浅谈小型化星敏感器图像传感器的选型及其灵敏度提高方法

游鹏程，桑文华，严小军，廖波勇

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）



浅谈小型化星敏感器图像传感器的选型及其灵敏度提高方法

游鹏程，桑文华，严小军，廖波勇

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

简要介绍了图像传感器的类型和基本原理，分析比较了几种星敏感器中比较常用的CCD和CMOS APS图像传感器的特点。重点针对这两类图像传感器的温度特性进行了详细的分析讨论。同时，针对星敏感器方案设计中的约束条件，详细介绍了图像传感器的选型分析计算过程。最后综合考虑多种约束条件，简要地提出了几种可以提高星探测灵敏度的方法。

CCD；CMOSAPS；星敏感器；灵敏度

0　引言

在各种航天器的姿态测量和控制系统中，星敏感器起着非常重要的作用，是最为精密的姿态测量部件之一。星敏感器中，图像传感器是整个系统工作的核心部件，其任务是把光学系统在焦平面上的成像进行光电转换，形成电信号，经由后续电路处理，完成模数转换，得到相应的数字图像信号，然后送到后续处理器模块进行处理［7］。在空间环境应用中，特别是弹载平台应用中，由于受到各种苛刻条件的约束，如过载、温度、电磁干扰等，对星敏感器的可靠性、重量、功耗、抗辐射性能等都提出了比较高的要求。

1　图像传感器的发展简述

图像传感器根据原理结构的差异可分为CCD型和CMOS型图像传感器［1］；而CMOS型图像传感器根据像元结构内是否具有信号放大器的有源结构又可分为CMOS PPS（无源像元）和CMOS APS（有源像元）［2］两种子类型。CCD型图像传感器是模拟和数字混合的结构，需要复杂的驱动电路及视频信号处理电路，但是光电转换灵敏度高，在信噪比方面与CMOS相比具有一定的优势，目前不少对精度要求比较高的星敏感器都采用CCD传感器。CMOS图像传感器是使用与制造DRAM同样的技术，几乎与CCD同时出现。但是早期的CMOS图像传感器的像素为无源像素结构，因此信噪比比较低，成像质量差，并没有得到广泛应用。后来在像元电路中引入了信号放大器来改善像元的性能，使得信噪比有很大的提升后，才逐渐发展起来了；同时CMOS不受电荷转移效率的限制，读取速度快，图像质量明显改善。而且具有集成度高、无需外围驱动电路和视频信号处理电路、电源设计简单及全数字化结构等优点，近年来已成为国外星敏感器研究的重点，未来具有很大的潜力。因此CMOS APS星敏感器具有更小的尺寸、功耗也更低。

国内外基于CCD图像传感器的星敏感器起步比较早，现在已经比较成熟，具有较优异的光电转换效率和较低的噪声水平，但是其系统驱动复杂、功耗大，通常用于对精度要求比较高的地方。

目前，随着加工技术的不断进步，CMOS传感器在灵敏度和信噪比方面与CCD传感器的差距正在越来越小。实际工业应用CCD图像传感器的生产厂家比较少，主要有ONSEMI、SONY、Philips等几家公司。而CMOS图像传感器由于采用标准CMOS工艺，生产的厂商比较多，军工应用做的比较好的非常少，主要是CMOSIS公司。表1、表2中挑选了几款比较常用的CCD图像传感器和CMOS APS图像传感器，并简要列出了其规格特点。

表1　几种典型的CCD图像传感器Table 1Several common CCD image sensors

表2　几种典型的CMOS图像传感器Table 2Several common CMOS image sensors

2　CCD和CMOS图像传感器温度特性

由于星敏感器的工作平台相比太空稳定的运行环境要恶劣得多，如大过载、温差范围大、电磁环境复杂等。因此，对平台上星敏感器提出了更严苛的要求，特别是工作温度的限制要求。

