2 2 2 ·63· 空间控制技术与应用 Aerospace Control and App lication 第 35卷 　第 6期 2009年 12月 CCD 温度对星敏感器星点定位精度的影响 沈本剑 1 ,刘海波 1 ,贾 　辉 1 ,杨建坤 1, 2 (1. 国防科技大学理学院技术物理研究所 ,长沙 410073; 2. 空间智能控制技术国家重点实验室 ,北京 100190) 摘 　要 : CCD噪声是影响星敏感器星点定位精度的误差源之一 ,以 DV437 BU2 型 CCD为例 ,对 CCD的暗电流 、暗电流散粒噪声 、暗电流不均匀噪声等的温度 特性进行了实验测量. 研究了 CCD温度对星敏感器星点定位精度的影响 ,结果 表明 :对于 DV437 BU2型 CCD芯片 ,当 CCD工作温度高于 300 K时 ,降温可以 显著提高星敏感器星点定位精度 ,当 CCD 工作温度低于 300 K时 ,降温对星点 定位精度的影响不明显 ;当温度由 330 K降到 300 K时 ,星点定位精度由 0. 12 个像素提高至 0. 078个像素. 关键词 : CCD; 噪声 ; 星敏感器 ; 定位精度 ; 致冷 中图分类号 : V248. 21　　　文献标识码 : A 文章编号 : 1674 1579 (2009) 06 0036 05 CCD Ch ip’s Tem pera ture Effect on Position Accuracy of Star Sen sor SHEN Benjian1 , L IU Haibo1 , J IA Hui1 , YANG J iankun1, 2 ( 1. N a tiona l U n iversity of D efense Technology, Changsha 410073, Ch ina; 2. N a tiona l Key L abora tory of S cience and Technology on S pace In telligen t Con trol, B eijing 100190, Ch ina) BU2 CCD chip ’s Abstract: CCD noise is an error source of guide star position of star sensor. The DV437 uniform noise characteristics of temperature dark current, dark current shot noise and dark current non have been measured in this paper. The effect of CCD chip ’s temperature on star position accuracy has been researched. The results show that decreasing CCD chip’s temperature could imp rove the star posi tion accuracy effectively when the temperature is higher than 300K, but could not remarkably when the temperature is lower than 300K. The star position accuracy level is imp roved from 0 12 p ixel to 0. 078 p ixel when the temperature reduces from 330K to 300K. Keywords: CCD; noise; star sensor; position accuracy; refrigeration 　　星敏感器是一种高精度的姿态测量器件 ,通过 探测天球上不同位置的恒星来确定卫星姿态 ,提供 航天飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态 [ 1 ]. CCD 星敏感器是以 CCD 芯片为光电探测系统的核心成 像原件 ,其基本工作原理是以恒星为参照物 ,利用 CCD相机拍摄到的星图经过恒星质心提取 、星图识 别和姿态估算等一系列计算 ,确定出星敏感器的视 轴在天体空间的瞬时指向 , 从而确定飞行器的姿 态 [ 2 ]. 在 CCD星敏感器完成一次测量过程中 ,星点 提取精度的大小对最终的测量结果有着很大的影 响. CCD 噪声是影响星敏感器星点定位精度的误差 源之一 , CCD 工作温度是影响 CCD 噪声的重要因 素. 研究 CCD工作温度对星点定位精度的影响 ,对 于提高星敏感器姿态测量精度有重要的意义. 美国部分星敏感器采用了致冷工艺 ,目前研制 　　收稿日期 : 2008 10 10 作者简介 :沈本剑 (1984—) ,男 ,四川人 ,硕士研究生 ,研究方向为光学检测 ( e mail: shenbenjian@163. com ). 

