出版日期: 2019-01-25
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DOI: 10.11834/jrs.20197144
2019 | Volumn23 | Number 1
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空间碎片探测卫星成像CCD的在轨辐射效应分析

李豫东¹ , 文林¹ , 黄建余² , 文延³ , 张科科⁴ , 郭旗¹

1. 中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室新疆电子信息材料与器件重点实验室中国科学院新疆理化技术研究所，乌鲁木齐 830011

2. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094

3. 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710119

4. 上海微小卫星工程中心，上海 201203

收稿日期: 2017-05-15

基金项目: 国家自然科学基金(编号：11675259)；中国科学院青年创新促进会资助，中国科学院西部之光B类项目(编号：2016-QNXZ-B-8)

第一作者简介: 李豫东，1982年生，男，研究员，研究方向为星用光电器件、空间光电探测系统的辐射效应与机理、试验评估方法及抗辐射设计技术。E-mail：lydong@ms.xjb.ac.cn

摘要

电荷耦合器件(CCD)是卫星应用的主流成像器件，其受空间辐射环境影响易产生辐射效应，导致卫星成像性能退化，因此CCD的在轨辐射效应分析对卫星在轨风险评估、在轨维护具有重要意义。针对空间碎片探测试验卫星成像CCD在轨出现的辐射效应，通过在轨图像数据计算，对辐射作用于CCD导致的瞬时效应、热像素、电离总剂量效应和位移损伤进行了估算。分析认为瞬时效应主要源于南大西洋异常区内高能质子入射器件导致的瞬间电离作用；热像素源于质子辐射导致的单个像素位移损伤，且数量随着在轨时间的累积不断增加，与瞬时效应无明显的相关性；在轨初期累积的电离总剂量效应和位移损伤并不突出；热像素是影响探测器光电探测性能的主要问题，在较低粒子注量时就比较显著。上述工作为卫星在轨风险评估与运行管理收集了数据依据，并初步形成了针对在轨运行光电探测载荷辐射效应分析方法，可为天基目标探测卫星成像器件的在轨辐射效应分析、抗辐射设计提供参考。

关键词

空间碎片探测, 电荷耦合器件, 辐射效应, 在轨数据分析, 瞬时效应, 热像素

Analysis on the radiation effects of a charge-coupled device in a space debris detection satellite in orbit

LI Yudong¹ , WEN Lin¹ , HUANG Jianyu² , WEN Yan³ , ZHANG Keke⁴ , GUO Qi¹

1.Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environments, Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Materials and Devices, Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China

2.Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China

3.Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China

4.Shanghai Engineering Center For Microsatellites, Shanghai 201203, China

Abstract

High-performance Charge-Coupled Devices (CCDs) are the preeminent detectors for space-based photoelectric detection. However, the vulnerability of CCDs to radiation damage in the space radiation environment is a serious threat to space imaging applications in terms of earth-observing spectral measurement and space debris detection. Observing the in-orbit radiation effects of CCDs used in a space imaging system is crucial. This kind of work can provide essential data for the in-orbit maintenance and future design of a space mission. Through calculation and analysis using plenty of in-orbit images generated by a space debris detection experiment satellite, several kinds of imaging abnormalities caused by the space radiation environment of the satellite are observed. The radiation damage on the CCD imager used in the satellite’s visible camera is assessed. First, the abnormal phenomenon of imaging functions is described. Second, transient effects and hot pixels induced by protons in the space environment are analyzed. In addition, the total ionizing dose effects and displacement damage of the CCD imager are estimated to help predict the long-term in-orbit performance of the device. The transient effects mainly result from the instantaneous ionization in pixel structures induced by protons from the South Atlantic Anomaly (SAA). When the satellite traversed the SAA, the number of transient effects is changed in proportion to the proton flux in this position in the SAA. The number of transient effects for one traversing agrees with the Gaussian distribution. All the hot pixels present a high dark current several times larger than that of most normal pixels. The number of hot pixels increase with the time in-orbit of the satellite. The increase is almost linear with the run time or the times passed through the SAA. The hot pixels are mainly attributed to the single particle displacement damage induced by energetic protons in the SAA. No observable correlation is noted between hot pixels and transient effects. The principal influence on the CCD imager is the increase of hot pixels with the time in-orbit. Even in the early stage after the launch of the satellite, the influence of CCD’s hot pixels may be significant, an outcome that is clearly different from the accumulated radiation damage (total ionizing dose effects and accumulated displacement damage) on CCDs. The results of the above work suggest that critical information is obtained for operational risk assessment and in-orbit management of the satellite. In addition, the methodology is formed for in-orbit radiation degradation prediction on image sensor and optical payload. The method may be useful for radiation hardness on a space-based debris detection satellite, which is situated in either low or high earth orbit. The mechanisms of hot pixels generated by proton bombardment still require further study.

