空间应用短波CCD系统增益的放射源标定和估算*

曾智蓉，李保权，彭吉龙

(空间科学与应用研究中心，北京 100190)

探测器是观测仪器的重要分部件之一。由望远镜收集的光子，只有通过探测器记录后才能被采集和利用。用于接收光子的固体探测器曾有几种不同的类型，分别为自扫描硅二极管(IDA)、电荷注入器件(CID)和电荷耦合器件(CCD)。经过竞争，CCD淘汰了其他几种类型，成为空间天文观测中应用最广的二维固体器件。

CCD具有光电转换、信息存储和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存储三大领域中得到广泛应用。在1969年贝尔实验室的Willard S Boyle和George E Smith共同发明了CCD的雏形后，1975年CCD开始正式用于天文成像。此后的几十年里，CCD在空间天文成像上的应用有了飞速发展[1]。目前,国内为了满足空间天气预报目标监测需求，开展全方位的空间天气监测预报研究，正在开发太阳软X-EUV空间成像望远镜[2]，该望远镜选用了由E2V公司生产的大面阵背照式CCD作为焦平面上的成像器件，主要对软X和EUV波段的光线进行成像观测。在仪器投入使用前，需要对仪器进行地面标定，其中第一阶段主要是进行包括CCD、入射窗、分析窗、镜面系统等各个分部件的测试，第二阶段主要是仪器拼接完成后的系统响应测试。CCD裸片的标定包括增益、读出噪声、转移效率、平场响应、量子效率的标定，本文主要介绍其中对CCD系统增益的标定测试实验。

1 系统增益的标定原理

固体探测器件都需解决光生电荷的读出问题。CCD是由许多基本单元组成的面阵结构，它的一个基本单元是像素。入射光子打到像素内的灵敏层上产生的光电子在势阱内被收集，并在时序电压下被逐个像素转移读出。CCD系统最终得到的数据是电荷信号经过放大、模数转换后的数字信号，它的计量单位为模数单位(DN)，在进行实际具体的物理分析和讨论时都使用输入端光子或电子作计量单位，因此需要进行数据转换。在正常工作范围内，得到的DN值和像素势阱内收集到的光生电荷成正比，这个比例系数称为增益，即一个DN值对应的电子个数。

进行增益的标定是使用CCD系统和CCD标定的必需步骤。只有知道增益转换系数才能进行数据处理，算出输入光电子数。测量CCD的增益通常有两种：转移曲线和放射源方法[1，3]。转移曲线方法是较简单和常用的一种，又可以分为两幅图像[3-5]和多幅图像的处理方法，其中比较常用的是多幅图像的处理方法。它是让CCD在均匀光照射下，逐渐增强光强或增加曝光时间，使CCD出现饱和，绘制不同输入信号时的输出噪声平方曲线，在曲线转折点的输出水平是CCD的势阱容量，曲线的斜率即是要测量的增益值。转移曲线方法对入射光均匀性要求很高，国内对CCD增益的测试大多采用这方法[6-7]。放射源方法是用放射源照射CCD，通常采用Fe55放射源，其一个5.9keV光子产生1620个光电子，通过统计图像数据中的单像素事件的输出，将该输出与1620相比，就能得到系统的增益，国外除转移曲线方法外[8-9]，也较多使用这种方法测试[4,10]，本实验采用放射源方法对CCD增益进行测试标定。

2 CCD增益标定方案

实验所用CCD裸片为E2V公司生产的像素数为1024×1024全帧读出型阵列，成像敏感区面积为13.3 mm×13.3mm，像素势阱容量≥10000e-，电荷转移效率≥99.999%，它是目前空间天文科学级最常用的CCD之一。CCD的读出电路和实时控制软件由小组自己研究开发[11-13]。目前设有一种读出模式，为了方便软件设置最低读出曝光时间是1s(可以改变)，ADC是16bit。CCD良好的工作输出对温度条件有很高的要求，一般工作在-40℃以下暗电流本底较小，工作温度稳定性需要控制在±0.1℃以内，考虑目前在实验室内对CCD电路进行冷却且保持一定的温度稳定性存在一定困难，实验在稍低于常温的环境下进行。这样带来的本底和噪声比较大，将使实验信噪比降低。实验所使用的Fe55放射源源强约为9.76×107Bq，主要为5.9keV能量的光子。标定工作在暗室热真空罐内进行，实验布置如图1。