2 沈本剑等 : CCD温度对星敏感器星点定位精度的影响 ·73· 第 6期 片和相关配套设备. DV437 参数如表 1所示 [ 11 ]. BU2型 CCD芯片的相关 表 1　D V437 BU2型 CCD 的相关参数 参数 成像像元 像元尺寸 (W ×H,μm) 感光区域 (mm) 像元势阱深度 ( e) 寄存器势阱深度 ( e) 读出噪声 ( e) 参数值 512 ×512 13 ×13 6. 6 ×6. 6 100 000 200 000 7. 5 在黑暗环境中 ,盖上 CCD 的镜头盖 ,分别在不 同温度条件下 ,多次重复测量各像元的输出值. 在测 量过程中 ,对 CCD 进行热电致冷时 ,由于温度的降 低可能导致 CCD 面结露 ,为避免 CCD 结露对测量 结果的影响 ,应在 CCD致冷平衡一段时间后再进行 测量. 图 1和图 2分别给出曝光时间为 1 s, CCD 工 作温度为 20 ℃和 - 10 ℃时 ,像元输出灰度直方图. 301星敏感器 ,采用致冷工艺 ,其姿态测 成功的 AST 量精度达 0. 18″[ 3 ] ,但未说明其控制的 CCD 工作温 度. 文献 [ 4 ]提出了一种新的对 CCD 进行致冷的方 案 ,但未对 CCD温度对星敏感器星点定位精度的影 响进行研究. 本文采用热电致冷技术 ,以 DV437 BU2型 CCD 为例 ,进行了相关的 CCD 噪声实验. 并研究了 CCD 的噪声 温度特性 ,计算了 CCD 温度对星敏感器星 点定位精度的影响. 得到 CCD星敏感器合适的工作 温度. 1　CCD 噪声 CCD噪声包括暗电流散粒噪声 、暗电流不均匀 噪声 、读出噪声 、光子散粒噪声和光响应不均匀噪声 等 [ 5 ]. 本文针对暗电流散粒噪声 、暗电流不均匀噪 声以及读出噪声三种主要噪声进行了相关的实验. 暗电流散粒噪声 :半导体热运动产生载流子 ,形 成暗电流是一种随机的过程 ,可以采用 Piosson分布 进行描述 [ 6 ]. 暗电流不均匀噪声 :由于 CCD各像元在制作工 艺上的差异 ,使得各像元产生的暗电流不是均匀分 布的. 在 CCD阵列中 ,局部晶格缺陷或杂质的存在 还可造成暗电流尖峰 [ 7 ]. 在星敏感器应用中 ,暗电 流尖峰会严重影响星敏感器的星点定位精度 ,因此 , 必须尽量降低 CCD的暗电流不均匀噪声. 读出噪声 :信号电荷通过读出电路将信号电荷 转换为信号电压 ,并进行读出时 ,在 CCD 测量信号 中也将引入不确定性 ,所有的这些噪声成分构成读 出噪声 ,它代表在量化过程中引入的误差 [ 8 ]. 光子散粒噪声 :光照射到 CCD光敏区转换为光 电子 ,产生信号电荷的过程可看着独立 、均匀连续发 生的随机过程 [ 9 ]. 单位时间内光产生的信号电荷数 目并非绝对不变 ,而是在一个平均值上有微小的起 伏. 这一微小的起伏便形成了噪声. 光响应不均匀噪声 :光响应不均匀噪声 ,是由于 CCD图像传感器的各个像元对光子的响应存在着 微小的差别 ,形成了光响应不均匀性 [ 10 ]. 2　CCD 噪声测量 2. 1　20 ℃与 - 10 ℃输出图像的比较 实验采用 Andor公司的 DV437 BU2型 CCD 芯 

2 35卷 ·83· 空间控制技术与应用 　　由图 1和图 2可以看出 ,当 CCD 温度为 20 ℃ 时 , CCD 输出的灰度值平均值较大 ,而且输出灰度 的方差较大 ,而且有部分偏离 430ADU ,当 CCD温度 为 - 10 ℃时 , CCD 输出的灰度平均值降低 ,输出灰 度值的方差较小. 实验观察到降低 CCD 工作温度可以减小坏点 ( hot p ixel)的影响. 图 3和图 4分别给出曝光时间为 1 s,温度为 20 ℃和 - 10 ℃时所观测到的坏点大小. 当 CCD工作温度为 20 ℃时 ,像元 (285, 409)附近观 察到 4个坏点 ,如图 3 所示 ;而当 CCD 工作温度降 到 - 10 ℃时 ,坏点数量减小到 2个 ,如图 4所示. BU2 型 CCD 的 件下的噪声大小. 试验测得 DV437 暗电流与温度的关系 ,暗电流散粒噪声 、暗电流不均 匀噪声与温度的关系以及像元输出的总噪声 (暗电 流散粒噪声 、暗电流不均匀噪声和读出噪声的和 ) 与温度的关系如图 5～7所示. 图 5给出 DV437 BU2型 CCD ,在不同温度条件 下 ,实验测得的暗电流大小. 图 5　暗电流与温度的关系 　 图 6给出实验测得 DV437 BU2型 CCD ,在曝光 时间为 1 s时 ,暗电流散粒噪声和暗电流不均匀噪声 与温度的关系. 2. 2　测量数据处理 在同一温度条件下 ,对于多次重复拍摄的图像 , 计算出各个像元噪声的统计平均值 ,得到该温度条 图 6　暗电流散粒噪声 ,暗电流不均匀噪声与温度的关系 　 由图 5和图 6 可以看出 , CCD 暗电流 ,暗电流 散粒噪声 ,暗电流不均匀噪声随 CCD 温度的增加而 呈指数型增加 ,因此 ,降低 CCD工作温度 ,可以有效 的降低 CCD噪声. 图 7 给出在曝光时间为 1 s时 , DV437 BU2 型 CCD各像元输出的总噪声与温度的关系. 

