基于CCD的太阳EUV射线成像探测系统

金子瑜，彭吉龙

（中国科学院 国家空间科学中心，北京 100080）

太阳剧烈活动时，短时间会向行星际抛射大量物质，如高能粒子、磁场、高能电磁波等。当这些物质接近地球轨道时，会引起近地空间环境扰动，威胁航天器运行、GPS定位、输电网等，会对人类的正常生活带来巨大灾难。太阳活动主要发生在日冕和色球层，其辐射主要集中在X和EUV波段。这两个波段的成像可以直接观测到太阳耀斑、CME、冕洞等现象，对于研究太阳日冕和色球变化规律、预报空间天气有重要意义[1]。目前，观测仪器从流量扩展到成像观测。主要包括掠入射望远镜（Yohkoh/SXT），正入射多层膜望远镜（SOHO/EIT），Bragg晶体光谱仪（SMM/XRP）等[2]。文中针对空间环境，建立了基于CCD的太阳X射线的成像探测电路系统，实验表明，该系统具备低噪声、高可靠性等特点，能够适应空间辐照影响，可对星上仪器的研制提供重要的测试支持。

1 CCD相机系统硬件设计

CCD是一款极为灵敏的传感器，能够将光信号以电荷的形式存储起来，但对于空间环境应用的CCD，并没有匹配的转移电路。因此，需要自行设计相应的电荷转移电路系统，才能获得有效图像。为此，文中设计了一套CCD成像探测系统，其工作流程如下：

1）由FPGA产生特定的时序信号，驱动CCD传感器将存储的电荷转移输出。

2）将CCD读出的弱信号滤波放大，再进行相关双采样，获取数字信号。

3）FPGA获取数字信号并存储，再传输到计算机中显示。

该系统硬件部分主要包括控制模块、驱动模块、信号处理和放大模块及电源模块。系统结构如图1所示。

图1 CCD相机硬件设计系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of CCD camera hardware design system

1.1 CCD选型

CCD功能是将二维图像光信号转变为移位视频信号输出。光学成像系统将景物图像成像在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一个象元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中，然后再转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲作用下顺序的移出器件，成为视频信号[3]。本文选用E2V公司的CCD 47-20背照式帧转移CCD传感器。该CCD的成像面积为13 mm×13 mm，包含1 024×1 024个像元，电荷并行转移效率为99.9999%，串行转移效率为99.9993%，可以提供良好的成像质量。并且支持双路输出，最大读出速度可达5 MHz，可以实现较高的读出速度。同时，该CCD光谱范围为400～1 100 nm，具有极高的灵敏度，700 nm的量子效率可以达到45%，20 kHz的动态范围约为50000:1，满足EUV射线探测的光谱要求。并且，具备半导体制冷器，采用整体封装工艺，在20 kHz的读出噪声仅为2.0e－rm，具备低噪声、高精度的特点，符合空间环境的应用要求。

1.2 驱动模块

CCD要求存储区和成像区的时序信号电平为10 V，输出区及复位区的时序信号电平为12 V，但FPGA输出的时序信号电平只有5 V，因此必须对FPGA输出的时序信号进行电平转换。

电平转换的方式一般有3种。第一，是采用模拟开关实现电平移位，利用输出波形控制开关通断。但缺点是，这种模拟开关在开启和闭合时会使得电流变化，引起串扰和噪声，波形容易相互影响影响。第二种方式是利用运算放大器的加法功能，实现电平移位在放大。这种方法可靠性高，驱动能力强，而且通过调整可变电阻的值，可以得到不同的驱动电压，但是参数调试较为繁琐。第三种方式是利用专用驱动芯片进行信号转换和电平提升，电路简单可靠。本文选用EL7202，经测试，该芯片在T=25℃，V=15 V，负载电容CL=1 000 pF时，发现其能够快速响应、具备相匹配的上升下降时间、较低的脉冲抖动、低输出阻抗、高输出电压，适合作为用CCD的驱动。

1.3 信号处理模块

1）滤波放大

CCD输出的电信号，首先经过前置运放适当放大，以便于后端相关采样。CCD 47－20的电荷检测电路采用电流输出方式，其内部输出电路原理图如图所示，在R1、R2、R3的驱动下，信号电荷转移到输出寄存器的末端。此时，R3上的电平由高变低（即R3下势阱提高），将信号电荷注入到反相偏置的二极管中，并产生输出电流ID，且ID的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比，呈线性关系。ID经过放大后，输出至CCD的OS端[4]。前置放大电路原理图如图2所示。

图2 CCD输出单元结构图Fig.2 Structure diagram of CCD output unit

从CCD输出的信号首先经过10 kΩ的电阻，将电流信号转化成电压信号。隔直电容将OS端的图像信号电压变化取出传输给后面的电压跟随器；本文选用AD829高速低噪声视频信号运算放大器。该运放带宽B=120 M，gain=－1；转换速度230 V/μs，非常适于视频应用。