工作平台环境温度一般为50˚C左右，这样就对星敏感器的图像传感器提出了很高的要求。根据图像传感器芯片手册资料我们了解到，通常情况下，图像传感器芯片在正常工作时，芯片自身的温度一般会比工作环境温度高大约10˚C～15˚C［3］。随着芯片温度的升高，芯片输出的暗电流噪声也不断增加。以CMOSIS公司的CMOS APS图像传感器CMV4000为例，在25˚C环境温度下其暗电流噪声为125e/s，温度每升高大约6.5˚C时，其暗电流噪声将增加1倍。

而CCD图像传感器关于温度的特性也类似，以CCD传感器KAF3200为例，其25˚C环境温度下暗电流噪声约为20pA/cm2，温度每升高6˚C，其暗电流噪声输出增加1倍。而CCD图像传感器FTT1010-M芯片在30˚C时，其暗电流噪声约为20pA/cm2，当温度升高到60˚C，其暗电流噪声升至300pA/cm2，其暗电流温度曲线如图1所示。从图1中可以看出随着温度的升高，暗电流噪声几乎呈线性上升，在正常工作条件下，温度越低，芯片的暗电流噪声也越低。

图1　KAF3200芯片的暗电流-温度特性曲线Fig.1Dark current-temperature cure of the KAF3200

当温度超过芯片的正常工作温度范围时，芯片的暗电流、读出噪声等会急剧上升，以致芯片无法正常输出图像数据。通过分析可以知道，CCD和CMOS APS图像传感器随着温度的升高，其暗电流噪声都会明显上升，但是由于在通常情况下，CCD图像传感器的填充系数高于CMOS型式的图像传感器，灵敏度相对来说也稍高些。但是在温度比较高的情况下，CCD和CMOS APS图像传感器的噪声都比较大，二者的差距并不是太大。工作情况都要比低温环境下要差。需要在后续的信号处理中降低噪声，提升信噪比。同时在有条件的情况下，应当尽量采取降温措施。

由于平台工作环境的特殊性，安装于平台上的星敏感器与外壳隔离，因此，采用辐射散热和传导散热的措施都不可行，只能在后续的硬件设计和软件算法设计中来提升信号的质量，提升信噪比。另一方面，在如此高的工作温度下，大部分CCD图像传感器由于暗电流噪声的急剧上升，其性能都不太理想。而CMOS APS图像传感器虽然暗电流噪声也会快速上升，但是通常情况下其表现要比CCD图像传感器要理想的多。

3　图像传感器选型计算

3.1图像传感器类型的选取

由于CMOS APS和CCD图像传感器采用同样的硅材料，光谱响应和量子效率接近，像元尺寸和电荷的存储容量也相接近，但由于CMOS技术和工艺以及有源像元的结构特点，使得COMS APS具有CCD无法相比的优势：集成度高、单一电源供电、低功耗、抗辐射能力强、动态范围大、数据读出方式灵活等。此外CMOS APS的窗口读出模式可对感兴趣的区域像素进行随机读取。由于通常采用全局快门，其输出图像不会产生模糊现象。CMOS APS图像传感器的不利因素在于它的光电特性和感光面积，相对于CCD的100%的填充系数［4］，CMOS APS的填充系数一般为30%～70%。而且标准的CMOS工艺，使得CMOS图像传感器在信噪比、灵敏度、图像的非均匀性、暗电流噪声等方面稍逊色于CCD。但是最近几年来，随着CMOS工艺技术的进步，CMOS和CCD的差距正在逐渐接近，CMOS在很多方面正在逐步替代CCD。

对于小型化星敏感器的系统设计而言，首先要考虑星敏感器系统的技术指标应该满足任务书的技术要求。主要包括视场、星等灵敏度、更新速率、体积、重量、工作温度等。这些技术参数既相互关联又相互制约，共同决定了星敏感器系统的性能水平。综合衡量任务书中的其他约束条件如功耗、数据更新速率、平台环境温度、尺寸和重量等技术条件，特别是尺寸和重量及功耗条件，考虑到COMS APS图像传感器所具有的优势，比较适合采用CMOS APS形式的图像传感器设计方案。