图1 CCD标定实验布置简图(左)，真空罐内的CCD相机实物图(右)Fig.1 Experimental arrangement of CCD calibration (left) and the CCD camera in a vacuum container (right)

2.1 放入放射源前图像数据的获取

放入放射源前获取了部分在常温下不同曝光时间的图像数据，作为和有放射源时图像数据的对比。如图2(右)所示，图像统计图上有单峰显示，它主要由本底构成，峰宽在一定程度上反应了CCD像素差异和噪声的大小，从图中可以看到CCD暗电流在常温下较大，但图像本底噪声还是相对较小的。

2.2 放入放射源后图像数据的获取

热真空罐冷却能达到的最低温度在-50℃以下，但由于CCD的读取电路在不断发热，以目前的实验条件，局部区域CCD的温度最低只能稳定在-20℃以内。实验中没有使用机械快门，为了实现不同的曝光时间，每次获取图像前都会将CCD的数据清零一次。从室温到-8℃温度范围内获取了不同曝光时间下有放射源照射的图像，最后从这些图像数据中挑选了成像效果较好、便于分析和计算的数据进行处理。

2.3 增益标定数据处理

偏置、暗场和平场图像是3种CCD数据处理时一般会用到的图像数据[3]，其中用的较多的是暗场图像，它包含了相同温度和曝光时间内CCD图像数据的偏置和暗电流本底，由于这些本底存在短期或较长期时间内明显的漂移，进行具体的数据处理时一般需要获取实时或短期内的暗场图像并将其减掉。对于本套CCD系统，其读出电路是由实验室自己开发，通过之前的实验结果发现，CCD偏置在短期内的漂移不可忽略，且随着温度的降低和再次升温，偏置差异和电路参数随温度的变化相对明显，偏置本底值漂移也较明显，如图2所示，实验在不同温度下的各帧数据不能用统一的偏置图像进行处理，加之未使用机械快门，没有获取同等条件下的实时暗场图像。因此，在放入放射源前获取了常温下的几幅暗场和偏置图像进行比对和观察，信号数据的图像将通过对单幅图像统计图和同等条件下的两幅图像相减之后图像的统计图进行高斯拟合的方式进行估算和比对，下面具体介绍这两种处理方式。

图2 CCD像素偏置平均值在降温和升温过程中的变化(左)和放入放射源前的暗场统计图(右)Fig.2 Changes of CCD bias with temperature (left) and histogram of dark image without the Fe55 source (right)

(1)单幅图像处理方式。其处理过程如下：

1)在-10℃至0℃温度范围内每个温度点各选取一幅较好的1s或其他较短曝光时间的图像数据，对每幅图像中一定区域内每个像素内的输出值进行统计，如图3右，图中可以看到在本底主峰右侧放射源主要的5.9keV光子峰。

图3 -5℃单幅图像1s曝光时间的统计图(左)和-6℃两幅图像相减后的统计图(右)Fig.3 Histogram of a single image with 1s exposure at -5℃ (left) and histogram of the difference between two images with 1s exposures at -6℃ (right)

2)用高斯拟合的方法对每幅统计图中的主峰和侧峰分别进行拟合，分别记录其中心值C1，C2和标准偏差W1，W2。

3)根据侧峰(放射源峰)拟合的数据，对输出值在C2±3*W2范围的像素进行挑选，记录单像素事件像素的行、列和像素值，如图4。

图4 -8℃ 1s曝光时间下单幅图像(左)和两幅图像相减后(右)行单像素事件图Fig.4 Single pixel values in a single image with 1s exposure (left) and in the difference between two images with 1s exposures at -8℃(right)

4)将单像素事件像素的输出值进行高斯拟合，得到拟合中心值C3，拟合的标准偏差在一定程度决定了实验数据的误差大小和CCD对该能量的分辨率，偏差越小越好，由于实验所使用的是Fe55放射源5.9keV能量的光子，因此，系统的增益计算为：

1620/(C3-C1)(e-/DN)

上述计算方法认为CCD像素之间的差异性很小，对一定区域内每个像素使用了统一的本底值，主要从每幅图像数据上挑选了像素均匀的4个区域，分别对每一个区域重复进行上述增益计算过程，计算结果如表1。

表1 单幅图像处理方法每个区域内的增益结果Table 1 Measured gain values of each area from the single-image method

