CCD视频信号处理器件单粒子效应试验

张旭辉 王媛媛 董建婷 汪洲 王殿中,2



CCD视频信号处理器件单粒子效应试验

张旭辉1王媛媛1董建婷1汪洲1王殿中1,2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

文章利用重离子地面模拟源，采用图像分析方法，开展了CCD视频信号处理器件单粒子效应系统性试验与测试研究。首先介绍了器件单粒子效应（SEE）试验方案、试验测试系统组成；然后通过试验研究获得了器件单粒子翻转（SEU）和单粒子锁定（SEL）特征参数，评估了视频信号处理器件单粒子翻转、单粒子锁定效应对系统成像性能的影响。试验结果表明：地面试验测试系统可有效实时判断、统计该器件单粒子效应发生事件，并能直观实时观察到单粒子事件发生时遥感图像的变化；视频信号处理器件随着重离子LET值增大，其单粒子截面呈增加趋势，器件对重离子诱发的单粒子效应比较敏感；单粒子锁定对光学遥感器成像任务的危害程度高于单粒子翻转。最后给出了采取单粒子锁定防护建议。

视频信号处理器件 单粒子效应 试验 重离子 航天遥感

0 引言

随着电子技术和卫星光学遥感技术的不断发展，光学遥感器电子设备中使用了集成度高、工艺复杂的现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）、可编程只读存储器（Programmable Read-Only Memory，PROM）、CCD视频信号处理器等大规模集成电路，但同时空间环境中以单粒子效应为代表的辐射效应也对这些器件的可靠性造成了严重威胁[[1-3]，从而使在轨设备或系统面临发生故障甚至任务失败的风险[4-5]。近年针对FPGA、PROM的单粒子效应分析、试验测试技术研究逐渐深入，获取了较为成熟的单粒子效应试验、检测及评估方法[6-9]，而对CCD视频信号处理器件的单粒子效应试验研究报道较少。视频信号处理器件是光学遥感器光电信号处理系统的关键器件，其器件内部一般集成了相关双采样（CDS）、可调增益放大（PGA）、暗电平钳位校正、参考电压、AD转换、输出缓冲、串口配置、时序逻辑发生等模块，其中相关双采样和AD转换模块是最主要的模块，也是大多数CCD视频处理器件的必备模块。视频信号处理器件至少包含CMOS模拟开关、运算放大器（比较器，增益放大）、CMOS逻辑器件等对单粒子效应敏感的电路单元，单粒子效应可能会引起CCD视频信号处理器件的性能参数（转换精度、误码率、功耗等）退化、甚至功能失效，最终使遥感器图像失真、直至图像功能丧失[10]。本文针对光学遥感器光电信号处理系统中使用的CCD视频信号处理器件，选择ADI公司生产的AD系列器件作为试验研究对象，利用重离子地面模拟源，采用图像分析方法，开展了器件单粒子效应系统性试验与测试研究，评估了视频信号处理器件的单粒子效应敏感性及其单粒子翻转、单粒子锁定效应对系统成像性能的影响。

1 试验测试系统

1.1 试验方案

试验器件采用ADI公司生产的视频信号处理器件（型号AD9942，14 bit数字量化，双通道），工作电压3.3V，最大相关双采样频率为40MHz，质量等级为工业级。试验器件试验前做专业开帽处理[7]，以保证重离子能够射入器件灵敏区内。

针对CCD视频信号处理器件，建立单粒子效应试验测试系统[11-12]。试验测试系统包括重离子辐射源设备、CCD模拟信号源电路、信号处理电路、数据转换电路、电源转换及监测电路、数据采集记录设备、远程监控系统及测温系统等。试验器件位于信号处理电路中。

电路性能指标：电源为±5V，3.3V；信号频率为12MHz；数据合成频率为72MHz。

信号处理电路置于真空靶室内，在真空条件下，试验器件接受重离子辐照。辅助电路就近放置在真空靶室外的辐照试验室内，用铝盒进行屏蔽，防止电磁干扰。

试验测试系统布局如图1所示。

试验过程中，通过单粒子效应检测软件，统计单粒子效应事件，并通过观测器件电源端电流、系统图像数据及图像变化，对单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定（SEL）进行识别判定，最终获取器件单粒子翻转和单粒子锁定特征参数。

（1）试验电路设计

CCD模拟信号源电路模拟4 096元CCD探测器输出的视频信号，同时提供采集CCD视频信号所需的时钟、行同步、帧同步等数字信号。CCD模拟信号的输出幅值和频率可以根据需要进行设置调整。

信号处理电路中包含视频信号处理器件（AD9942）、滤波放大器、FPGA、电源芯片等器件，实现信号模数转换、电源转换滤波、数据缓冲、数字数据格式转换等功能。其中，4只双通道视频信号处理器件对应于4 096元线阵探测器CCD（8×512）的8通道视频输出，实现视频信号的采集处理。