3.2图像传感器型号选取的计算过程

我们假定星敏感器的主要技术指标如下：1）有效视场要求≥5°×5°；2）尺寸不大于120mm× 120mm×120mm；3）功耗≤10W；4）数据更新率大于2Hz；5）工作温度约50˚C；6）视轴指向精度优于1.5''；7）质量不超过2kg。

首先，根据技术指标要求，平台预留空间为优先考虑条件，这就基本决定了星敏感器的外形尺寸的大小。因此星敏感器结构设计和内部布局优先考虑尺寸条件，初步取镜筒长度为70mm，镜头焦距f约为80mm。在镜头长度确定了之后，结合参考任务书给出的尺寸限制，即可确定接着后端的电源模块和图像处理模块的初步结构排布方式及电路处理模块的结构。

其次，根据视场（FOV）指标要求［5］，在保证一定的芯片感光能量的前提下，结合之前确定的焦距f值及光学镜头的加工难度，综合考虑选取镜头光圈F值为3左右，即可大致确定镜头的光学口径，取入射光口径d'为30mm。根据式（1）即可确定图像传感器芯片的大小。

式中，ω为光学系统的圆视场；a、b为图像传感器的长和宽（图像传感器通常为方形结构）；f为镜头焦距；d'为镜头光学口径。

一般来说，对正方形阵列的图像传感器芯片有：a=b，带入参数计算可得出a=26.5mm。

最后，根据任务书中精度指标的要求：视轴指向精度优于1.5˝。镜头装配采用离焦设计，利用亚像元细分算法。考虑国内外亚像元细分算法的精度，假设星点质心定位精度为1/10像素（3σ），针对单星，当测量精度为1.5˝（3σ）时，星敏感器测量精度可以采用式（2）进行估算：

式中，d为单个像元尺寸；Ecentroid为像元细分精度；Esight为单星视轴测量精度。

将各参数带入式（2）中计算，在满足单星测量精度（3σ）的要求下，计算得单像素尺寸d= 6.5µm。

根据上述的星敏感器图像传感器计算流程，如图2所示，即可初步确定一个图像传感器的主要尺寸和指标要求。通常情况下，相对固定的光学视场和图像传感器尺寸，星敏感器测量精度随着图像传感器像元数量的增加而提高，增加图像传感器阵列的像元素是提高星敏感器精度的最有效的方法。但是增加阵列的像元数会导致单个像元感光能量的降低，导致图像信噪比的降低，不利于图像信号的后期处理。同时还会带来一系列的问题，如造价、功耗、可靠性问题等。

另一方面，但是如果阵列像元素多，单像元尺寸较小，填充因子较低，探测灵敏度下降，图像信号信噪比降低；反之，像元尺寸越大，图像信噪比会提高。所以对星敏感器中探测器的像元阵列大小的选择，必须根据系统要求，综合考虑星敏感器的性能指标要求来选择阵列大小的参数。在满足星敏感器视轴指向精度要求的前提下，为了提高星等探测灵敏度，应尽量选择像元尺寸较大的CMOS传感器。

图2　图像传感器芯片选型计算流程Fig.2The computation flow of the choice of the image sensor

综合以上的分析过程，同时考虑到系统的复杂程度和可靠性要求，随机窗口读取能力和非破坏性数据读出方式，以及抗辐射能力等条件，根据以上假设技术指标要求，CMOSIS公司的CMV4000图像传感器尺寸大小为15cm×15cm，单个像素尺寸为5.5µm，工作温度范围为-30˚C～70˚C，满足指标要求。因此本设计选择CMV4000作为星敏感器感光元件进行系统方案设计。

4　提高星探测灵敏度的方法

由于CMOS图像传感器在低温下才具有优异的性能，噪声水平随着温度的上升不断的增大。同时工作环境也比较特殊，无法采用主动降温或者被动降温的措施。在系统设计方案图像传感器型号确定的情况下，只能采用其他的方式来提高星探测的相对灵敏度，减小测量过程中噪声影响，提高信噪比，从而提高星亮度等级的探测能力。具体的措施可以考虑主要从以下几个方面进行提高：