第 6期 沈本剑等 : CCD温度对星敏感器星点定位精度的影响 ·93· 表 2中 , L0 表示 5 ×5像元的信号电荷总量 ; N 表示各类噪声的大小. 由表 2 中各项噪声对星点定 位精度的影响公式可以看出 ,减小各类噪声 ,可以提 高星敏感器星点定位精度. 星敏 感 器 工 作 温 度 范 围 一 般 为 - 30 ℃ ～ 60 ℃[ 13 ] ,将 DV437 BU2 型 CCD 运用于星敏感器 , 星敏感器探测器部分参数如下 :孔径 20 mm ,镜头透 过率 0. 70,星点弥散斑大小约为 5 ×5像元. 将实验数据代入表 2 的各项中 ,取 σPSF为 0. 7 像元 ,采用 5 ×5像元的星点质心提取算法 ,在 6. 5 等星照射 ,曝光时间为 200 m s的情况下 ,温度与星 点定位精度的关系如图 8和图 9所示. 表 2　CCD 噪声对星点定位精度公式 噪声类型 对精度的影响 暗电流散粒噪声 (N d ) 暗电流不均匀噪声 (N dcnu ) σ^x, dcsn = 7. 2 σ^x, dcnu = 7. 2 N d L 0 N dcnu L 0 σPSF L0 光子散粒噪声 (N s ) σ^x, p sn = 7. 2 光响应不均匀噪声 (N p rnu ) σ^x, p rnu = 0. 20σp rnu 读出噪声 (N r ) σ^x, RN = 7. 2 N r L0 图 8　暗电流散粒噪声和暗电流不均匀噪声 对星点质心定位精度的影响 　 图 8给出了在仅考虑 CCD 暗电流散粒噪声和 暗电流不均匀噪声的情况下 ,星点质心定位精度与 CCD温度的关系. 图 9 给出了考虑 CCD 噪声时 , CCD温度对星点质心定位精度的影响. 由图 8可以 看出 ,当仅考虑 CCD暗电流散粒噪声和暗电流不均 图 7　CCD像元输出的总噪声与温度的关系 　 由图 7可以看出 ,当 CCD 工作温度较高时 ,降 低 CCD工作温度可以有效的降低 CCD 噪声 ,但当 CCD工作温度较低时 ,降低 CCD 温度对减小 CCD 噪声的效果不明显 ,因为此时的 CCD 噪声主要为读 出噪声. 3　CCD 噪声对星敏感器星点定位精 度的影响 3. 1　星点提取的亚像元质心算法 星敏感器星点提取一般采用亚像元质心算法. 理论上 ,星像点的能量分布服从二维 Gaussian 分 布 [ 12 ] ,表示为 I ( x, y) = I0 2πσPSF exp ( x - x0 ) 2 2σ2 PSF exp ( y - y0 ) 2 2σ2 PSF (1) 　　 I ( x, y) 为质心在 ( x0 , y0 ) 的恒星光斑在 ( x, y) 处的光功率 , I0 为光斑的总功率 ,σPSF为光斑能量分 布的 Gaussian宽度. 通过亚像元质心算法 ,计算得到 星点位置 ( xa , ya ) : xa = ∑ ya = ∑ xijU ij / ∑ U ij yijU ij / ∑ U ij ij ij ij ij (2) (3) 　　xij, yij表示星点光斑第 ( i, j)个单元在 CCD 像元 内的坐标 , U ij 表示第 ( i, j) 个单元的像素值. 3. 2　CCD 工作温度对星点定位精度的影响 当存在 CCD噪声时 ,由于 CCD 噪声的影响 ,使 得计算的星点质心与真实位置出现偏差. 文献 [ 12 ] 给出了采用 5 ×5像元的亚像元质心算法时 ,各类噪 声对星 7点定位精度的影响 ,如表 2所示. 

