1 中国科学院光学天文重点实验室（国家天文台），北京 100101
2 中国科学院空间天气学国家重点实验室，北京 100190
3 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京 100094
4 中国科学院大学，北京 100049
相机是光学望远镜观测系统的重要组成部分，为了提高天文光学观测的精度和效能，开展了天文光学相机性能的检测技术研究。根据天文观测对光学相机的性能需求，给出了相机性能检测项目、检测方法、检测实验和数据处理方法，检测项目包括增益、读出噪声、满阱电荷、线性度、本底稳定性、像元响应不均匀性、暗电流等。基于这套方法，在实验室对sCMOS和CCD两款相机进行了实测，获得了相机的性能参数，结果显示，sCMOS 12-bit档位较CCD 1 MHz 4×档位，读出噪声低约1倍，暗电流高约17倍，动态范围低约3星等，像元响应不均匀性高约1倍，两款相机都具有较高的线性度和本底稳定性，该sCMOS具有辉光，不适合长时间曝光观测。该方法可以检测获得适用于天文光学观测的相机性能参数，便于开展天文实测工作，实现相同相机不同档位或不同相机之间的性能对比，定期对相机进行检测可以建立其全生命周期性能参数数据库，对相机的健康状态管理及观测系统故障诊断具有现实意义。
CCD CMOS 性能检测 天文观测 CCD CMOS performance testing astronomical observations 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230316
华中师范大学物理科学与技术学院, 湖北武汉 430079
针对当前遥感卫星电荷耦合器件(CCD)相机幅宽越来越大, 速率越来越高, 现有相机模拟源设备数据输出带宽不足的问题, 提出并实现了一种基于非易失性存储器 Express(NVMe)的超高速多通道遥感相机模拟源设备。该设备利用现场可编程逻辑门阵列 (FPGA)实现 4组 NVMe SSD主机控制器, 完成对固态硬盘 (SSD)的读写操作; 同时利用 DMA控制器读取 DDR4中缓存数据, 数据经封装处理后通过光纤接口输出。实验结果表明: NVMe主机控制器的写平均速率可以达到 1.7 GBps, 读平均速率达到 3.2 GBps。模拟源系统整体存储容量 8 TB, 对外输出带宽高达 80 Gbps, 支持 8路光纤接口输出。该模拟源具有较强的稳定性及良好的可扩展性, 已成功应用在某遥感卫星 CCD相机模拟源系统中, 为数传等设备的测试以及调试提供了充分保障。
模拟源 非易失性存储器 Express 现场可编程逻辑门阵列 CCD相机 光纤 simulator Non-Volatile Memory express Field Programmable Gate Array CCD camera optical fiber 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(9): 1178
1 中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
空间天文探测常使用电荷耦合器件（CCD）作为主要探测器，但极端辐射环境会对CCD性能造成影响，进而影响数据获取。为了深入了解此机制对数据获取的影响，文章基于SRH（Schokley-Read-Hall）理论，分别讨论转移过程中缺陷对电荷捕获以及释放作用，并在CCD电极层面基础上建立转移模型，仿真不同情况下缺陷运行原理。使用此模型模拟仿真STP（Single Trap Pumping）时序，分别讨论实际使用过程中时序对数据获取的影响，以及从STP时序数据中提取相关参数的办法，并讨论各参数间的关系。该模型对于理解辐射缺陷对CCD数据转移的影响，仿真STP时序，以及在实际应用中利用STP时序获取CCD缺陷参数有辅助作用。
电荷转移效率 SRH理论 转移模型 CCD CCD CTE STP STP SRH theory transfer model
通过分析电荷耦合器件(CCD)图像传感器光电转换、电荷转移、电荷输出的工作原理, 提出了一种通用高效的电荷转换因子(CVF)测试方法。该方法采用在CCD感光区域施加直流偏压, 水平区施加连续转移的驱动时序的方式, 使CCD光敏区以电荷溢出方式往水平区转移电荷, 水平区以固定频率不间断转移输出电荷包, 从而让CCD输出强度恒定的响应信号; 然后通过复位漏电流与输出信号强度的对应关系计算出CCD器件的CVF值。根据该方法的原理设计了一种适应各种CCD器件的通用测试装置, 并对多款CCD进行测试验证。结果表明, 该方法有效提高了CCD电荷转换因子的测试效率、测试精度和稳定性。
