一种辐照下面阵CCD的在线测试方法及测试系统与流程

一种辐照下面阵ccd的在线测试方法及测试系统
技术领域
1.本发明涉及一种辐射效应测试系统及方法，具体涉及一种辐照下面阵ccd的在线测试方法及测试系统。


背景技术：

2.电荷耦合器件(charge-coupled device，ccd)作为一种以光注入或电子注入的方式产生电荷、通过在器件栅极加偏压以存储电荷，并运用耗尽层耦合原理与输出放大器进行电荷的传递与输出的光电图像传感器，有小尺寸、轻质量、低功耗、高量子效率、高图像分辨率和动态范围宽的优点，被广泛应用于航天探测、空间扫描以及卫星观测等领域。然而，由于空间环境的特殊性，当ccd应用于在轨卫星或航天成像系统中时，ccd会产生由辐照损伤引起的性能退化甚至是功能失效现象。ccd的辐射损伤效应一般包括总剂量效应、位移效应和单粒子瞬态效应。
3.空间环境中的高能粒子如质子、电子、重离子等均会诱发ccd的辐射损伤效应，导致ccd性能参数退化，进而影响ccd正常工作甚至损坏ccd内部结构。因此开展ccd辐射损伤效应地面模拟实验对研究ccd辐射损伤机理以及ccd抗辐射加固设计具有重要意义。在对ccd进行地面模拟实验时，由于目前的测试系统体积过于庞大，ccd的辐照后测试均为离线测试，即辐照剂量累积至目标剂量点后需取出被测ccd，完成测试后再次放入辐照室进行辐照，这样给辐照实验带来极大的不便且无法获取辐照过程中性能参数的实时变化规律。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决在开展面阵ccd辐射损伤效应地面模拟实验时，无法在线实时反馈面阵面阵ccd的工作情况以及辐照过程中性能参数实时变化规律的技术问题，而提供一种辐照下面阵ccd的在线测试方法及测试系统，能够有效降低现有测试系统在开展面阵ccd辐射损伤效应地面模拟实验时测试的繁琐度和实验人员的危险性，从而提高实验效率。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
6.一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
7.1)试验前准备
8.1.1、将待辐照ccd器件设置于辐射源的出射路线上；
9.1.2、设定实验环境温度；
10.1.3、在实验环境内搭建光源，使待辐照ccd器件感光面位于光源出射光路上；
11.2)测试待辐照ccd器件辐照前的性能参数
12.2.1、设置待辐照ccd器件的积分时间，开启光源，采集n次待辐照ccd器件辐照前的第一参数，并保存；n为大于1的整数；所述第一参数包括线性饱和输出和总增益；
13.2.2、剔除每次采集的第一参数中所有像素的极值后再求平均值，获得辐照前性能参数变化曲线；
14.2.3、根据辐照前性能参数变化曲线是否平稳判断待辐照ccd器件是否工作稳定；
15.若待辐照ccd器件工作稳定，则关闭光源，记录光源强度，执行步骤3)；
16.若待辐照ccd器件工作不稳定，则调整待辐照ccd器件的积分时间，返回步骤2.1；
17.3)测试待辐照ccd器件的辐照下的性能参数
18.3.1、开启辐射源和辐照前等强度的光源，并采集n次待辐照ccd器件的辐照后的第二参数，并保存；n为大于1的整数；所述第二参数包括线性饱和输出和总增益；
19.3.2、剔除辐照后的第二参数中所有像素的极值后求平均值，获得待辐照ccd器件辐照后性能参数变化曲线；
20.3.3、根据辐照后性能参数变化曲线是否平稳判断待辐照ccd器件是否损坏；
21.若待辐照ccd器件损坏，则关闭辐射源和光源，标记该待辐照ccd器件损坏，返回步骤1)，继续进行后续工作；
22.若待辐照ccd器件未损坏，则保存该待辐照ccd器件辐照后性能参数，完成辐照下面阵ccd的在线测试。
23.进一步地，还包括步骤4)：
24.将辐照后性能参数变化曲线与辐照前性能参数变化曲线进行对比，获得辐照对待辐照ccd器件性能参数的影响。
25.进一步地，步骤2.1中，通过上位机设置待辐照ccd器件的积分时间。
26.进一步地，步骤1.1具体为：
27.将待辐照ccd器件感光面擦拭干净后，设置辐射源的束流方向与待辐照ccd器件的感光面垂直。
28.进一步地，步骤1.3具体为：
29.在实验环境内搭建光源，使待辐照ccd器件感光面与光源出射光路垂直。
30.进一步地，步骤2.3中，所述根据辐照前性能参数变化曲线是否平稳具体为：