Key words

space debris detection, charge-coupled device, radiation effects, in-orbit analysis, transient effects, hot pixels

1 引　言

电荷耦合器件CCD(Charge-Coupled Device)是应用于空间高性能光电成像的主流器件。空间辐射环境中的高能带电粒子作用于CCD可导致辐射损伤效应，使器件性能退化或失效，影响系统的探测性能(Pickel 等，2003)。中国2013年发射的空间碎片探测试验卫星(简称试验卫星)在轨运行时，受辐射环境影响，其成像CCD产生瞬时效应及热像素等异常现象，使探测能力下降，影响目标识别。为此，必须对CCD的在轨辐射效应进行及时地分析，判断在轨运行风险，从而为试验卫星的在轨运行管理与后续卫星抗辐射设计提供依据。

国内外在CCD的辐射效应方面已开展了大量研究，但工作主要体现为辐射效应地面模拟试验，对CCD实际在轨辐射效应的认识相对缺乏。国外在轨的天基探测卫星，如哈勃望远镜(Sirianni 等，2004；Sirianni和Mutchler，2006)、美国“中段空间试验”卫星天基可见光相机(MSX-SBV)(Stokes 等，1998；Stuart 等，2008)、加拿大微小卫星“蓝宝石”(Sapphire)(Scott 等，2013)等，曾报道过受空间辐射环境影响，CCD的图像出现瞬时效应、热像素、转移效率下降等现象(Gilard 等，2010)。相关结果与分析方法有一定的参考价值和借鉴作用，但是由于轨道参数、载荷舱内辐射环境、成像器件类型、工作模式及温度等环境参数的不同，不同卫星收集的相关数据与分析结果差异较大，因此无法直接解释试验卫星出现的异常现象。

本文介绍了试验卫星成像CCD在轨辐射效应分析的相关结果，首先分析了卫星穿过SAA区CCD出现的瞬时效应、产生的热像素及其规律，然后结合卫星在轨的工作环境，分析了CCD累积辐射损伤的情况，并对分析结果进行了总结。

2 方法和实验

2.1 在轨成像异常现象

对于低轨运行的卫星，南大西洋异常区SAA(South Atlantic Anomaly)是带电粒子(尤其是质子)诱发航天器异常或故障的高发区，由于南大西洋磁异常区为负磁异常区，使得内辐射带在该区域的高度明显降低，高能带电粒子通量显著大于其他区域(Casadio和Arino，2011)，常规的低轨卫星均会经过SAA且受其影响(Dachev 等，2011)。试验卫星轨道高度670 km，轨道倾角97°，轨道周期98 min，运行在晨昏太阳同步轨道(张科科等，2015)。星上装载有空间碎片探测相机，采用背照式高灵敏度CCD作为成像器件。试验卫星经过SAA时CCD图像出现大小不一的亮斑，亮斑的面积大小不同，一般覆盖多个像素，并且在每一帧图像中位置是随机分布的，没有明显的规律性，也会出现少量近似直线径迹的亮线，径迹长度与宽度均没有规律性(图1)。上述亮斑、亮线在已有文献中(张科科等，2015)一般被称为“瞬时效应”。此外，随着在轨时间累积，CCD图像上出现越来越多的亮点，表现为单个缺陷像素(图2)，Polidan等人(2004)和张科科等人(2015)的文章中一般称之为“热像素”。热像素在每一帧图像中的位置固定，即使卫星处于SAA之外时仍然存在。通过不同时期拍摄的图像可看出，热像素的数量随着飞行时间的累积、进入SAA次数的增多而不断增加。