(2)同等条件下两幅图像相减的方式。仔细观察CCD的暗场图像发现存在一些固定噪点，这些噪点的数量和大小对单像素事件的判别有一定的干扰，另外在较短的曝光时间内放射源入射到CCD上的光子同时落在一个像素内的几率非常小，堆积问题可以忽略，因此，将相同温度和较小相同曝光时间下的两幅信号图像进行相减，可以有效减掉本底和固定噪点，但会造成一些像素值为负值，图像的统计图上将出现以0DN值为中心对称分布的两个5.9keV信号峰,如图4右。

在两幅图像处理方法中，挑选了部分较好的短曝光时间的几对图像进行相减处理。对相减后的图像挑选一定区域重复进行上述1～4步计算，所不同的是在上述步骤中还包括了对像素负值的处理，最后对计算的负值增益结果取绝对值。计算结果如表2。

表2 两幅图像处理方法双峰增益计算结果Table 2 Measured gain values (at peak- and bottom-valued pixels)from the two-images method

3 CCD系统增益标定的数据分析

实验数据的处理过程得益于Matlab程序语言的可视化环境，可以方便有效地将明显有溢出、图像重叠等问题的图像数据剔除，并在图像上可以很方便地挑选需要处理的像素区域。实验测量得到的典型统计图如图3所示。图中偏置和暗电流本底主峰很明显，右侧小突起即为放射源光子峰。观察主峰和侧峰的半高宽(FWHM)可以看到，该实验用CCD的像素差异性较明显，光谱能量分辨率相对较大，这对一定区域内所有像素使用统一本底值的估算方法会引起一定的误差，像素差异越大，误差越大。此外， CCD某些较大噪点对单像素事件的判别也会带来一定影响，CCD面阵上沾有部分灰尘，曝光过程中温度有微小变化以及图像数据处理的涨落误差等等，这些因素都将在一定程度上影响增益计算结果的精度。

分别对上述表格中单幅图像和两幅图像相减两种处理方式的结果在每个温度点的值取均值，得到-8℃至0℃温度范围内的最后增益结果，如表3，比较两种方法的处理结果，发现采用两幅图像相减的方法得到的增益值比单幅图像方法得到的值稍小，造成这种结果可能的原因主要是由于CCD像素之间的差异性相对较大，对各像素使用统一的本底值对精度有一定影响，当然，由于使用的图像数据有限，数据之间的涨落差异性以及数据拟合过程中存在的精度误差等等也不可忽略，这两种方法结果的差异仍在可接受的范围之内。计算第一种处理方法中每个温度点四组数据对平均值的偏差，得到如图5的结果，图中看到各组数据的偏差较小，不同温度下得到的最大相对误差为1.66%。

表3 两种处理方法在不同温度下的增益结果Table 3 Measured gain values from two methods at different temperatures

图5 单幅图像处理方法的相对误差Fig.5 Relative errors of the single-image method

比较每一栏中不同温度下的增益值，经过计算得到单幅图像处理方法不同温度下增益的平均值为5.2334±0.0389 e-/DN，相对误差为0.7%，两幅图像处理方法不同温度下的平均值为：5.0614±0.0937 e-/DN，相对误差为1.85%，从数值结果上看两种方法的结果符合较好，相差约0.17e-/DN左右，同时看到温度变化对增益的影响较小，忽略温度对增益结果的微小影响，以这两组值作为最后的增益值结果，并在后续的数据处理中视不同的情况分别使用。

4 实验结论

通过本文的工作，使用Fe55放射源开展了短波应用CCD系统增益的标定实验和数据处理工作，得到了在-8℃～0℃温度范围内的系统增益值。从上述估算结果和分析可以知道，实验条件和处理过程对大部分实验数据的分析影响较小，使用两种处理方法得到的结果值分别为：5.2334±0.0389 e-/DN和5.0614±0.0937 e-/DN，相差约为0.17e-/DN，得到的在不同温度下的增益结果在一定范围内较稳定，两种方法在-8℃～0℃不同温度下增益变化的标准偏差约为0.0389和0.0937 e-/DN 。由于温度对增益的影响很小，以这两组不同温度下的增益平均值作为最后的增益处理结果，该增益结果能够用于后续CCD数据的分析和处理，为以后的工作提供更多依据和帮助。

尽管如此，由于设备和实验条件的局限，标定过程和实验仍然需要后续的持续改善，如：使用精确的机械快门，获取实时的暗场图像；改进CCD降温冷却系统，进行更低温度下的实验和数据分析等等。此外，从图4较好的单像素事件分布图看到，根据已有的图像数据，还可以进行CCD转移效率(CTE)的计算，目前较好的CTE归算方法仍在改进之中。

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