31.判断每次采集的线性饱和输出参数之间的误差是否为
±
1000dn，且每次采集的总增益参数之间的误差是否为
±
0.05dn/e-；
32.步骤3.3中，所述根据辐照后性能参数变化曲线是否平稳具体为：
33.判断每次采集的线性饱和输出参数之间的误差是否为
±
1000dn，且每次采集的总增益参数之间的误差是否为
±
0.05dn/e-。
34.进一步地，步骤1.2中，实验环境温度为25
°±5°
；
35.步骤2.1中，n的取值为30；
36.步骤3.1中，n的取值为100。
37.同时，本发明还提供了一种辐照下面阵ccd的在线测试系统，用于实现上述一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特殊之处在于：包括设置于辐照室内的辐射源、光源、驱动控制器、辐照板及设置于辐照室外且与驱动控制器连接的采集处理器；
38.辐照板上设置有ccd驱动电路；
39.驱动控制器外部设置有信号屏蔽盒
40.辐射源和光源的出射光路上用于设置待辐照ccd器件，且ccd驱动电路与待辐照ccd器件连接；
41.驱动控制器包括a/d转换模块和fpga主控模块；
42.fpga主控模块分别与ccd驱动电路、a/d转换模块和采集处理器连接；
43.a/d转换模块与待辐照ccd器件连接；
44.a/d转换模块用于将待辐照ccd器件的原始ccd模拟信号进行双采样处理后，并将该原始ccd模拟信号转化为数字信号，输送至fpga主控模块；
45.fpga主控模块用于产生满足待辐照ccd器件电压要求的时序驱动信号，并将数字信号输送至采集处理器；
46.ccd驱动电路用于将时序驱动信号转换成ccd驱动信号，进而驱动待辐照ccd器件。
47.进一步地，还包括与光源连接的光源移动电机，用于控制光源的上下位置；
48.辐照板上还设置有与ccd驱动电路连接的ccd插座。
49.进一步地，还包括与辐照板连接的运动电机，用于通过驱动辐照板调整待辐照ccd器件的位置。
50.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
51.1.本发明辐照下面阵ccd的在线测试方法，能够解决在开展ccd辐射损伤效应地面模拟实验时测试繁琐的问题，提高了实验效率，并且能获取辐照过程中的面阵ccd性能参数，为研究面阵ccd的辐射损伤机理以及面阵ccd抗辐射加固设计提供了实验测试技术支撑。
52.2.本发明辐照下面阵ccd的在线测试系统，采用辐照板和驱动控制器分离的子母板设计方式，能有效减小辐射源对驱动控制器的影响，确保系统的稳定运行。
53.3.本发明辐照下面阵ccd的在线测试系统，通过将采集处理器设置于辐照室外，可以实现远距离传输和通信，简化了系统连接方式，可以使接收数据的采集处理器处以安全的位置避免辐照的影响，并通过采集处理器的远程控制功能实现实验人员在安全环境中对测试系统远程操作，减少实验人员进入辐照室的频率，有效降低了实验人员的危险性，解决地面辐射损伤效应模拟辐照实验后面阵ccd的在线测量的问题。
54.4.本发明辐照下面阵ccd的在线测试系统，在实验时，将fpga主控模块设置在信号屏蔽盒中，减小辐射源对信号处理的影响，确保系统的稳定运行。
附图说明
55.图1为本发明辐照下面阵ccd的在线测试系统实施例的结构示意图；
56.图2为本发明辐照下面阵ccd的在线测试系统实施例中驱动控制器的控制框图；
57.图3为本发明辐照下面阵ccd的在线测试方法实施例的流程图。
58.图中附图标记为：
59.1-辐射源，2-光源，3-光源移动电机，4-ccd图像传感器，5-辐照板，51-ccd插座，52-ccd驱动电路，6-运动电机，7-驱动控制器，71-a/d转换模块，72-fpga主控模块，8-信号屏蔽盒，9-软排线，10-usb数据线，11-采集处理器。
具体实施方式
60.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的
范围。
61.如图1所示，一种辐照下面阵ccd的在线测试系统，包括设置于辐照室内的辐射源1、光源2、光源移动电机3、辐照板5、运动电机6、驱动控制器7、信号屏蔽盒8及设置于辐照室外且与驱动控制器7连接的采集处理器11。
