(k12),J(k12)],[I(k13),J(k13)] 和[I(k23),J(k23)].

9)從 [I(k12),J(k12)],[I(k13),J(k13)] 中找出相同的星S1,從 [I(k12),J(k12)],[I(k23),J(k23)] 中找出相同的星S2,從 [I(k13),J(k13)],[I(k23),J(k23)] 中找出相同的星S3.

10)若S1,S2,S3是唯一的,就識別成功;若S1,S2,S3不唯一,則重復(fù)以上步驟,重新構(gòu)建三角形進行識別.

不同累積劑量下星圖三角形識別匹配結(jié)果如表2 所列.隨著累積劑量的增加,星敏感器識別星點的數(shù)量逐漸減少,當(dāng)累積劑量增加到50 krad(Si)時,僅能匹配成功5 顆恒星.圖5 為星敏感器在不同累積劑量下采集的星圖,星圖已經(jīng)過降噪處理.可以看出,在累積劑量為10 krad(Si)時,星敏感器采集的星圖可以成功識別9 顆恒星,且分布在視場不同區(qū)域;當(dāng)累積劑量增加到50 krad(Si)時,星敏感器采集的星圖僅可以識別5 顆恒星,且星點分布較為集中.

圖5 不同累積劑量下星敏感器采集的星圖 (a) 10 krad(Si);(b) 50 krad(Si)Fig.5.Star maps collected by the star sensor at different cumulative doses: (a) 10 krad(Si);(b) 50 krad(Si).

表2 不同累積劑量下星敏感器識別星點數(shù)目Table 2.Number of star points identified by star sensors at different cumulative doses.

針對高累積劑量下星點識別數(shù)目下降問題,對星圖識別程序進行調(diào)試分析,發(fā)現(xiàn)隨著累積劑量的增加進入識別過程的待識別星數(shù)目減少.為了對未識別的星進行重新識別,本文首先根據(jù)星敏感器的成像原理以及天球坐標(biāo)系到星敏感器坐標(biāo)之間的旋轉(zhuǎn)變換、星敏感器坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系之間的投影變換關(guān)系確定某星點未識別的原因.

以10 krad(Si)星圖識別到的星SAO132176為例(圖5(a)中綠色圓圈),在50 krad(Si)星圖中該星未能識別.利用50 krad(Si)星圖成功識別出的星的觀測矢量和在天球坐標(biāo)系下的方向矢量,結(jié)合姿態(tài)四元數(shù)估計算法計算出當(dāng)前星敏感器姿態(tài)的四元數(shù):

并將四元數(shù)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)矩陣M:

在SAO 星表中查找SAO132176 在天球坐標(biāo)系下的赤經(jīng)和赤緯:

建立該星在天球坐標(biāo)系下的單位矢量:

通過旋轉(zhuǎn)變換,得到該星在星敏感器坐標(biāo)系中方向矢量:

根據(jù)星敏感器的主點坐標(biāo)(x0,y0)和焦距(f),經(jīng)過投影透視變換,得到星SAO132176 在所拍星圖的位置:

考慮到像素坐標(biāo)都是整數(shù)及光學(xué)系統(tǒng)畸變等其他因素的影響,對計算結(jié)果進行取整處理,同時在計算出的位置附近搜索灰度值最大的像素即為星SAO132176 在此星圖中的中心位置.

以該坐標(biāo)為中心,3×3 窗口為大小,選為該星覆蓋區(qū)域,如圖6(a)所示.