电源转换及监测电路为各电路提供所需的各种电源并对器件工作电流进行监测，同时实现RS422接口信号转换。电流超过正常范围切断输入电流，直至单粒子事件消除后恢复供电。

数据转换电路将视频处理器件输出的CCD图像数据转成数据采集记录设备所需的数据格式，通过Cameralink图像传输接口输出。

（2）数据采集记录设备

采用加拿大公司的CLFC Full图像卡实现高速大数据量图像数据采集记录，其数据采集记录设备及其软件具有数据实时记录显示、数据回放及处理、图像处理等功能，满足试验中数据采集和记录等需求。采集存储系统结构见图2。

图1 在线试验测试系统连接示意

（3）远程监控

通过RS422串口通讯接口信号转换接口，实现对信号处理电路的远程控制，通过网线传输实现对测试数据的远程监测。

（4）测温系统

采用热电偶及温度数据采集设备实现电路中FPGA、视频处理器件等关键器件壳温的实时测量，其测试数据用于分析试验过程中温度敏感器件工作温度的稳定性。

（5）辐射源

试验选用HI-13串列静电加速器[13]，选用4种不同线性能量传输（Linear Energy Transfer，LET）值的重离子进行试验，试验离子参数见表1。

图2 采集存储系统结构

表1 重离子参数

Tab.1 Parameters of heavy ion

1.2 测试方法

通过单粒子效应测试软件[12,14]获取单粒子事件信息，通过测试和分析器件电源输入端工作电流的变化进一步区分SEU或SEL单粒子事件类别[15]。

测试软件包括下位机和上位机两部分，下位机部分通过信号处理电路中FPGA预置的像元灰度（Digital Number，DN）均值和正常变化范围实现对8个CCD通道发生单粒子事件的实时判断，并增加了对每个通道的统计位，用以记录各通道事件次数的累加统计值，随数据一起通过串口传输至监控计算机（上位机）；上位机部分实现视频图像的快视并将数据实时传输到磁盘阵列进行记录，为便于数据回读及分析，在通用视频数据采集软件Stream 5.0版本的基础上进行二次开发，使软件可以独立于下位机输入均值和正常变化范围，统计试验过程中图像数据的所有溢出，并将溢出像元的灰度值及其所在行列号，记录成txt文件备查。只要出现数据值溢出，即可通过界面消息显示，获取单粒子事件信息。

CCD图像数据通过信号处理和数据转换后进入数采设备（IO公司的CLFC采集卡），并最终由网线传送到监控计算机，监控计算机监控界面可同时显示单粒子翻转信息、图像数据，并可切换显示相对应的快视图像，每行数据为4 104列，其中0~7列为器件单粒子翻转通道统计位，8~4103列为CCD器件（8×512）4 096个像元图像数据量化DN值显示位。图像数据区可显示灰度图像，也可切换为显示图像的原始数据。

考虑器件的实际工作状态和环境噪声，软件对器件高9位的数据信息是否溢出进行判别（其余位因噪声因素等视为等概率事件），通过监控计算机界面获取单粒子事件信息。

此外，通过回读事件发生时刻的图像数据并与已知数据比较，对单粒子事件结果进行再确认，以防止虚警情况发生。

电源端工作电流通过电源监测电路获取，试验前，通过稳压直流电源预先设置过电流保护值，实现系统过流保护功能。

当发现器件电源电流超过正常范围时，记录发生过流现象的时间和次数。根据过流现象发生的时间调取当时的图像数据，确定单粒子锁定的发生及对成像功能的影响。

正常情况下，器件电源输入端工作电流：365mA（4只器件总电流），预设过流保护值1.25A；器件高9位的像元DN值（模拟输入600mV）：5 503±127（均值5 503，变化范围5 376~5 630）。

2 试验结果及分析

2.1 单粒子事件现象分析

试验过程中观测到器件发生单粒子效应的故障模式主要表现为器件电源端电流增大、图像输出异常，图像输出异常表现为图像灰度变化及无输出。

单粒子翻转发生时，可观测到单个、多个像元图像数据DN值的变化的情形，器件电源端工作电流处于正常波动范围362~365mA。

单粒子锁定发生时，可观测到图像数据DN值整行输出交替变化及DN值输出为0的情形，器件电源端工作电流明显变化，最小480mA，最大1 000mA。

试验过程中器件均发生了单粒子翻转和单粒子锁定事件。

图3为器件发生单粒子翻转时典型的软件识别数据、图像（多帧）、图像数据及其对应的部分图像界面（单帧）。从监控界面可以看到器件在试验过程中发生了1次单粒子翻转（图3（a）），其对应的图像数据量化值溢出正常范围，DN值为5 211，在图中数字2 558列，对应CCD的第2 051个像元（图3（b））。

