图像传感器辐射损伤对光通信系统跟瞄精度的影响分析

李晓亮，罗 磊，孙 毅，魏志超，于庆奎



图像传感器辐射损伤对光通信系统跟瞄精度的影响分析

李晓亮，罗 磊，孙 毅，魏志超，于庆奎

（中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

卫星光通信系统中的图像传感器在空间辐射环境中会因辐射损伤导致成像噪声增大，从而在确定光斑质心时产生偏差，影响系统跟瞄精度。文章基于典型器件地面辐照试验数据分析结果，利用灰度质心算法对不同尺寸模拟缺陷光斑的质心偏差量进行计算，并分析质心偏差对系统跟瞄精度的影响。结果表明：光斑的质心偏移与辐射产生缺陷像素的数量和位置均相关；增大光斑尺寸可减小质心偏差。最后，从抗辐射损伤能力角度为系统光斑尺寸选取提出约束条件要求。

卫星光通信；图像传感器；辐射损伤；光斑定位；灰度质心算法；跟瞄精度

0 引言

在卫星光通信中，为了实现瞄准—捕获—跟踪（PAT）系统链路的快速建立和稳定保持，光路中的图像传感器必须能够精确地定位光斑质心位置，并实时返回至控制环路；控制器根据质心位置信息进行姿态校正，使光束精确指向对方终端。因此，保证光通信系统跟瞄精度是建立、维持通信链路的重要条件[1-2]。

在空间应用环境中，图像传感器会因辐射损伤导致器件暗电流、光响应均匀度等参数退化，产生坏点等现象，造成光斑成像质量下降，影响光斑定位精度。本文基于地面辐照试验数据评估图像传感器辐射损伤前后成像性能的变化程度，利用灰度质心算法计算成像光斑质心偏差量，分析辐射损伤引起的质心偏差对跟瞄精度的影响。

1 光通信系统工作原理

卫星光通信采用视轴通信方式，两个通信终端间的精确对准以及激光链路的稳定保持是实现通信的前提，因此PAT技术是光通信系统成败的关键因素。图1[3]所示为光通信系统终端光路与电控部分：光学天线接收到信标光后，首先根据粗瞄子系统中的光斑位置实现粗瞄电控系统误差校正，校正后的光束经精瞄镜及分束镜在精瞄环路成像，并进一步根据成像光斑位置完成精瞄子系统对准偏差校正，最终实现通信。

图1 光通信系统终端光路与电控部分示意

成像光斑质心位置是光通信系统瞄准、跟踪过程中的重要信息，系统根据质心位置进行跟瞄。由于卫星光通信系统的通信距离远、接收光斑能量弱，对系统对准精度要求极高，通信光束对准偏差通常在μrad量级，因此光斑质心位置若发生偏移，会对光通信系统链路稳定性产生严重影响[4-6]。

2 辐照试验及损伤分析

在空间辐射环境中，图像传感器的辐射损伤主要考虑总剂量效应和位移效应。本文分别对CMV 4000和HS1216两款CMOS器件进行辐照试验，其中总剂量试验在北京大学钴源室进行，位移试验分别利用北京大学质子加速器和中国工程物理研究院稳态中子加速器进行，试验样品信息见表1。

表1 试验样品信息

根据工程型号保障要求，元器件用于中地球轨道且寿命8年以上者，抗位移损伤能力应大于4×1011n/cm2（2.54mm铝屏蔽）。为评估器件抗位移损伤能力，且结合应用环境要求，设定CMV4000测试剂量点为1×1010、5×1010、2×1011p/cm2；HS1216测试剂量点为1×1011、4×1011n/cm2。

CMV4000为面阵图像传感器，采用10MeV质子辐照至2×1011p/cm2前后的成像图像如图2所示。HS1216器件为线阵图像传感器，采用1MeV中子辐照至1×1011n/cm2前后的成像图片如图3所示，辐射损伤对器件成像造成的点缺陷表现为2类：一类为噪点，即暗电流明显超出器件平均暗电流的像素点，如图3(a)所示；另一类为坏点，即像素点物理损伤，丧失光响应能力，如图3(b)所示。在下文图像处理过程中将它们统称为点缺陷。

图2 CMV4000辐照至2×1011 p/cm2前后成像图片

(a) 辐照致像素噪点

(b) 辐照致像素坏点

图3 HS1216辐照至1×1011n/cm2前后成像图片

Fig. 3 Image of HS1216 before and after irradiation of 1×1011n/cm2

器件位移损伤在光敏单元产生缺陷中心，进而影响载流子的产生与复合，导致暗电流增大。总剂量效应在SiO2层中产生电子–空穴对，促使器件暗电流增大；此外，总剂量导致阈值电压的漂移，令耗尽区厚度减小，使进入光敏二极管势阱的电子数增加，也会导致暗电流增大[7-8]。图4和图5分别为对CMV4000器件利用质子和γ射线进行辐照时暗电流随辐照积累的变化趋势：质子辐照至2×1011p/cm2时，暗电流增长15.3倍；γ射线辐照剂量达到100krad(Si)时，暗电流增长56.6倍。图6和图7分别为对HS1216器件利用中子和γ射线辐照时暗电流随辐照积累的变化趋势：中子辐照至4×1011n/cm2时，暗电流增加1.7倍；γ射线辐射至75krad(Si)时，暗电流增加6倍。从试验结果可以看出，位移损伤和总剂量效应均对器件产生严重影响，器件参数退化明显，暗电流的大幅增加导致噪点大量出现，严重影响器件成像质量。

