CCD噪声对星敏感器星点定位精度的影响

表１ ＣＣＤ 主要噪声
Ｔａｂ．１ Ｍａｉｎ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ＣＣＤ
Ｎｏｉｓｅ ＰＳＮ ＤＣＳＮ ＤＣＮＵ ＰＲＮＵ ＲＮ
Ｆｏｒｍｕｌａ
ＮＳ＝ !ｎｓ ， ＮＢ＝ !ｎｂ
ＮＤ＝ !ｎｄ ＮＤＣＮＵ＝ !ＵＤＣＮＵｎｄ ＮＰＲＮＵ＝ＵＰＲＮＵ·ＣＴＥＮｅ·（ｎｓ ＋ｎｂ ）
ＮＲＮ＝ＶＯｎ－ ｃｈｉｐ !"ｆｅｌｅｃ ｋ
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｓｔａｒ ｓｅｎｓｏｒ； Ａｃｃｕｒａｃｙ； Ｎｏｉｓｅ； ＴＨ７８９０Ｍ
收 稿 日 期 ： ２００５－ １０－ ２９ ； 修 订 日 期 ： ２００５－ １２－ ２０ 基 金 项 目 ： 中 国 科 学 院“ 十 五 ”预 研 支 撑 技 术 项 目 （４２２０１０２０１０１） 作 者 简 介 ： 张 辉 （１９７４－ ）， 女 ， 新 疆 哈 密 人 ， 博 士 生 ， 主 要 从 事 星 敏 感 器 技 术 研 究 。Ｅｍａｉｌ： ｚｈａｎｇｈｕｉｘｊ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
表 ２ ＴＨ７８９０Ｍ 的 主 要 指 标 Ｔａｂ．２ ＴＨ７８９０Ｍ ｐｅｒ ｆｏｒ ｍａｎｃｅ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ Ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ Ｈｉｇｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ Ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎｓｅ ｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ Ｄａｒｋ ｓｉｇｎａｌ Ｄａｒｋ ｓｉｇｎａｌ ｎｏｎ－ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ Ｔｅｍｐｏｒａｌ ＲＭＳ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｄａｒｋｎｅｓｓ （Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｎｏｉｓｅ ｗｉｔｈ ＣＤＳ） Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ （ｐｅｒ ｓｔａｇｅ）
要 噪 声 是 读 出 噪 声 和 光 子 散 粒 噪 声 ； 对 ６ 等 星 进 行 星 点 位 置 的 估 计 ， ＣＣＤ 噪 声 达 到 了 １／４０ 像 素 的 精
度水平。
关 键 词 ： 星 敏 感 器 ； 精 度 ； 噪 声 ； ＴＨ７８９０Ｍ
中 图 分 类 号 ： Ｖ４４８．２１
文献标识码： Ａ
１．２ ＴＨ７８９０Ｍ 噪 声 分 析 研 制 的 星 敏 感 器 采 用 了 Ａｔｍｅｌ 公 司 的 ＴＨ７８９０Ｍ
型 帧 转 移 面 阵 ＣＣＤ。 下 面 以 ＴＨ７８９０Ｍ 为 例 ， 用 该 星 敏感器的参数来计算并分析上述噪声。
ＴＨ７８９０Ｍ 主要指标如表 ２ 所示。指标的测量条件 为： Ｔｃ＝＋２５ ℃； 光 源 ： ２ ８５４ Ｋ， 采 用 ＢＧ３８ 滤 波＋Ｆ／３．５ 镜 头； 垂直转移频率 ｆＶ＝５００ ｋＨｚ； 水平转移频率 ｆＨ＝４ ＭＨｚ； 暗信号测量积分时间 ｔｉｎｔ＝１ ｓ； 表中给出其典型值。
６３０
红外与激光工程
第 ３５ 卷
０引言
星 敏 感 器 具 有 精 度 高 、功 耗 低 、质 量 轻 等 优 点 ， 是 当 今 航 天 器 最 具 竞 争 力 的 姿 态 敏 感 技 术 。 而 ＣＣＤ 的 高 灵 敏 度 、宽 光 谱 响 应 、低 读 出 噪 声 和 大 动 态 范 围 等 优 点 ， 决 定 了 ＣＣＤ 成 为 星 敏 感 器 最 为 常 用 的 一 种 成 像器件， 是当前研究的主流。
星敏感器能够得到迅速发展和广泛应用的主要 原因是其具有很高的姿态测量精度。然而， 同样的 ＣＣＤ 星 敏 感 器 ， 国 内 能 达 到 的 三 个 轴 上 的 姿 态 精 度 普遍比国外低， 甚至在滚动角的估计精度上低一个数 量 级 。因 此 ， 对 星 敏 感 器 进 行 精 度 研 究 是 比 较 重 要 的 。 在表征星敏感器精度的指标中， 最重要的就是星点测 量精度， 它是星敏感器整体精度的基础。从星敏感器 的 硬 件 组 成 结 构 和 工 作 流 程 来 看 ， 光 学 系 统 、光 电 转 换 、后 续 处 理 电 路 以 及 机 械 结 构 、软 件 算 法 等 各 个 环 节 ， 都 不 可 避 免 地 对 星 点 测 量 产 生 误 差 ［１，２］。 其 中 ， 图 像传感器的噪声使输出图像的信噪比下降， 导致测量 精 度 降 低 。不 考 虑 其 他 环 节 引 入 的 误 差 ， 仅 研 究 ＣＣＤ 图像传感器的噪声对星点位置精度的影响。建立了 ＣＣＤ 噪 声 的 星 点 定 位 精 度 模 型 ， 并 以 研 制 的 基 于 ＴＨ７８９０Ｍ ＣＣＤ 的 星 敏 感 器 为 例 ， 计 算 了 ＣＣＤ 噪 声 引 起的星点位置偏差。