（1）延长积分时间

延长积分时间，目标星输出信号得到线性提高，而系统噪声以平方根增加，系统的整体信噪比得到提高，从而提高星等探测灵敏度。但是积分时间过长会造成星像移动引起“拖尾”现象［6］，CMOS暗电流噪声也将增加，从而影响星位置测量精度。

（2）多帧相加

在实际使用中，通过快速帧采样，减少一次积分时间，降低暗电流噪声，将快速相邻的两个或多个图像帧叠加，从而提高信噪比。采样速度的要求必须克服飞行器运动带来的星像移动。

（3）加大光学系有效孔径

大的光学系统有效孔径可以获得更多的星光能量，从提高暗星探测能力的方面，提高了系统的星探测能力。但是这种方法需要增大光学系统焦距，会带来系统体积质量的增加。

（4）提高光学系统成像质量

通过减小相差、增加透过率等可以提高光学系统成像质量，从而提高到达探测器的有效光子数。在电子系统性能大体相同的情况下，提高系统整体信噪比。

在图像传感器信号已经确定了的情况下，通过以上几种软、硬件设计方法，可以适当地提高图像传感器的灵敏度。

5　结论

本文主要介绍了图像传感器的工作原理，根据结构的不同可以分为CCD和CMOS APS两类，并列出了几种主要的CCD和CMOS图像传感器及其发展概况。根据星敏感器工作的温度特点，简要分析了CCD和CMOS图像传感器的温度特性。根据假定给出的星敏感器技术指标要求，详细分析了选定图像传感器的计算过程，选定了基于CMOS APS技术的CMV4000图像传感器型号作为星敏感器的设计方案选型。最后根据给定的设计要求，简要介绍了提高星敏感器星等探测灵敏度的几点措施。

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［2］何灵娜，崔维鑫，裴云天.CMOS星敏感器光学系统的设计［J］.光学技术，2007，33（S1）：195-198. HE Ling-na，CUI Wei-xin，PEI Yun-tian.Optical design of CMOS star sensor［J］.Optical Technique，2007，33 （S1）：195-198.

［3］刘海波，谭吉春，郝云彩，等.环境温度对星敏感器测量精度的影响［J］.光电工程，2008，35（12）：40-44. LIU Hai-bo，TAN Ji-chun，HAO Yun-cai，et al.Effect of ambient temperature on star measurement accuuacy［J］. Opto-electronic Engineering，2008，35（12）：40-44.

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［6］黎向阳.基于LUPA4000的面阵CMOS图像传感器成像系统研究［D］.中国科学院研究生院，2008. LI Xiang-yang.Study of the CMOS image sensor imaging system based on LUPA4000［D］.University of ChineseAcademy of Sciences，2008.

［7］赖孝君，阎璐，冯宪周，等.基于红外视频的火灾探测算法［J］.导航与控制，2013，12（4）：30-36. LAI Xiao-jun，YAN Lu，FENG Xian-zhou，et al.A fire flame detection algorithm based on infrared video［J］. Navigation and Control，2013，12（4）：30-36.

The Study of the Image Sensor of the Miniaturized Star Sensor and the Sensitivity Improving Method

YOU Peng-cheng，SANG Wen-hua，YAN Xiao-jun，LIAO Bo-yong
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

The principle and the sort of the image sensor are brief described in the paper.The characteristic of several kinds of CCD and CMOS APS image sensor are compared，focusing on the characteristic vs temperature of the image sensor.Meanwhile，aiming at constraint condition in the project design of the star sensor，detailed introduction of the counting process of the image sensor selection is proposed.At last，compositing various related constraint condition，several methods that may increase the sensitivity of the star senor are proposed briefly.

CCD；CMOSAPS；star sensor；sensitivity

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01032

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.014

游鹏程，男，硕士，工程师，研究方向为星敏感器硬件电路设计。

2014-12-09