图 1 过SAA时卫星图像出现的瞬时效应

Fig. 1 The transient effects of CCD when the satellite passed through the SAA

图 2 卫星图像出现的热像素

Fig. 2 The hot pixels of CCD in the satellite

2.2 辐射效应分析方法

为了定量计算过SAA时CCD的瞬时效应以及随在轨时间累积的热像素，同时估算CCD在轨累积辐射损伤的情况，分别选取了不同时期、不同轨道区域(SAA之内、SAA之外)、不同积分时间下的几十组在轨图像进行参数计算，每组在轨图像均是同一成像条件下采集的连续图像序列，数量大于20帧。通过以上图像的计算，分别计算并对比了不同时期相同积分时间下图像的参数、同一时期SAA内外图像的参数、同一时期不同积分时间下图像的参数。CCD的感光面的规模为1024像元×1024像元，感光面两边依次分布着16个暗像元列、8个哑像元列，基于以上CCD的结构，主要计算的信息有处于SAA内时的瞬时效应、热像素、参考列及暗场特性、光响应特性等。计算方法如下：

(1)瞬时效应的计算：在连续帧内恒星的成像位置基本不变，热像素位置固定，而瞬时效应由于是单个高能粒子入射导致的瞬时电离效应，其出现在每幅图像中的位置、时间是随机的，并且覆盖多个像素。基于上述特性，采用图像处理的方法扣除图像暗背景、碎片及星点等空间探测目标，然后提取每幅图像瞬时效应的形状、位置与灰度信息，可统计出过SAA的每组图像瞬时效应的数量及灰度均值。

(2)热像素的计算：热像素作为缺陷像素在CCD像面上的位置固定不变，通过计算每个像素的暗电流并进行比较，从图像中提取热像素。首先计算每组图像，得出各个像素暗电流的均值，然后将该均值与自定义的暗电流阈值进行比较，暗电流水平超过阈值的像素即判定为热像素。在提取热像素的同时，统计得出图像中热像素的平均灰度。

(3)参考列及暗场特性的计算：对每组连续图像序列，分别计算每帧图像中参考列所有哑像素信号的信息，得到每帧图像哑像素的统计信息，然后通过这些哑像素统计信息分析参考列的特性。暗场特性的分析则利用CCD两侧的暗像素列的计算，方法与参考列的计算类似。

(4)光响应特性的计算：对每组连续图像序列，分别计算每帧图像所有感光像素的灰度均值，估算图像感光像素的光响应信息，然后再将这些信息进行统计分析，获得最终结果。

所有图像处理及参数计算均采用Matlab作为计算平台。

3 在轨图像数据的计算与分析

3.1 SAA瞬时效应的计算与分析

为了计算过SAA的瞬时效应，对同一时期内SAA内外CCD的图像进行了对比分析。针对卫星运行初期过SAA最典型的一轨数据，选取了过SAA、过SAA前及过SAA后的7组图像，每组图像积分时间、增益等条件均相同，前后两组图像之间的时间间隔近似，其中0组和6组为SAA之外的图像，1组和5组为SAA边缘处的图像，2组、3组、4组是过SAA的图像。对各组图像中每帧图像的瞬时效应数量进行统计，对各帧图像提取的瞬时效应数量取均值，7组图像瞬时效应数量的均值如图3所示。SAA之外的两组图像没有明显的瞬时效应，SAA边缘两组图像有少量瞬时效应，而过SAA的3组图像分布着大量的瞬时效应。将2组、3组、4组图像与卫星所处位置对照来看，发现随着卫星深入SAA，瞬时效应数量明显增大，过SAA中心后数量开始显著下降。通过数学拟合可看出SAA内图像上瞬时效应的分布与高斯分布相近。