2）相关采样

在CCD的电荷转移和存储过程中，会混杂各种噪声，包括光子散弹噪声、暗电流以及复位噪声等，其中复位噪声最为严重，会影响CCD的准确度。当复位脉冲来临时，复位管导通，它的导通沟道电阻R on所产生的的热噪声KTC加在C两端，其中，C包括反偏二极管的结电容和放大管的电容。所以，复位过程近似于通过电阻R on对C充电，产生复位噪声Vn（t）。当下一个电荷来临时，信号进入浮置扩散区，会与噪声叠加在一起通过放大管输出。

为了使CCD在不损失图像细节的情况下，尽量减少复位噪声，一般采用相关双采样的方法进行处理。相关双采样的原理是假设CCD信号和复位电平上存在相同的暗电流。那么，CCD的输出信号如图3所示。t1时间的脉冲是由于复位脉冲引起的电平上升。t2是复位脉冲结束后，信号来临之前的复位电平，而t3阶段是CCD信号的输出电平。所以采集t2时刻以及t3时刻的电平差分比较，就可以得到CCD的实际输出，减少复位噪声的影响[5]。

图3 采样信号时序图Fig.3 Timing diagram of sampling signals

1.4 电源模块

1）系统电源

根据设计要求，系统输入的电源为直流+28 V，输出电源为±5 V以及±12 V。电源的设计方法主要分为两种，一种是自行设计电源变换单元，这种方法元件较多，调试时间较长。另一种是利用成熟的电源功能模块以及少量电容完成，减少大量外部连线及焊点，该方法可靠性高、调试时间短、性能稳定。所以，在本系统中采用该方法。目前主流的产品生产厂家有美国的VICOR，Interpoint，VPT等公司。其中VPT的航天隔离及降压DC－DC专用转换器在转换效率、功率、温度、密封性以及热量等方面都具备明显优势，能够稳定地工作在恶劣的空间环境下，是目前的优选电源模块。

外接电源首先经过VPT隔离转化器，过滤环境中产生的噪声再输出给并联DC/DC转换模块，获得输出±5 V和±12 V直流电平供后端电路使用。

2）CCD偏置电平

由于CCD中电荷的转移需要不同的偏置电压转换，所以需要较多的偏置电压.一般，有3种方法得到偏置电压。其一，与上述方法类似，通过DC－DC转换模块获得。这种方法的优点是操作简单，输出稳定，但是，需要使用较多芯片，占用空间，并且很难符合空间应用的要求。其二，是采用DA数字控制电压源。由FPGA控制DA变换芯片输出0V到+2.5 V之间变化的各路电压信号，经过运放适当放大，可以得到所需的电压。该方法相对空间资源较少，但是对于高速信号，这种方法很难满足工作频率的要求，并且不易控制。第三种，是采用简单的电阻分压以及运算放大器隔离的方法。通过调整可变电阻的值，得到所需的电源偏压，再经过运放隔离开，向后端输出。该方法操作简单，占用空间较少，电压平稳，并且可以提供足够的电流供CCD传感器使用。因此，在本系统中采用该方案。

2 软件部分

CCD 47-20没有专用的时序芯片，需要自行设计时序控制程序。本文选用ALTERA公司的现场可编程逻辑器件EPF10K70RC240，该器件具有高密度，低成本，低功率的特点，最多包含358个I/O端口，70，000典型逻辑门，468个LAB以及18，432bit RAM，满足系统需要。并配置JTAG接口，方便电路调试。设计工作电压为5 V，时钟频率为30 MHz，同时配置“看门狗电路”（watchdog timer）和EPC2 PROM存储器。

本文采用硬件描述语言（VHDL），在QUARTUSII集成开发环境下进行逻辑设计。编译后，可以通过软件仿真，也可以将程序通过JTAG下载到FPGA或EPC2存储器中，进行硬件调试。

2.1 系统软件设计方案

软件系统需要实现3个功能:

1）产生CCD所需的时序脉冲，驱动CCD信号电荷转移；

2）控制相关双采样及AD转换；

3）数据存储及传输到计算机。

程序流程如图4所示。

图4 系统软件流程图Fig.4 System software flow diagram

在该系统中，时序配合至关重要，如果信号配合失误，会出现数据丢失或程序错误。首先，行输出驱动脉冲应与采样脉冲RH相互配合。其中，在输出参考电平时，RH应为高电平，而在复位及输出电荷时，应为低电平。在整个系统输出过程中，如果二者之间延时过大，会影响数字采样以至于最后的图像输出错误。其次，要控制FIFO的存储及读出速率，如果FIFO存储数据速度太慢，就会丢失数据。最后，在LABVIEW程序中，因为FPGA传输速率较快，应开辟较大内存空间，并且在存储过程的循环应尽量短小，去除冗余的数据处理，保证快速执行。当传输结束后，再进行后续的数据处理工作。