图4 CMV4000的暗电流随质子辐照注量变化曲线

图5 CMV4000的暗电流随γ射线辐照剂量变化趋势

图6 HS1216的暗电流随中子辐照注量变化曲线

图7 HS1216的暗电流随γ射线辐照剂量变化曲线

3 灰度质心算法

图像传感器在空间应用时，辐射损伤是位移效应和总剂量效应二者累积的结果；在器件现有抗辐射能力前提下，辐射损伤对器件成像性能的影响不容忽视。特别是辐射损伤诱发的器件暗电流明显增大，以及出现大量噪点或坏点，对成像光斑质心定位会造成恶劣影响，进而影响光通信系统依据光斑质心位置信息进行跟瞄控制的性能。下面采用灰度质心算法对存在辐射致缺陷的光斑质心定位偏差进行计算，进而分析其对系统跟瞄精度的影响。

对于光斑亚像素定位的软件算法可分为2种，一种为拟合形心法，即将光斑灰度分布或边缘轮廓拟合为对称函数或几何图形，以其对称中心作为光斑的定位结果；另一种为灰度质心法，即利用光斑图像的灰度重心所对应的像素位置作为光斑位置的定位结果[9-10]。而光通信终端成像光斑定位大多采用灰度质心法，该算法可以表示为

式中：(x,y)为像素灰度值；x和y为对应的行列坐标；x和y为光斑质心坐标。

利用灰度质心算法计算图像质心。图8和图9分别给出了不同尺寸光斑在不同缺陷状态下的质心定位图像，图中蓝色圆点为光斑质心，即跟瞄过程的靶标中心，白点为模拟缺陷点。表2和表3为对应的质心坐标，μm。

(a) 原始图像      (b) 规则点缺陷图像

(c) 随机点缺陷图像      (d) 全窗口随机缺陷图像

图8 大尺寸光斑不同缺陷状态下的质心定位图像

Fig. 8 The big spot centroid location image under different defects

表2 大尺寸光斑不同缺陷状态下的质心定位坐标

(a) 原始图像      (b) 规则点缺陷图像

(c) 随机点缺陷图像      (d) 全窗口随机缺陷图像

图9 小尺寸光斑不同缺陷状态下的质心定位图像

Fig. 9 The small spot centroid location image under different defects

表3 小尺寸光斑不同缺陷状态下的质心定位坐标

计算上述2种情况下光斑质心的偏移量，结果如表4所示，其中Δ、Δ分别表示质心坐标相比原始图像质心在轴和轴方向上的偏移量，质心偏差表示光斑质心（图中蓝点）的偏移距离。

表4 光斑质心坐标偏移量比较（归一化为像素）

对比2种计算结果可知，缺陷像素的引入会导致光斑质心偏移，在大尺寸光斑图像中引入点缺陷情况下质心偏差约为1个像素，全窗口随机引入缺陷点的情况下质心偏差达到6个像素；在小尺寸光斑图像中引入规则点缺陷和随机点缺陷时质心偏差分别为39个像素和33个像素，全窗口随机引入缺陷点的情况下质心偏差达到38个像素。即，光斑质心的偏移不仅与缺陷像素的数量相关，而且与缺陷像素的位置也密切相关；缺陷像素的引入对小尺寸光斑的影响作用更为突出。

4 讨论

以光学天线口径250mm、系统F数为4.5的终端为例，分析图像传感器辐射损伤对系统性能的影响。通过试验数据可知，总剂量效应和位移效应均会使器件成像质量下降，造成光斑定位偏差，直接影响光通信跟瞄子系统链路的稳定性。本文中器件型号不一，故像元尺寸不同。若取像元大小为6.7μm×6.7μm，则光斑质心位置移动1个像素意味着光束方向偏移6μrad。从第3节中缺陷光斑质心计算结果可知，当存在单点缺陷时，对于大尺寸光斑而言光束方向偏移量为6μrad，对于小尺寸光斑而言光束方向偏移量达到150μrad以上；当全窗口存在随机缺陷时，对于大尺寸光斑而言光束方向偏移量为27μrad，对于小尺寸光斑而言光束方向偏移量为230μrad。光通信系统跟瞄精度通常在μrad量级；从辐射损伤导致的质心定位偏差计算结果可知，大尺寸光斑的偏差量与跟瞄精度相当，而小尺寸光斑的偏差量超出跟瞄精度10倍以上，难以实现通信要求。