图4为器件发生单粒子锁定时典型的软件识别数据、图像（多帧）、图像数据及其对应的部分图像界面（单帧）。从监控界面可以看到器件（对应图中第3列数据）发生了1次单粒子锁定（图4（a）），其对应的图像数据量化值溢出正常范围，DN数值为0，在图中数字1 544~2 056列，对应CCD的第1 537~2 048个像元（图4（b）），发生1次单粒子锁定对应的快视图像与试验前相比发生了明显变化，无单帧图像输出，显示黑条（图4（c））。锁定时监测到器件电源端工作电流647mA。

图3 典型单粒子翻转事件监控界面

从系统图像故障模式可以看出，单粒子翻转引起单个像元的图像数据发生变化时，其对系统图像的影响甚微，而单粒子锁定一旦发生，多个像元图像数据连续变化，对图像的影响则显而易见，其影响程度更甚。

2.2 试验数据分析

对试验过程关键器件（FPGA、AD9942）温度数据及环境温度数据进行处理，获取试验过程温度变化曲线，如图5所示。数据处理结果显示，试验过程关键器件温度相对稳定，不会对器件性能和试验结果产生影响。

对试验过程中多种离子相应注量下的单粒子事件数（锁定与翻转）进行统计，可计算出单粒子事件截面

()=()/() （1）

式中为不同LET离子的种类数；()为第种LET离子的单粒子事件截面；()为第种LET离子测得的单粒子事件数；()为第种LET离子的总注量。

图5 关键器件温度数据变化曲线

单粒子事件截面见表2。

表2 器件单粒子事件截面

Tab.2 SEE cross section of the component

根据重离子参数及单粒子事件截面数据，获取器件单粒子截面与入射离子LET的关系，见图6。

从图6中可以看出，随着入射离子LET值的增加，其单粒子截面呈增加趋势，器件对重离子诱发的单粒子效应比较敏感，单粒子翻转LET阈值小于4.43MeV·cm2·mg–1，单粒子锁定LET阈值在4.43～9.43 MeV·cm2·mg–1之间。

3 结束语

研究结果表明，试验测试系统可有效实时判断、统计单粒子效应发生事件，并能直观实时观察到单粒子事件发生时用信号灰度值表达的遥感图像的变化；随着入射离子LET值的增加，其单粒子截面呈增加趋势，器件对重离子诱发的单粒子效应比较敏感，器件单粒子锁定对光学遥感器成像任务的危害程度高于单粒子翻转；对于LET阈值不能满足任务要求的器件，采取防护措施是必要的[12]。

实际工程应用中，需从应用角度结合单粒子效应对系统性能的危害程度及系统所担负的任务，突出重点，解决电路的空间环境适应性问题。除选用单粒子免疫的加固器件外，应主要在软、硬件方面进行电路加固设计或系统冗余实施防护[10]。

根据视频处理器件单粒子试验结果，应对危害极大的单粒子锁定进行重点防护[15]，有效的防护措施主要有两方面，一方面通过合理设计减少出现SEL的概率，另一方面是SEL发生后，有效抑制SEL现象，并防止其造成的危害扩大化。

值得说明的是，不管是主动减少SEL的设计措施还是采用被动的SEL拟制措施，都应和电路、系统进行融合嵌入式设计，以达到既能实现系统任务功能又能避免或解除单粒子锁定的双重目的。

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Study on Single Event Effect Test of CCD Video Device

ZHANG Xuhui1WANG Yuanyuan1DONG Jianting1WANG Zhou1WANG Dianzhong1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

The system test research of single event effects on CCD video signal processor was carried out byheavy-ion source and image analysis method in the paper. The structure of test system and the test schemes were detailedly introduced at first. Then the SEU/SEL characteristic parameters were acquired, and the SEE/SEL effects on the imaging performance of the system were evaluated. The results show that the test system can effectively and timely judge the SEEs, and visually display the corresponding change of the remote sensing image. With the increase of the LET value of heavy iron, the cross section of single event enlarges, and the device becomes more sensitive to SEE induced by heavy-ion. SEL is more harmful to optical remote sensor imaging mission than SEU. Lastly, suggestion is given about adopting systematic enhanced measure for SEL.

video signal processor; single event effects; test; heavy-ion; space remote sensing

V1

A

1009-8518(2018)06-0072-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.06.009

2018-02-13

张旭辉，女，1966年生，1987年获北京理工大学光学仪器专业学士学位，高级工程师。主要研究方向为光学遥感器总体设计和试验。E-mail：zhangxuhui93@163.com。

（编辑：王丽霞）