2.2 三相脉冲产生程序

CCD驱动时序程序设计是FPGA软件设计的主要部分，主要功能即为将电荷信号逐行转移，并通过CCD内部放大电路输出。该CCD的结构分为成像区以及存储区，每个区域分布包含1 033行及1 070列个像素单元，整个阵列采用三相时序脉冲控制.所以相应的软件实现需要考虑对应的脉冲时序产生.CCD驱动时序主要包括成像区帧转移脉冲 （I1 I2 I3），存储器帧转移脉冲和行转移脉冲（S1 S2 S3），行输出脉冲（R1 R2 R3）以及复位脉冲（RR）。

CCD对驱动时序的脉宽、相位、间隔等都有严格的时序要求。在设计过程中，需要精确间隔，才能实现驱动功能并且达到输出频率的要求。首先，各个脉冲之间需要精准的时间间隔，三相脉冲之间必须保证120°相移；在帧转移和行转移之间，需要有2μs的延时。每一个行转移脉冲后，需要输出1 070个行输出脉冲。第二，要求复位脉冲宽度为0.1 Tr，同时，复位脉冲的下降沿与R3的下降沿之间间隔0.5 Tr。CCD的读出速率不能高于3 MHz，同时要考虑到放大电路及AD的处理速率；而如果速率太低，暗电流过大，也会影响CCD性能。最后，要考虑到程序以及硬件电路的延时问题，都会对输出信号的宽度、间隔、相位以及占空比产生影响。如图5所示。

图5 三相脉冲流程图Fig.5 Three-phase pulse flow chart

考虑到仿真条件，减少了一定的脉冲数目，便于观察结果。仿真结果如图6所示

可以看出，首先，同时产生I1I2I3以及S1S2S3帧转移脉冲，周期为15μs，将成像区电荷转移到存储区。然后，输出一个行转移脉冲S1S2S3，以及行输出脉冲R1R2R3RR，周期为1μs，将象元逐个转移读出，并通过RR复位信号释放电荷。CCD输出模拟电荷信号峰峰值为0.7 V，频率为1 MHz。连续重复这个过程，直到将一帧图像完整读出。

3 噪声分析

图6 CCD脉冲输出时序仿真图Fig.6 CCD pulse output timing simulation map

CCD是一种精密的传感器，对噪声非常敏感，是其重要的性能指标之一。因此，降低噪声对提升CCD输出性能非常重要。CCD的噪声包括硅片内噪声，集成放大器噪声[6]，以及电子学噪声等。上面提到的相关双采样法，可以有效减少集成放大器噪声。同时，在本文中，还采取一些措施，以抑制电子学噪声：

减小干扰源：在所有芯片的电源引脚上并联旁路电容，以减小电源纹波。在驱动电路输出的时钟信号旁并联小电阻和电容，滤除高频干扰，增加上升时间，加强驱动能力[7]。

阻断耦合回路：PCB板设计独立的电源层和地层，并将电源地、数字地、模拟地以及CCD地分隔，避免相互影响。将芯片上所有接地引脚连接，扩大接地范围，减少信号干扰[8]。

增强信号抗干扰能力：在输出敏感信号后添加滤波电路，增强输出能力，隔离各部分信号之间影响。同时限制放大器带宽，减少高频干扰。

图7是电路优化先后的信号对比，可以明显发现，优化前的脉冲信号受到转移脉冲的影响，每周期会出现两次上下波动。而优化后的电路信号更加稳定，噪声较低。

图7 电路噪声对比图Fig.7 Chart of circuit noise comparison

文中通过LABVIEW程序设计，获取CCD的输出图像。在测试中，应选取光线较暗的场所，防止曝光过度。图8为量化结果，其中，较暗的区域为信号值低的区域，而较亮的区域为信号值高的区域。根据CCD读出信号格式，每一行最左边较暗的8个单元为BLACK区域，没有信号输出。其后，15个单元为暗电流区域，信号微弱；最后，为输出的完整图像。测试表明，该系统图像噪声低于10e-，可以满足空间应用需求。

4 结 论

图8 CCD输出测试图像Fig.8 CCD output test image

文中提出了基于CCD47-20传感器的电子系统设计方案和噪声抑制措施，并完成软硬件调试。初步测试表明，该系统具备测试准确、性能稳定等特点，能够适应空间应用环境。对于未来进一步研制星上太阳EUV射线成像探测器提供了重要的地面测试支撑。

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