經(jīng)過預(yù)處理后的星SAO132176 覆蓋區(qū)域最大灰度值為289,如圖6(b)所示,而該星圖在閾值分割時所使用的閾值為296,導(dǎo)致星SAO132176 未進入后續(xù)質(zhì)心定位和星圖識別過程.在調(diào)整閾值分割值為285 時,星SAO132176 可成功進入后續(xù)質(zhì)心定位和星圖識別過程,并最終被成功識別.同理,在設(shè)置合適閾值后其余未識別星均可成功識別.這說明CMOS 圖像傳感器輻射損傷導(dǎo)致所拍星圖背景灰度均值和方差增大,而星圖閾值分割值通常設(shè)置為星圖背景灰度均值與三倍星圖灰度值方差的和,當(dāng)輻照到一定累積劑量后,某些星斑的灰度值低于閾值分割所設(shè)置的值,從而影響識別結(jié)果.本文提出的尋找未識別星點算法的原理: 當(dāng)星圖識別星數(shù)明顯低于星敏感器設(shè)計準(zhǔn)則要求的視場內(nèi)星點數(shù)目時,則根據(jù)SAO 星表數(shù)據(jù)和已解算出的姿態(tài)信息計算出該幅星圖中未識別星點的位置,并綜合考慮未識別星點灰度值范圍,在后續(xù)星敏感器所拍星圖中程序自動降低閾值以控制進入后續(xù)識別流程的待識別星點數(shù)目.使用該算法對后續(xù)所拍星圖進行驗證分析,證明該算法可有效解決γ輻射導(dǎo)致的星敏感器星點識別數(shù)目下降的問題.

圖6 (a) 星 (SAO132176) 在累積劑量50 krad(Si)星圖中位置 (白色方框為未識別星覆蓋范圍);(b) 該星斑及附近灰度值分布Fig.6.(a) Star (SAO132176) position of 50 krad (Si) star map (The white box is the coverage of unidentified stars);(b) gray value distribution of the star spot and its vicinity.

3.2.3 星點質(zhì)心定位精度

星敏感器姿態(tài)測量精度主要取決于星點質(zhì)心定位精度.星敏感器所拍星圖中的星點質(zhì)心定位誤差不能直接計算,但可通過星對角距標(biāo)準(zhǔn)誤差間接計算得到星點質(zhì)心定位誤差,星對角距標(biāo)準(zhǔn)誤差是星點質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差的1.42 倍[14].由于不同累積劑量下星點識別數(shù)量有差異,因此在計算星對角距標(biāo)準(zhǔn)誤差時,其他累積劑量點都選取和50 krad(Si)成功識別的相同5 顆星.利用實測和理論星對角距計算出不同累積劑量下5 顆星的星對角距標(biāo)準(zhǔn)誤差,如圖7 所示.根據(jù)星對角距標(biāo)準(zhǔn)誤差與質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系,結(jié)合星敏感器視場角和分辨率計算得到不同累積劑量下的星點質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差(pixel),結(jié)果如圖8 所示.從圖7 和圖8 可以看出隨著累積劑量的增大,星對角距標(biāo)準(zhǔn)誤差逐漸增大,質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差也逐漸增大,即星點質(zhì)心定位精度逐漸下降.對于同一累積劑量,隨著積分時間的減小,星對角距標(biāo)準(zhǔn)誤差和質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差都逐漸增大,星點質(zhì)心定位精度逐漸降低.根據(jù)3.1 節(jié)分析,γ射線輻照會導(dǎo)致CMOS 圖像傳感器中的暗電流噪聲、DSNU噪聲和PRNU 噪聲增大,圖像傳感器輻照后噪聲增大又會導(dǎo)致星圖背景噪聲增大,從而影響星點質(zhì)心定位精度.為了定量分析CMOS 圖像傳感器暗電流噪聲、DSNU 噪聲和PRNU 噪聲對星敏感器質(zhì)心定位精度的影響,分別建立各噪聲對質(zhì)心定位誤差影響的函數(shù)關(guān)系式.

圖7 星對角距標(biāo)準(zhǔn)誤差隨累積劑量的變化Fig.7.Star diagonal distance standard accuracy versus the total ionizing dose.

圖8 星點質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差隨累積劑量的變化Fig.8.Star point centroid positioning standard accuracy versus the total ionizing dose.

星圖 (i,j)處的灰度值Iij由兩部分組成: 星點信號值Rij和噪聲信號值Nij,即

以X方向(橫坐標(biāo))為例,由質(zhì)心提取公式得到噪聲導(dǎo)致的X方向上的誤差 Δx:

式中XI,XR分別為總信號的質(zhì)心位置和星點信號的質(zhì)心位置.