图 3 过SAA前后几组图像出现瞬时效应的统计结果

Fig. 3 The statistic of CCD transient effects for several circles around the SAA

SAA内外除了瞬时现象的数量不同以外，图像中所有哑像素的灰度均值没有明显区别(图4)，SAA内图像中的所有暗像素及感光像素的灰度均值较SAA外的均值大。与图3对照分析，可看出暗像素灰度均值的变化趋势与瞬时效应数量的变化趋势相同，感光像素的变化趋势也有类似之处，二者的波动源于SAA内发生的瞬时效应，由于感光像素是对空间不同区域、不同目标成像，变化趋势也有所差别。

图 4 过SAA前后几组图像的哑像素、暗像素、感光像素灰度均值

Fig. 4 The statistic of dummy pixels, dark pixels and Photo-sensitive pixels for several circles around the SAA

3.2 热像素的计算

针对不同时期的在轨图像，通过肉眼直接观察，会发现随着在轨时间增加热像素“越来越亮”，数量不断增加，为了定量计算热像素，选取不同积分时间的条件下，卫星在轨工作8 d、39 d、70 d、101 d的图像进行了分析，数据见图5。通过热像素的提取与数学拟合后，发现热像素数量随在轨时间的累积不断增加，且不同积分时间下增加的趋势均呈现良好的线性。以在轨每天增长的热像素数量来计算不同积分时间下的增长率，发现不同积分时间下的增长率也同样近似线性(图6)。

图 5 热像素数量随在轨时间的变化

Fig. 5 The number of hot pixels vs. the flying time in-orbit

图 6 不同积分时间下热像素的产生率计算结果

Fig. 6 The generation rate of hot pixels under different integrating time

图7所示是挑选在轨8 d、39 d的几组图像数据计算的热像素数量，其中0组—4组数据采用的是图3中用于计算瞬时效应的0组—4组图像数据(即在轨8 d的数据)，5组、6组数据是在轨39 d的图像数据。由热像素数量计算结果可看出对于在轨8天的几组图像，无论是SAA内的图像还是SAA外的图像，热像素的数量基本不变，并且在轨39 d SAA内外图像的热像素灰度均值也处于一个水平(图8)。在轨39 d的图像热像素数量较在轨8 d显著增大。这也可以判断SAA区域的辐射主要导致瞬时现象，并没有使热像素数量明显增大。对照图3，可发现瞬时现象的数量与热像素数量、热像素灰度均值没有明显的相关性。

图 7 在轨不同时段内热像素数量

Fig. 7 The number of hot pixels in different periods

图 8 过SAA前后几轨图像的热像素灰度均值

Fig. 8 The average gray value of hot pixels for several circles around the SAA

图9为不同时期不同积分时间下图像中热像素灰度均值计算结果。发现较短积分时间下，随在轨时间累积热像素灰度均值没有明显变化，这是因为热像素的产生取决于像素暗电流的大小，在受到辐照后，部分像素的暗电流有不同程度的增大。在较短积分时间下，暗电流增大的影响不明显，在较长积分时间下，暗电流增大的影响就表现为热像素数量的增加。但是较长积分时间下，在轨39 d图像热像素灰度均值与在轨8 d的数据相比显著增大，与载荷设计师的共同分析后发现，在轨39 d热像素灰度均值显著增大可能源于当时CCD成像采用了较大的增益。图10显示了在轨8 d和在轨39 d的图像计算出的不同积分时间下热像素灰度值。可看出热像素灰度均值在较短积分时间下随积分时间呈线性增大，在较长积分时间下已不是线性的关系。尤其是在轨39 d较长积分时间下的图像，热像素灰度均值显著大于其他积分时间。由此可判断热像素的暗电流增加与积分时间已不呈线性关系。这也可能与热像素中暗电流的随机抖动(Random Telegraph Signal)有关，积分时间越长，这种抖动导致的非线性越显著(Smith 等，2004；Virmontois 等，2013)。

图 9 热像素灰度均值随在轨时间的变化

Fig. 9 The average gray value of hot pixels vs. the flying time in-orbit

图 10 不同时期热像素灰度均值随积分时间的变化

Fig. 10 The average gray value of hot pixels vs. integrating time in different periods