文 章 编 号 ： １００７－ ２２７６（ ２００６） ０５－ ０６２９－ ０５
ＣＣＤ ｎｏｉｓｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｃｃｕｒ ａｃｙ ｏｆ ｓｔａｒ ｓｅｎｓｏｒ
ＺＨＡＮＧ Ｈｕｉ１，２，ＹＵＡＮ Ｊｉａ!ｈｕ１，ＬＩＵ Ｅｎ!ｈａｉ１
（１．Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０２０９， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９， Ｃｈｉｎａ）
声进行了定量计算； 基于亚像素细分质心算法， 针对各噪声的分布特点及规律， 分别推导出各自的均
方 根 误 差 ， 综 合 各 项 误 差 得 到 ＣＣＤ 噪 声 的 星 点 定 位 精 度 模 型 。 计 算 结 果 表 明 ＴＨ７８９０Ｍ ＣＣＤ 的 主 要
噪 声 有 读 出 噪 声 、光 子 散 粒 噪 声 和 光 响 应 不 均 匀 性 引 起 的 随 机 噪 声 ； 影 响 星 敏 感 器 星 点 定 位 精 度 的 主
Ｖａｌｕｅｓ １７ μｍ×１７ μｍ，５１２×５１２ ４００～１ １００ ｎｍ ４ μＶ／ｅ－ １％ １０ Ｖ／μＪ·ｃｍ－ ２ １ ｍＶ ０．３ ｍＶ
１８０ μＶ
０．９９９ ９９５
研制的星敏感器镜头的主要参数如下： 孔径 ｄ＝ ２８ ｍｍ， 镜 头 面 积 Ａｄ＝#ｄ２／４； 光 学 系 统 透 过 率 $＝０．８５；
第 ３５ 卷第 ５ 期 Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．５
红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００６ 年 １０ 月 Ｏｃｔ． ２００６
ＣＣＤ 噪声对星敏感器星点定位精度的影响
张 辉 １， ２， 袁家虎 １， 刘恩海 １
（１．中 国 科 学 院 光 电 技 术 研 究 所，四 川 成 都 ６１０２０９； ２．中 国 科 学 院 研 究 生 院， 北 京 １０００３９）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｓｔａｒ ｐｏｉｎｔ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｓｔａｒ ｓｅｎｓｏｒ ａｃｃｕｒａｃｙ， ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｅｒｒｏｒ， ＣＣＤ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｉｓｅ， ｃｉｒｃｕｉｔ ｎｏｉｓｅ， ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ， ｅｔｃ． Ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｉｓｅ ｉｓ ｎｏｔ ｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅ， ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｒａｒｅｌｙ． Ｓｏ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ＴＨ７８９０Ｍ ＣＣＤ ｃｈｉｐ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｔａｒ ｓｅｎｓｏｒ， ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｂｐｉｘｅｌ ｃｅｎｔｒｏｉｄ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ， ＲＭＳ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｏｉｓｅｓ ｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｏｉｓｅｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒ． Ａｔ ｌａｓｔ， ＣＣＤ ｃｅｎｔｒｏｉｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｂｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ＴＨ７８９０Ｍ ＣＣＤ ｃｈｉｐ ｈａｓ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｎｏｉｓｅｓ， ｉ．ｅ． ｒｅａｄｏｕｔ ｎｏｉｓｅ， ｐｈｏｔｏｎ ｓｈｏｔ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｒａｎｄｏｍ ｎｏｉｓｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎｓｅ ｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｃｅｄｉｎｇ ｔｗｏ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔ ｓｔａｒ ｓｅｎｓｏｒ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｆｏｒ ｓｔａｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ， ＣＣＤ ｎｏｉｓｅｓ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｌｅｖｅｌ ｏｆ １／４０ ｐｉｘｅｌ ｆｏｒ ａ ６ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｓｔａｒｓ．
１ 图像传感器的噪声
１．１ ＣＣＤ 图像传感器的噪声 ＣＣＤ 图 像 传 感 器 的 主 要 噪 声 ［３～８］ 有 ： 光 子 散 粒 噪
声 （ ＰＳＮ） 、暗 电 流 散 粒 噪 声（ＤＣＳＮ）、模 式 噪 声（ＰＮ）、复 位 噪 声 （ Ｒｅｓｅｔ） 、芯 片 放 大 器 噪 声 （Ｏｎ－ ｃｈｉｐ）、片 外 放 大 器 噪 声（Ｏｆｆ－ ｃｈｉｐ）和 量 化 噪 声 （ ＱＮ） 。其 中 模 式 噪 声 又 包 括 两 部 分 ： （１） 固 定 模 式 噪 声 （ＦＰＮ）， 即 暗 电 流 不 均 匀 性 （ ＤＣＮＵ） 带 来 的 随 机 噪 声 ； （２） 光 响 应 不 均 匀 性 （ ＰＲＮＵ） 带 来 的 随 机 噪 声 。 在 上 述 噪 声 中 ， 复 位 噪 声 起 因 于 输 出 电 路 复 位 过 程 中 的 电 阻 热 噪 声 ， 与 ＣＣＤ 输出结构有密切联系， 采用相关双采样法可使复位噪 声很小； 视频信号处理电路（ 片外放大器） 通常都是低 噪声放大器， 其噪声相对芯片放大器噪声而言可以忽 略 不 计 ； 许 多 厂 家 提 供 的 读 出 噪 声 （ ＲＮ） 就 是 指 此 处
ห้องสมุดไป่ตู้
第５期
张 辉 等： ＣＣＤ 噪 声 对 星 敏 感 器 星 点 定 位 精 度 的 影 响
６３１
视 场 Ａ＝１６°×１６°； 弥 散 斑 直 径 ｄ１＝０．０６ ｍｍ， 集 中 了 !＝ ９０％的 能 量 ， 故 弥 散 斑 所 占 像 元 数 目 ｎｐ＝"ｄ１２／４Ａｐ， Ａｐ 为 像素面积。
星 敏 感 器 在 １ ｍ２ 的 镜 头 面 积 上 、１ ｓ 的 积 分 时 间 内 ， ０ 星 等 恒 星 辐 射 产 生 约 Ｌ０＝５×１０１０ 个 光 电 子 ［６］，则 一 颗 星 等 为 Ｍｖ 的 恒 星 辐 射 在 ＣＣＤ 上 产 生 的 总 的 光 电 子 数 Ｌ＝Ｌ０·２．５－ Ｍｖ·Ａｄ·#·ｔｉｎ·ｔ $， 其 中 ： ｔｉｎｔ 为 积 分 时 间 ； $ 为 ＣＣＤ 的 等 效 量 子 效 率 ， 可 由 光 响 应 度 Ｒｅ 计 算 ： $＝ ｈｃ·Ｒｅ／（%·Ａｐ·ｋ）， ｈ 为 普 朗 克 常 量 ， ｃ 为 光 速 ， % 为 波 长 。 由 上 可 得 ｎｓ＝&Ｌ／ｎｐ， 又 考 虑 到 星 敏 感 器 将 工 作 在 太 空 中 ， 因 而 可 以 忽 略 背 景 辐 射 的 影 响 。 设 Ｉｄ 为 暗 电 流 （ ｅ－／ｓ） ， 则 积 分 时 间 ｔｉｎｔ 内 生 成 的 像 素 平 均 暗 电 流 电 子 数 为 ｎｄ＝Ｉｄｔｉｎｔ。 此 外 ， 从 表 ２ 数 据 可 知 ： ＵＤＣＮＵ＝０．３， ＵＰＲＮＵ＝０．０１， ＮＲＮ＝４５ （ｅ －ｒｍｓ）。 考 虑 到 ＣＴＥ ≈１， 故 取 ＣＴＥＮｅ＝１。 计 算 中 ， 针 对 该 星 敏 感 器 的 实 际 情 况 ， 积 分 时 间 取 ｔｉｎｔ＝２００ ｍｓ。
提到的复位噪声和片内放大器噪声； 从放大器输出的 模拟信号通过模数转换电路转化为数字信号， 当采用 １２ ｂｉｔ 模数转换器时， 量化误差对测量精度的影响可以 忽略。各项噪声计算公式如表 １ 所示， 表中 Ｎ 表示均方 根噪声等效电荷数 （ 单位为 ｅ－ｒｍｓ） ， ｎ 为在固定的观察 时间内产生的像素光电子数的平均值，Ｕ 表示不均匀性 系数， ＣＴＥ 表 示电荷转移效率， Ｎｅ 表示电荷转移次数， ｋ 表 示 转 换 因 子 （ !Ｖ／ｅ－ ） ，"ｆｅｌｅｃ＝ １／（２ｔＣＬＯＣＫ）表 示 理 想 采 样 系 统的带宽，ＶＯｎ－ｃｈｉｐ 为放大器噪声密度， 下标 ｓ、ｂ、ｄ 分别表 示目标信号、背 景 辐 射 及 暗 电 流 。
摘要： 星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标， 影响该精度的主要因素有： 光学系统
误 差 、图 像 传 感 器 的 噪 声 、电 路 噪 声 及 软 件 算 法 等 。 图 像 传 感 器 的 噪 声 对 星 点 定 位 精 度 的 影 响 是 不 容
忽 视 的 ， 但 很 少 对 此 进 行 研 究 。 针 对 某 给 定 参 数 的 星 敏 感 器 ， 对 ＴＨ７８９０Ｍ ＣＣＤ 图 像 传 感 器 的 各 项 噪