2 2 2 2 空间控制技术与应用 35卷 点定位精度 ,当温度低于 300 K时 ,降温对星点定位 精度的影响不大. 由于各个型号的 CCD 芯片 ,其噪 声 温度特性相似 ,因此 ,可参照本文的方法 ,采用热 电致冷技术 ,将星敏感器的探测器件的工作温度控 制在其适当的范围 ,可有效提高星敏感器星点定位 精度. 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 　王晓东. 大视场高精度星敏感器技术研究 [D ]. 中国 科学院研究生院 , 2003 [ 2 ] 　欧阳桦. 基于 CCD星敏感器的星图模拟和导航星提 取的方法研究 [D ]. 华中科技大学 , 2005 ·04· 图 9　温度对星点定位精度的影响 　 匀噪声时 ,降低 CCD工作温度可显著提高星点质心 定位精度. 由图 9可看出 ,当 CCD 工作温度较高时 , 适当降低工作温度 ,可以提高星敏感器星点定位精 度 ,当温度为 330 K时 ,星点定位精度约为 0. 12 个 像元 ,当 温 度 降 到 280 K 时 , 星 点 定 位 精 度 约 为 BU2型 CCD ,当 CCD 工 0 作温度在 300 K以上时 ,降低 CCD 工作温度可以明 显提高星敏感器星点定位精度 ,当温度低于 300 K 时 ,读出噪声将成为影响星敏感器星点定位精度的 主要因素 ,降温对提高星敏感器星点定位精度的作 用不大. 078个像元. 对于 DV437 4　结 　论 本文对 CCD 进行了噪声实验 ,测量了 DV437 BU2型 CCD在不同温度下的暗电流散粒噪声 、暗电 流不均匀噪声和读出噪声 ,并将其应用于星敏感器 , 计算了在 6等星照射的情况下 , CCD 噪声对星敏感 器星点定位精度的影响. 结果表明 ,适当降低 CCD 的工作温度 , 可有效提高星点定位精度 : 例如 , 在 3 00 K以上 ,降低 CCD的工作温度可以明显提高星 [ 3 ] 　Van B R. SIRTF autonomous star tracker[ J ]. Proceed The International Society for Op tical Engi ings of SP IE neering, 2002, 4850 (1) : 108 121 [ 4 ] 　王彦 , 袁家虎. 一种提高 CCD 探测灵敏度的方法 [ J ]. 光电工程 , 2000, 27 (6) : 5 8, 65 [ 5 ] 　Janesick J R, Elliott T, Collins S, et al. Scientific charge 714 [ 6 ] 　王以铭. 电荷耦合器件原理与应用 [M ]. 北京 :科学 coup led devices[ J ]. Op t. Eng. , 1987, 26 (8) : 692 出版社 , 1987: 105 106 [ 7 ] 　许秀贞 ,李自田. CCD噪声分析及处理技术 [ J ]. 外与 激光工程 , 2004, 33 (4) : 343 346, 357 [ 8 ] 　王书宏. 天文 CCD 相机的噪声分析与信噪比模型的 研究 [ J ]. 半导体光电 , 2007, 28 (5) : 731 734 [ 9 ] 　王帅. CCD器件的特性评价及其驱动和数据采集电 路设计 [D ]. 浙江大学 , 2006 [ 10 ] 　李彬华. 科学级 CCD 特性以及相机结构研究 [D ]. 中国科学院国家天文台 , 2003 BU2 [ Z]. Andor, 2005 [ 11 ] 　M anual of Andor DV437 [ 12 ] 　Hancock B R, Stirbl R C, Cunningham T J, et al. CMOS active p ixel sensor specific performance effects on star tracker/ imager position accuracy [ J ]. of SP IE, 2001, 4284: 43 - 53 Proc. [ 13 ] 　B larre L, Piot D, Jacob P, et al. SED16 autonomous star sensor p roduct line in flight results, new develop ments and imp rovements in p rogress[ C ]. A IAA Guid ance, Navigation, and Control Conference, San Francis co, CA, USA , Aug. 15 18, 2005.