通过上述分析，得出的结论是热像素随在轨时间的增加线性增多。同一时段热像素数量随积分时间的增大近似线性增加；在轨初期，一定积分时间下热像素灰度均值无明显变化，随着在轨时间的累积，热像素灰度均值有增大的趋势；不同积分时间下，均值随积分时间的增大而增大。热像素的产生与过SAA的瞬时效应似乎没有必然联系，其是否主要由SAA的质子导致还需要进一步的验证。

3.3 累积辐射损伤的计算

SAA内的瞬时效应、不断增加的热像素均能显著观察到，但在辐射环境中累积的辐射损伤(电离总剂量效应、位移损伤)则需要通过参数计算来判断。国外在CCD的电离总剂量、位移损伤方面已开展多年研究，大量报道(Pickel 等，2003；Oldham和McLean，2003；Hopkinson和Mohammadzadeh，2004；Srour和Palko，2013)表明电离总剂量效应可导致CCD工作点漂移、暗电流增大、输出特性变化，位移损伤可导致CCD的电荷转移效率下降(Prigozhin，2000；Hopkinson和Mohammadzadeh，2004)。国内近年来在此方面也开展了许多工作(李豫东等，2012；文林等，2015；汪波等，2015)。大量研究结果是基于地面模拟试验测试得出的，而在轨环境下只能基于已有图像数据对辐射损伤情况进行估算。参考大量的CCD辐射效应与机理研究结果，本文通过图像哑像素、暗像素、感光像素灰度均值、星目标对称性的计算，粗略分析了CCD的工作点电压、暗电流、光响应特性及电荷转移效率的变化情况。

哑像素的计算可一定程度上反映CCD像素参考电压的变化，暗像素可体现像素暗电流的变化。选取不同积分时间下，不同时期的在轨图像进行了参数计算和对比。图11为相机在轨工作8天、39天、70天、101天的参数对比结果，哑像素、暗像素的灰度均值随在轨时间无较大的波动，可定性判断CCD的工作点电压、暗电流特性没有明显的变化。

图 11 哑像素、暗像素灰度均值随在轨时间的变化

Fig. 11 The average gray value of hot pixels vs. the flying time in-orbit

虽然感光像素灰度均值仅体现了器件实际光响应的统计规律，并受成像时星目标、背景光等影响，但通过不同积分时间下灰度均值可估算CCD的光响特性。图12分别是在轨8 d、39 d不同积分时间下图像中感光像素灰度均值计算结果。感光像素灰度均值与积分时间均呈现良好的线性关系。对于在轨8 d的图像，通过数值线性拟合得出的相对响应度为36.77；对于8月27日的图像，通过数值线性拟合得出的相对响应度为37.12。二者常接近，且具有良好的线性度，这也充分表明CCD的光响应特性没有发生明显变化。

图 12 不同时期感光像素灰度均值与积分时间的关系

Fig. 12 The average gray value of Photosensitive pixels vs. integrating time in different periods

CCD电荷转移效率的退化使感光像素的光生电荷转移不完全，导致图像出现拖尾现象，对于空间目标探测，可导致成像的星目标对称性下降。选取了在轨101 d的一组图像数据，提取了图像中多个星目标，并分析了对称性。如图13为一个典型星目标的灰度等高线绘图，目测可看出目标的对称性良好。为了量化估计其对称性，绘制了目标的水平、垂直截面的灰度直方图，并进行了高斯拟合，结果如图14、图15所示。从直方图数据及拟合结果可看出灰度值呈对称的高斯分布，这也说明CCD的电荷转移效率没有显著下降。

图 13 典型星目标图像的灰度等高线

Fig. 13 The gray value contour line of a typical star image

图 14 典型星目标水平截面的灰度直方图

Fig. 14 The gray histogram of the horizontal cross profile of a typical star image