62.如图2所示，辐照板5上设置有ccd插座51和ccd驱动电路52；驱动控制器7外部设置有信号屏蔽盒8；待辐照ccd器件位于辐射源1和光源2的出射光路上，并通过ccd插座51与ccd驱动电路52连接；驱动控制器7包括a/d转换模块71和fpga主控模块72；fpga主控模块72分别与ccd驱动电路52、a/d转换模块71和采集处理器11连接；a/d转换模块71与待辐照ccd器件连接。
63.辐射源1用于诱发待辐照ccd器件产生辐射损伤。光源2为待辐照ccd器件提供稳定均匀光源2；光源移动电机3用于控制光源2的位置，使得光源2能够上下移动。运动电机6用于驱动辐照板5的位置，使得辐照板5能够上下左右移动。实验时，可将待辐照ccd器件安装于ccd插座51上，利用光源2、辐射源1与辐照板5保持同一水平位置，使得辐射源1的束流、光源2的出射光垂直照射在待辐照ccd器件上。待辐照ccd器件在时序驱动信号的驱动下完成图像采集，并输出原始ccd模拟信号；ccd驱动电路52用于将fpga主控模块72产生的时序驱动信号转换为满足待辐照ccd器件电压要求的时序驱动信号。
64.a/d转换模块71包括模拟信号预处理电路和模数转换电路；模拟信号预处理电路包括恒流驱动电路和滤波放大电路，其对输入的原始ccd模拟信号进行前级滤波、信号放大、暗电平钳位、去噪声相关双采样处理，并通过a/d转换模块71中的模数转换电路将待辐照ccd器件输出的原始ccd模拟信号转化为数字信号传输至fpga主控模块72。
65.fpga主控模块72为本发明系统的核心，用于产生满足待辐照ccd器件电压要求的时序驱动信号，提供原始ccd模拟信号a/d处理所需的嵌位和采样/保持脉冲信号，同时利用内置存储资源缓存图像数据并发送给采集处理器11。
66.开展辐照实验时，驱动控制器7设置在信号屏蔽盒8中，信号屏蔽盒8用于屏蔽辐射源1对驱动控制器7的影响，使得驱动控制器7设置在辐照室内，减小辐照板5和驱动控制器7的传输距离，确保本发明系统的稳定运行。辐照板5通过软排线9与a/d转换模块71以及fpga主控模块72相连，将fpga主控模块72提供的驱动时序信号经ccd驱动电路52转换得到满足待辐照ccd器件电压要求的驱动时序信号，控制ccd输出原始ccd模拟信号并通过a/d转换模块71转换成量化数字数据。驱动控制器7将采集到的量化数字数据通过usb数据线10传输到上位机进行处理和保存。
67.本实施例中，驱动控制器7中的ccd驱动时序和a/d转换模块71转换处理所需的嵌位和采样/保持脉冲信号均由fpga主控模块72通过verilog hdl硬件描述语言编程实现，ccd驱动时序以fpga主控模块72外部系统时钟源为参考时钟，利用内部锁相环倍频后再通过计数器进行小数分频后得到满足ccd各路时序要求的时序驱动信号；a/d转换模块71需fpga主控模块72提供正确的寄存器配置数据和满足时序要求的采样时钟信号，才能保证其正常工作，内部寄存器由fpga主控模块72通过三线串口进行设置，实现对输入钳位、模数转换以及相关双采样等功能的设定，以fpga主控模块72的外部系统时钟为参考时钟，利用计数器分频得到满足a/d转换模块71各路时序要求的时序信号。
68.具体地，待辐照ccd器件采用面阵ccd图像传感器4，采集处理器11选用上位机，
fpga主控模块72产生的驱动时序经ccd驱动电路52模块得到满足ccd图像传感器4电压要求的时序驱动信号，ccd图像传感器4在时序驱动信号的作用下输出原始模拟信号，a/d转换模块71对该原始模拟信号进行滤波、去噪声以及模数转换，得到的数字数据缓存于fpga主控模块72的内部存储资源中，再通过usb芯片及接口将采集的数字数据传输给上位机，经上位机处理后得到ccd性能参数。
69.如图3所示，利用本发明系统进行辐照下面阵ccd的在线测试方法，具体包括以下步骤：
70.步骤一、试验前准备
71.1.1、将ccd图像传感器4感光面擦拭干净后，使辐射源1束流方向与ccd图像传感器4的感光面垂直；
72.1.2、将实验环境温度控制在25
°±5°
，控制温度对ccd图像传感器4性能参数的影响；
73.1.3、在辐照室内搭建可见光源2，使光源2出射光能够照射到ccd图像传感器4的感光面，确保测试时ccd图像传感器4工作于均匀光照条件下；
74.步骤二、测试待辐照ccd器件辐照前的性能参数
75.2.1、通过上位机设置待辐照ccd器件的积分时间，开启光源2，采集30次待辐照ccd器件辐照前的第一参数，并保存。所述第一参数包括线性饱和输出和总增益；