图像传感器成像光斑尺寸越大，质心测量结果精度越高，通信系统跟瞄精度也相应提高。但在实际应用系统中，受限于卫星平台，发射光源功率较小，图像传感器获得的光斑尺寸比较小；另外，大尺寸光斑也会增加处理器运算量，影响信号探测的效率。因此，光斑具体尺寸的选择需要一个优化过程，可参考文献[11]，除了考虑系统本身条件限制因素，还应增加抗辐射损伤方面的约束条件。从抗辐射应用加固角度考虑，可采用预处理或噪声去除提高质心定位精度，但这会使系统无法实时提取光斑的质心位置，故需要结合通信实时性进行折中权衡。

5 结束语

在卫星光通信系统中，保证图像传感器的抗辐射能力是系统具备良好性能的前提和关键。卫星光通信终端在空间辐射环境中受总剂量效应和位移效应的影响会导致暗电流增大、噪点数增加，直接影响器件成像质量。本文通过灰度质心算法计算了在不同模拟缺陷状态下成像光斑质心的偏移量，结果表明，辐射损伤的缺陷像素对小尺寸光斑的定位结果影响非常大，质心定位偏差已大大超出跟瞄精度为μrad量级的要求。增大光斑尺寸可以降低缺陷像素对质心定位的影响，但是实际应用中受系统限制，成像光斑不会过大，因此，辐射损伤对系统跟瞄精度的影响不可忽视。在系统光斑尺寸优化选取过程中，除了考虑系统自身限制条件外，还应增加抗辐射能力这一考虑因素。

（References）

[1] 邵文北. 卫星光通信中光斑图像处理算法优化设计研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013: 1-60

[2] KIM I I, RILEY B, WONG N M, et al. Lessons learned from the STRV-2 satellite-to-ground lasercom experiment[J]. Proceeding of SPIE, 2001, 4272: 1-15

[3] 张洪涛. 空间光通信原理与技术[M]. 长春: 吉林大学出版社, 2009: 91-94

[4] 谭立英, 吴世臣, 韩琦琦, 等. 潜望镜式卫星光通信终端的CCD粗跟踪[J]. 光学精密工程, 2012, 20(2): 270-276

TAN L Y,WU S C,HAN Q Q, et al. Coarse tracking of periscope-type satellite optical communication terminals[J]. Optics and Precision Engineering, 2012, 20(2): 270-276

[5] PERLOT N, KNAPEK M, GIGGENBACH D, et al. Results of the optical downlink experiment KIODO from OICETS satellite to optical ground station obrpfaffenhofen(OGS-OP)[J]. Proceeding of SPIE, 2007, 6457: 645704.1-645704.8

[6] ZORAN S, BERNHARD F, HANSPETER L, et al. Free-space laser communication activities in Europe: SILEX and beyond[C]//Lasers and Electro-Optical Society, IEEE, 2006: 76-79

[7] 汪黎黎. 空间辐射环境对CMOS图像传感器性能影响的试验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009: 1-50

[8] GOIFFON V, MAGNAN P, SAINT-PE O, et al. Ionization versus displacement damage effects in proton irradiated CMOS sensors manufactured in deep submicron process[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2009, 610(1): 225-229

[9] 熊刚, 丁天怀, 王鹏. 应用属性距离加权平均滤波提高CCD光斑的亚像素定位精度[J]. 光学精密工程, 2012, 20(5): 1102-1109

XIONG G,DING T H,WANG P. Improvement of sub-pixei location accuracy of light-spot on CCD with ADWA filter[J]. Optics and Precision Engineering, 2012, 20(5): 1102-1109

[10] JIA H, YANG J K, LI X J. Minimum variance unbiased subpixel centroid estimation of point image limited by photon shot noise[J]. J Opt Soc Am A, 2010, 27(9): 2038-2045

[11] 于思源, 韩琦琦, 马晶, 等. 卫星光通信终端CCD成像光斑弥散圆尺寸选择[J]. 中国激光, 2007, 34(1): 69-73

YU S Y,HAN Q Q,MA J, et al. Size selection of dispersive spot imaging on CCD in a satellite optical communication terminal[J]. Chinese Journal of Lasers, 2007, 34(1): 69-73

（编辑：张艳艳）

The influence of image sensor irradiation damage on the tracking and pointing accuracy of optical communication system

LI Xiaoliang, LUO Lei, SUN Yi, WEI Zhichao, YU Qingkui

(China Aerospace Components Engineering Center, Beijing 100094, China)

The image sensor in the optical communication for satellite may produce noise due to the space irradiation damage, which leads to the deviation in determining the light spot centroid. Based on the irradiation test data for typical CMOS devices, different sizes of simulated defect spots are used for calculating the centroid deviation value by a grey-level centroid algorithm, and the impact on the tracking & pointing accuracy of the system is analyzed. It is shown that both the amount and the position of defect pixels caused by the irradiation contribute to the spot centroid deviation; and the larger the spots, the less the centroid deviation will be. Some suggestions are made with regard to the constraints for the spot size selection with consideration of the space radiation damage.

optical communication for satellite; image sensor; irradiation damage; spot location; gray-level centroid algorithm; tracking & pointing accuracy

TN929.13

A

1673-1379(2017)02-0171-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.011

2016-09-02；

2017-03-03

李晓亮（1990—），男，硕士学位，主要从事宇航元器件抗辐射保证研究工作。E-mail: lixiaoliang242@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544