图 15 典型星目标垂直截面的灰度直方图

Fig. 15 The gray histogram of the vertical cross profile of a typical star image

对于低轨卫星，由于卫星壳体、载荷光机结构的屏蔽作用，能穿透一定屏蔽厚度作用于成像CCD的粒子主要是质子与宇宙射线重离子。低轨环境下，相对于地球辐射带质子，宇宙射线的通量极小，而SAA内质子注量明显高于其他区域，因此CCD出现的异常现象主要由SAA高能质子导致，SAA内出现的瞬时效应以高能质子导致的瞬间电离效应为主。当质子通过CCD的电荷收集区时，电离产生的电荷将作为有效载流子被收集，对于高灵敏度CCD，即使在信号被读出前在势阱耗尽区中只有几个电子，如果此时有质子穿过耗尽区或附近，电离产生的电荷也会形成瞬态的杂散信号。通过热像素的分析结果，可初步判断热像素源于离散的高能质子辐射导致的位移损伤。质子辐照导致的位移损伤缺陷，导致硅材料禁带中出现缺陷能级，且位移损伤主要以缺陷团簇的作用占主导。对于入射的质子在CCD各像素内分布的不均匀性与随机性，使个别像素内辐射诱发缺陷的数量远高于一般像素，并且在外加电场作用下导致暗电流增强效应，形成暗电流尖峰，也称为热像素。此外，由于重离子辐照也可以产生热像素，还不能完全排除重离子产生热像素的作用。通过分析也明确了SAA内产生的瞬时效应与热像素数量、灰度无明显的相关性。

HST、MSX-SBV、NEOSsat等卫星也都使用过SAA内关机、图像处理等手段来规避和减轻SAA瞬时效应的影响。HST采用升温退火的方式使热像素产生获得了一定程度的抑制(Polidan 等，2004)，但MSX-SBV采用了同样方式，没能减轻热像素带来的影响(Stuart 等，2008)。

上述辐射导致的影响对于以宇宙“暗背景”作为成像背景的观测卫星来说是共性的问题。对于对地遥感类卫星，辐射导致的热像素会导致图像噪声增大，包括固定图像噪声与随机噪声(由RTS引起)，但是由于成像背景较“亮”，辐射导致的影响与“暗背景”成像相比可能不会如此显著。卫星长期在轨将累积较大粒子注量，热像素数量将明显增加，且CCD的整体暗电流的增大、电荷转移效率的下降等累积辐射损伤也会越来越显著，与在轨初期相比，对探测性能的影响将更加显著。为了进一步深入分析瞬时效应与热像素的产生机理，复现在轨瞬时效应和热像素的现象，预测卫星长期运行受辐射影响的情况，并发展有效的应对措施，有必要设计地面模拟试验，开展质子辐照测试与理论分析，获得瞬时效应与质子能量、入射角度的关系，获得热像素产生率与质子能量、注量的关系，从而为卫星在轨运行管理、抗辐射设计提供充分的科学依据。

4 结　论

基于以上工作得到以下分析结论：

(1)在轨初期，空间辐射对CCD的影响主要是在SAA内的瞬时效应及在轨不断增加的热像素。SAA内出现的瞬时效应以高能质子导致的瞬间电离效应为主，热像素则源于离散的高能质子辐射导致的位移损伤。卫星在轨运行初期累积的电离总剂量效应、位移损伤效应不突出。

(2)以往主要关注CCD长期在轨累积的辐射损伤，认为累积的辐射剂量较高时才导致器件性能显著退化。本文通过分析发现，辐射损伤的程度不仅取决于器件在轨累积的辐射剂量，还取决于具体的应用模式；对于空间碎片探测等应用，在轨初期辐射的影响也是不容忽视的问题。本文采用的数据分析和评估等相关方法可为空间目标探测、天文观测、以及下一步有效开展空间碎片探测工作提供参考，使用的针对在轨瞬时效应、热像素、累积辐射损伤分析方法，对其他类空间光电探测系统的在轨分析也具有指导作用。

由于以上只是基于非常有限的在轨图像数据进行的较简单的分析，有必要进一步设计在轨试验和地面模拟试验，并开展在轨试验、地面试验的对比分析，只有以地面试验数据、大量在轨试验数据为依据，才能更深层次地认识CCD在轨辐射效应，采取有效的抗辐射措施，从而保证整机的在轨性能与运行寿命。

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摘要

关键词