76.2.2、剔除每次采集的第一参数中所有像素的极值后再求平均值，获得辐照前性能参数变化曲线；
77.2.3、根据辐照前性能参数变化曲线判断ccd图像传感器4是否工作稳定；
78.若待辐照ccd器件工作稳定，则关闭光源2，记录光源2强度，执行步骤3)；
79.若待辐照ccd器件工作不稳定，则调整待辐照ccd器件的积分时间，返回步骤2.1；
80.步骤三、测试待辐照ccd器件的辐照下的性能参数
81.3.1、开启辐射源1和辐照前等强度的光源2，并采集100次待辐照ccd器件的辐照后的第二参数，并保存；所述第二参数包括线性饱和输出和总增益；
82.3.2、剔除辐照后的第二参数中所有像素的极值后求平均值，获得待辐照ccd器件辐照后性能参数变化曲线；
83.3.3、根据辐照后性能参数变化曲线是否平稳判断待辐照ccd器件是否损坏；
84.若待辐照ccd器件损坏，则关闭辐射源1和光源2，标记该待辐照ccd器件损坏，返回步骤1)，继续进行后续工作；
85.若待辐照ccd器件未损坏，则保存该待辐照ccd器件辐照后性能参数，完成辐照下面阵ccd的在线测试。
86.步骤四、对比
87.将辐照后性能参数变化曲线与辐照前性能参数变化曲线进行对比，获得辐照对待辐照ccd器件性能参数的影响。
88.本市实施例中，步骤2.3中，根据辐照前性能参数变化曲线是否平稳具体为：当每次采集的线性饱和输出参数之间的误差为
±
1000dn，且每次采集的总增益参数之间的误差为
±
0.05dn/e-，则辐照前性能参数变化曲线平稳。步骤3.3中，根据辐照后性能参数变化曲线是否平稳具体为：当每次采集的线性饱和输出参数之间的误差为
±
1000dn，且每次采集
的总增益参数之间的误差为
±
0.05dn/e-，则辐照后性能参数变化曲线。
89.本发明辐照下面阵ccd的在线测试方法，能够有效降低现有测试系统在开展ccd图像传感器4辐射损伤效应地面辐照模拟实验时测试的繁琐度和实验人员的危险性，从而提高实验效率，并且能获取辐照过程中的ccd图像传感器4辐性能参数；同时，该系统采用辐照板5和驱动控制器7分离的子母板设计方案，能有效减小辐射源1对驱动控制器7的影响，确保系统的稳定运行。

技术特征：
1.一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特征在于，包括以下步骤：1)试验前准备1.1、将待辐照ccd器件设置于辐射源(1)的出射路线上；1.2、设定实验环境温度；1.3、在实验环境内搭建光源(2)，使待辐照ccd器件感光面位于光源(2)出射光路上；2)测试待辐照ccd器件辐照前的性能参数2.1、设置待辐照ccd器件的积分时间，开启光源(2)，采集n次待辐照ccd器件辐照前的第一参数，并保存；n为大于1的整数；所述第一参数包括线性饱和输出和总增益；2.2、剔除每次采集的第一参数中所有像素的极值后再求平均值，获得辐照前性能参数变化曲线；2.3、根据辐照前性能参数变化曲线是否平稳判断待辐照ccd器件是否工作稳定；若待辐照ccd器件工作稳定，则关闭光源(2)，记录光源(2)强度，执行步骤3)；若待辐照ccd器件工作不稳定，则调整待辐照ccd器件的积分时间，返回步骤2.1；3)测试待辐照ccd器件的辐照下的性能参数3.1、开启辐射源(1)和辐照前等强度的光源(2)，并采集n次待辐照ccd器件的辐照后的第二参数，并保存；n为大于1的整数；所述第二参数包括线性饱和输出和总增益；3.2、剔除辐照后的第二参数中所有像素的极值后求平均值，获得待辐照ccd器件辐照后性能参数变化曲线；3.3、根据辐照后性能参数变化曲线是否平稳判断待辐照ccd器件是否损坏；若待辐照ccd器件损坏，则关闭辐射源(1)和光源(2)，标记该待辐照ccd器件损坏，返回步骤1)，继续进行后续工作；若待辐照ccd器件未损坏，则保存该待辐照ccd器件辐照后性能参数，完成辐照下面阵ccd的在线测试。2.根据权利要求1所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特征在于，还包括步骤4)：将辐照后性能参数变化曲线与辐照前性能参数变化曲线进行对比，获得辐照对待辐照ccd器件性能参数的影响。3.根据权利要求2所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特征在于：步骤2.1中，通过上位机设置待辐照ccd器件的积分时间。