电荷转换因子 测试方法 测试装置 CCD CCD charge to voltage factor testing scheme testing device
随着硅材料质量的提升和半导体工艺技术的发展, 低温制冷下电荷耦合器件(CCD)的暗电流已经可以忽略, 此时放大器成了主要的噪声源, 限制了对微弱信号的检测。采用电子倍增技术, 通过对电荷包在进入输出节点前进行放大, 可有效抑制放大器的噪声。然而, 电荷包放大后容易饱和, 会限制器件的动态范围。本研究采用浮置栅放大器对电荷包进行无损检测。根据检测结果, 大的电荷包直接输出, 小的电荷包通过电子倍增放大后再输出, 获得高灵敏度的同时兼顾了大的动态范围。根据实际测试结构, 在10-4Lx光照下得到了良好的微光成像效果, 同时动态范围可达15万倍。
微光 动态范围 高灵敏 CCD CCD EMCCD EMCCD low-level-light dynamic range high sensitivity
1 中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047
2 光电对抗测试评估技术重点实验室，河南 洛阳 471026
3 长春理工大学 物理学院，吉林 长春 130022
从理论仿真计算方面开展了脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属温升变化的液-固相变时间特性研究。通过傅里叶热传导方程计算仿真了纳秒激光诱导CCD探测器铝层金属材料的温升曲线，获得了铝层金属材料液-固相变起始时刻和液-固相变时间长度随激光脉冲峰值功率和激光入射角度的变化规律。理论计算结果表明，随着入射激光脉冲峰值功率增加，激光诱导CCD探测器铝层表面的最高温度逐渐升高，铝层材料的液-固相变起始时刻往后延迟，且液-固相变时间长度增加；随激光入射角度的增大，铝层表面的最高温度逐渐降低，液-固相变起始时刻不断前移，而液-固相变时间长度逐渐变短。研究结果表明，激光脉冲峰值功率密度和激光入射角对激光诱导CCD探测器的液-固相变时间特性有重要影响，对揭示纳秒激光诱导CCD探测器的热损伤机制有重要的理论意义。
激光辐照 液-固相变 CCD探测器 激光入射角度 laser irradiation liquid-solid phase transition CCD detector laser incident angle 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220537
1 地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054
2 北京应用气象研究所, 北京 100029
地球的夜间微光信号强度是白天反射的可见光强度的百万分之一, 星载微光CCD成像载荷像元响应特性的微小变化将显著影响成像质量。 针对CCD推扫式载荷在轨响应特性的分析表明, 异常响应导致微光图像中出现多条强弱不一的沿轨亮线, 且具有数量时变性、 位置随机性和响应非线性的特征。 针对异常响应校正中无统一参考目标以及像元响应差异的非线性问题, 提出了一种空间域松弛匹配而辐射域严格映射的修正方法。 通过计算沿轨方向像元辐射均值的相对偏差, 利用直方图分析确定亮线检测阈值并实现自动检测。 在此基础上, 针对每一条亮线采取先建立参考辐射值、 后排序映射的方法实现亮线校正。 为验证算法效果, 分别选取包含海表、 沙漠、 湖冰、 大雾和冰川等5种典型均匀场景的微光观测数据进行测试。 测试结果表明, 校正处理后图像中亮线基本消失, 整体非均匀性相对改进44%、 强亮线非均匀性相对改进60%, 典型暗背景图像的信噪比由2提升至4.2。 该方法具有逐像元实时检测与校正的特点, 适用于无星上定标装置的推扫式CCD光学遥感卫星业务化辐射校正处理。
微光 非均匀性 辐射校正 Low light CCD CCD Nonuniformity Radiometric correction 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1175
帧转移电荷耦合器件(FTCCD)主要应用于可见光信号探测,其在强光应用场合容易出现光晕现象。针对该问题,研制了帧转移纵向抗晕CCD图像传感器, 该器件阵列规模为1024×1024元, 像素尺寸为12μm×12μm。为了实现纵向抗晕功能, 采用了n型埋沟-鞍形p阱-n型衬底结构, 纵向抗晕倍数为200倍, 器件满阱电子数为大于等于200ke-, 读出噪声小于等于80e-, 动态范围大于等于2000∶1。
纵向抗晕 帧转移 电荷耦合器件 图像传感器 vertical antiblooming frame transfer CCD image sensor
