随机亮点对电荷耦合器件的影响研究

杨小虎

摘要： 针对电荷耦合器件工作过程中出现的随机亮点，通过与国外先进仪器公司的产品以及不同型号探测器的比对分析，确认了宇宙射线为随机亮点产生的原因。进一步的研究表明，由宇宙射线产生的随机亮点对探测器不产生伤害，且可以通过数据处理予以消除。

关键词：电荷耦合器件；随机亮点；宇宙射线

中图分类号：TP732 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0211-02

1 引言

电荷耦合器件（Charge Coupled Devices， CCD）作为地面及太空仪器设备主流的探测元件，具有低噪声、高量子效率、宽响应波段、重量轻、低功耗等优点。实际应用中，CCD各项优点的实现还受到应用背景、软件开发以及使用条件的限制，从而存在一些明显的不足。随机亮点正是CCD使用过程中出现的一种不符合原理的现象，本文针对该现象形成的原因及其之于电荷耦合器件的影响展开研究【1】。

2随机亮点

2.1 现象描述

在本项目组研制的紫外临边探测载荷暗背景图像中，在帧与帧图像之间，间或有几帧图像出现随机亮点，如图1所示，其出现位置、所占像素大小和亮度都不固定。

图1 像素出现随机亮点现象示例

为了查看该随机亮点是否与电路设计或者探测器本身有关，依次对美国普林斯顿公司生产的PI相机以及不同批次、不同型号的CCD探测器进行比对试验，发现其均有类似的现象出现，如图2所示。

图2 普林斯顿PI相机、不同批次及不同型号CCD随机亮点现象示例

进一步的试验表明，不同批次、不同型号探测器以及美国普林斯顿公司高性能PI相机之间，随机亮点各自出现的频率均约2%～3%，且99.8%的随机亮点图像中，随机亮点信号约高出周围信号2～3倍，只有0.2%的随机亮点高出周围信号5～10倍。

2.2 原因分析

由上述现象描述可知，随机亮点与探测器本身、电路设计以及使用环境并没有直接联系。通过与CCD探测器生产厂家交流知道，自然环境中的宇宙射线等高能辐射，更容易被大面阵CCD探测器接收，从而对其正常工作产生干扰，这种影响尤其在微弱信号探测时更为明显[2-4]。

此外，本项目组自行研发的CCD探测器驱动电路与美国普林斯顿公司研制的高性能相机电路在随机亮点水平上接近一致，可见随机亮点乃CCD探测器弱信号探测下的共性问题，目前国际上的技术水平也无法彻底根治，除非将CCD探测器、相关电路等置于很厚的铅密闭室内才能隔绝无处不在的宇宙射线。

3 数据处理

随机亮点不可避免，尤其在外太空，这种宇宙射线可能会更多，众多在轨仪器的成功运行表明，宇宙射线对于探测器的这种干扰不是致命的，并不会造成CCD探测器的损坏。

由于在轨观测时目标信号的连续性、宇宙射线的随机性以及CCD探测器相邻位置的响应均匀性，为随机亮点的处理提供了一种可行之法。

在出现随机亮点的图像中，可直接剔除该随机亮点的信号，并以其周围信号的平均值代替该像素处的信号水平，该处理方法能将随机亮点与相邻像素之间成倍的信号差异缩小到5%以内，从而大大消除这种随机亮点引起的数据粗大测量误差。

4 结论

本文针对CCD探测器使用过程中出现的随机亮点进行了比对分析，明确了其出现的规律及特点。通过与CCD探测器生产厂家的沟通知道了随机亮点产生的原因，并依据随机亮点自身及探测目标的特点提出了一种减小随机亮点引起CCD探测器工作的方法，对微弱信号探测具有较大的帮助。

参考文献：

[1] STEVE B. HOWELL. HANDBOOK OF CCD ASTRONOMY[M]. Cambridge University Press，2000.

[2] Don Groom. Cosmic Rays and Other Nonsense in Astronomical CCD Imagers[J]. Cosmic Rays and other Nonsense，301-311.

[3] A W Wolfendale. Origin of cosmic rays[J]. Pramanam，1979，12（6）.

[4] Zhu J， Zhu ZQ， Wang C etc，al.. Cosmic-Ray Detection Based on Gray-Scale Morphology of Spectroscopic CCD Images[J].PUBLICATIONS OF THE ASTRONOMICAL SOCIETY OF AUSTRALIA，2009，26（1）：58.