4.根据权利要求3所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特征在于，步骤1.1具体为：将待辐照ccd器件感光面擦拭干净后，设置辐射源(1)的束流方向与待辐照ccd器件的感光面垂直。5.根据权利要求4所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特征在于，步骤1.3具体为：在实验环境内搭建光源(2)，使待辐照ccd器件感光面与光源(2)出射光路垂直。6.根据权利要求5所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特征在于：步骤2.3中，所述根据辐照前性能参数变化曲线是否平稳具体为：判断每次采集的线性饱和输出参数之间的误差是否为
±
1000dn，且每次采集的总增益
参数之间的误差是否为
±
0.05dn/e-；步骤3.3中，所述根据辐照后性能参数变化曲线是否平稳具体为：判断每次采集的线性饱和输出参数之间的误差是否为
±
1000dn，且每次采集的总增益参数之间的误差是否为
±
0.05dn/e-。7.根据权利要求6所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特征在于：步骤1.2中，所述实验环境温度为25
°±5°
；步骤2.1中，所述n的取值为30；步骤3.1中，所述n的取值为100。8.一种辐照下面阵ccd的在线测试系统，用于实现权利要求1-6任一所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试方法，其特征在于：包括设置于辐照室内的辐射源(1)、光源(2)、驱动控制器(7)、辐照板(5)及设置于辐照室外且与驱动控制器(7)连接的采集处理器(11)；所述辐照板(5)上设置有ccd驱动电路(52)；所述驱动控制器(7)外部设置有信号屏蔽盒(8)；所述辐射源(1)和光源(2)的出射光路上用于设置待辐照ccd器件，且ccd驱动电路(52)与待辐照ccd器件连接；所述驱动控制器(7)包括a/d转换模块(71)和fpga主控模块(72)；所述fpga主控模块(72)分别与ccd驱动电路(52)、a/d转换模块(71)和采集处理器(11)连接；所述a/d转换模块(71)与待辐照ccd器件连接；所述a/d转换模块(71)用于将待辐照ccd器件的原始ccd模拟信号进行双采样处理后，并将该原始ccd模拟信号转化为数字信号，输送至fpga主控模块(72)；所述fpga主控模块(72)用于产生满足待辐照ccd器件电压要求的时序驱动信号，并将所述数字信号输送至采集处理器(11)；所述ccd驱动电路(52)用于将时序驱动信号转换成ccd驱动信号，进而驱动待辐照ccd器件。9.根据权利要求8所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试系统，其特征在于：还包括与光源(2)连接的光源移动电机(3)，用于控制光源(2)的上下位置；所述辐照板(5)上还设置有与ccd驱动电路(52)连接的ccd插座(51)。10.根据权利要求9所述的一种辐照下面阵ccd的在线测试系统，其特征在于：还包括与辐照板(5)连接的运动电机(6)，用于通过驱动辐照板(5)上下移动，从而调整待辐照ccd器件的位置。

技术总结
本发明涉及一种辐射效应测试系统及方法，具体涉及一种辐照下面阵CCD的在线测试方法及测试系统，解决在开展面阵CCD辐射损伤效应地面模拟实验时，无法在线实时反馈面阵面阵CCD的工作情况以及辐照过程中性能参数实时变化规律的技术问题。该辐照下面阵CCD的在线测试方法，能够解决在开展CCD辐射损伤效应地面模拟实验时测试繁琐的问题，提高了实验效率，并且能获取辐照过程中的面阵CCD性能参数，本发明系统包括设置于辐照室内的辐射源、光源、驱动控制器、辐射板及设置于辐照室外且与驱动控制器连接的采集处理器；辐射板上设置有CCD驱动电路；辐射源和光源的出射光路上用于设置待辐照CCD器件，且CCD驱动电路与待辐照CCD器件连接。连接。连接。


技术研发人员：王祖军 黄港 聂栩 赖善坤 薛院院 马武英 何宝平 缑石龙 盛江坤 姚志斌
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/22