由于CMOS 圖像傳感器暗電流噪聲、DSNU噪聲和PRNU 噪聲均為白噪聲[15],均值為0,因此此類噪聲引起的星點中心誤差的均值也為0.由此可得質(zhì)心定位誤差的方差為

考慮到真實信號的灰度值遠(yuǎn)大于噪聲信號的灰度值,且像元之間的噪聲互不相關(guān),即

則(17)式可進一步簡化為

設(shè)質(zhì)心定位時所選窗口大小為m×m,則(19)式可進一步計算得到

在本次試驗中,窗口大小為3×3,即m=3,代入(21)式,得到噪聲對質(zhì)心定位標(biāo)準(zhǔn)誤差影響的函數(shù):

其中R0=,即所選窗口內(nèi)總星信號值.

暗電流非均勻性噪聲: 在積分時間tint內(nèi)生成的像素平均暗電流電子數(shù)為Idtint(Id為暗電流值),暗電流非均勻性噪聲方差為=Idtint,那么可得到

(23)式中Id隨累積劑量的增加而增大,故暗電流噪聲導(dǎo)致的質(zhì)心定位誤差σx,DCNU隨累積劑量增加而增大.由于R0與積分時間呈線性關(guān)系,則CMOS圖像傳感器暗電流噪聲導(dǎo)致的質(zhì)心定位誤差與積分時間呈關(guān)系,增加曝光時間可以減小暗電流噪聲對質(zhì)心定位誤差標(biāo)準(zhǔn)差的影響.而在本次實驗中,積分時間為143.4 ms 時,相較于積分時間為95.6 ms 時所拍星圖,質(zhì)心定位誤差降低,但此時星點區(qū)域像元已接近飽和區(qū),光子轉(zhuǎn)移曲線變化速率變緩,故當(dāng)積分時間為525.6 ms 時,質(zhì)心定位誤差與積分時間143.4 ms 相比變化不明顯.

(24)式中R0與積分時間呈線性關(guān)系,那么σx,DSNU的大小取決于σDSNU,σDSNU的值隨累積劑量的增加而增大,故暗電流不均勻性噪聲導(dǎo)致的質(zhì)心定位誤差隨劑量增加而增大.

PRNU 噪聲: PRNU 噪聲等于光響應(yīng)不均勻度與星信號的乘積,則可得

(25)式與高斯彌散半徑和窗口大小有關(guān).根據(jù)實際情況,高斯彌散半徑取0.8,計算得到

式中σPRNU隨累積劑量增加而增大,故PRNU 噪聲導(dǎo)致的質(zhì)心定位誤差隨累積劑量增加而增大.

從以上分析可知,隨著累積劑量的增加,CMOS圖像傳感器暗電流噪聲、DSNU 噪聲以及PRNU噪聲逐漸增大,導(dǎo)致星點質(zhì)心定位誤差逐漸增大,最終影響星敏感器的姿態(tài)測量精度,而適當(dāng)增加積分時間可減少星點質(zhì)心定位誤差.但積分時間太大使星點區(qū)域像元已接近或到達(dá)飽和區(qū),光子轉(zhuǎn)移曲線變化速率變緩或不再變化,此時再增加積分時間對星點質(zhì)心定位誤差的減少已不明顯.

4 結(jié)論

60Co-γ射線輻照后,CMOS APS 暗電流噪聲、DSNU 噪聲、PRNU 噪聲隨累積劑量的增大而增大,CMOS APS 總噪聲的增大又會導(dǎo)致星敏感器拍攝星圖背景灰度均值增大,背景起伏明顯,從而導(dǎo)致星點識別難度增大,星點識別數(shù)量減少.基于機理分析,本文提出了一種尋找未識別星點的算法,該算法可以成功識別被背景噪聲湮沒的星點.研究發(fā)現(xiàn),CMOS APS 暗電流噪聲、DSNU 噪聲和PRNU 噪聲增大導(dǎo)致星點質(zhì)心位置的偏移,最終影響星敏感器星點質(zhì)心定位精度.本文對星敏感器設(shè)計單位提高星敏感器識別星圖成功率、保障衛(wèi)星在軌安全可靠運行奠定了理論基礎(chǔ).