微光探测器时序设计研究

王鹏 刘琦 徐磊



微光探测器时序设计研究

王鹏 刘琦 徐磊

（北京空间机电研究所，北京 100094）

随着科学技术的不断发展，以EMCCD作为微光探测器的成像系统得到了广泛应用。微光相机成像系统中应用了某款EMCCD作为微光通道的探测器，文章结合这款探测器的结构特点，对EMCCD的时序设计进行研究。通过对微光相机成像系统的介绍，并比较不同EMCCD时序设计方案的基础上，提出了微光探测器的时序控制和高压信号控制等关键时序设计方案。通过设计、测试和验证，证明作为微光相机影响成像品质的重要因素，EMCCD时序设计逻辑正确，为成像系统的图像品质提供了基础保障。

时序设计 高压信号 电子倍增电荷耦合器件 微光相机 航天遥感

0引言

随着微光探测技术的不断发展，微弱光条件下的探测技术在航天领域得到了较为广泛的应用。作为新一代微光探测器件电子倍增CCD（Electron-Multiplying CCD，EMCCD），也逐渐应用在遥感成像系统中。与传统的CCD器件相比，它在覆盖可见光光谱范围的同时，在低照度的条件下具有更为突出的目标识别能力[1]。因此，其在低照度目标侦查、夜视成像甚至单光子检测等领域的应用具有一定优势[2-5]。

目前，国内对于微光探测器的研究主要集中在两大厂商美国的TI公司和英国的E2V公司的不同系列EMCCD芯片。基于微光探测器的微光相机研究，更多的集中在原理验证和工程样机上。偏重于微光探测技术的理论研究，对于结合应用的技术细节研究不足[6-8]。本文结合某微光相机实现从1/4月光光照条件到晨昏的大动态范围探测应用需求，对微光探测器时序设计进行研究。结合EMCCD的结构特点以及时序信号和倍增信号时序设计方案研究，提出了微光探测器时序设计是影响系统图像品质的基础因素，给出了倍增时序相位控制方法并进行工程验证，后续实现了通过微光探测器时序设计与控制提升遥感图像品质的在轨应用。

1 微光相机成像系统

1.1 基于EMCCD的成像系统

相机电子学成像系统通常包含探测器及驱动电路、信息处理器、管理控制器等电路及单机设备。某微光相机的成像系统主要由微光探测器、高亮探测器、相机主体电路和信息处理器等组成，如图1所示。4台相同的相机主体通过视场拼接实现几千千米的地面覆盖。每台相机在焦面上进行分光：一路为微光通道，应用EMCCD实现微光探测；另一路为高亮通道，采用线阵CCD器件实现白天高亮度探测。

图1 微光相机成像系统

每个相机主体部分应用一片FPGA器件，用于产生2种CCD的时序信号以及AD的配置信号等，并将输出的图像数据通过内部数传接口传递给信息处理器。信息处理器将4个相机主体的图像数据进行编排，通过数传接口传递给数传分系统，同时接收管理控制器的遥测遥控指令，对相机的工作状态进行调整，并通过内部数传接口传递给相机主体相应的指令信息。

在这个成像系统中，EMCCD在时序信号和高压信号的作用下进行光电转换和电荷转移并输出模拟信号，经过模数转换以后得到图像数据。对于其电路设计方面，需要考虑驱动设计方面不同偏置电压和驱动脉冲信号的驱动能力。对于其时序设计方面，在兼顾水平转移和垂直转移的时序控制的同时，还要考虑高压信号的相位控制和幅值控制等。

1.2 EMCCD的结构

EMCCD包括成像区、存储区、水平转移、倍增寄存器和放大输出几个部分，如图2所示。与传统CCD的主要区别是在水平转移寄存器后面增加了一级倍增寄存器，使电荷数量达到多倍的增加，从而实现对微弱光信号的探测[9]。EMCCD的结构特点直接决定了其驱动设计和时序设计需要考虑驱动能力和时序相位控制等因素。除了一般CCD设计需要考虑的转移信号的驱动设计以外，在电路设计上需要进行倍增信号的高压运算放大器设计得到高压倍增信号，并通过时序设计进行倍增信号的时序相位控制，以及其与水平转移时序信号的相位关系设计进行时序匹配。对于高压倍增信号相位和幅值的结合控制给时序设计增加了不小的难度，同时倍增信号和多个水平转移信号的相位匹配也增加了相位控制的设计难度。由于倍增信号的幅值与相位控制直接影响输出的模拟信号质量，且电荷转移效率也与倍增信号的幅值和时序相位密切相关[10]。那么就需要设计倍增信号和水平转移信号的时序以及相位控制方法，以解决时序设计匹配的难题。

EMCCD的结构如图2所示，成像区是感光部分，负责将光信号转换为电信号；存储区表面覆盖一层金属材料使其不感光，用来存储成像区光电转换之后产生的电荷；水平转移部分将成像区的电荷按照时序信号的设计转移到寄存器中；水平转移寄存器之后是倍增寄存器，电荷进入倍增寄存器后，在高压差作用下加速运动，发生雪崩倍增效应，激发出新的电子，实现电子倍增效果；最后经过放大输出部分得到对应幅值的模拟信号[11]。在倍增过程中，每一级的增益很小，只有约1.01~1.015，但经过级倍增后，其倍增增益=(1+)，可达到指数级增长[12]。电荷经过这样的转移过程，就实现了EMCCD的电子倍增过程，这也是微光探测器EMCCD在结构上区别于其他CCD的特殊之处。

图2 EMCCD结构示意

1.3 EMCCD的时序信号

EMCCD的整个电荷转移过程都由时序信号控制（如图3所示），而且EMCCD的时序设计与驱动设计密切相关。那么在硬件电路确定驱动设计定型的条件下，时序设计就成了电荷转移控制的关键部分。其时序信号主要包括垂直转移信号，水平转移信号，高压信号和清倒信号。

作为EMCCD时序设计的关键部分，水平转移时序与倍增时序控制必不可少。EMCCD的水平转移部分有3个电极Φ1、Φ2、Φ3，其倍增部分则在Φ1和Φ2之间增加了直流偏置Φdc，并由高压电极Φ2HV替代Φ2[13]。电荷从电极Φdc转移到Φ2HV时，由两个电极的电势差形成强电场，形成雪崩效应，实现了电子倍增效应。这个过程一方面要控制时序信号RΦ1、RΦ2、RΦ3之间的相位关系以保证电荷的水平转移效率，另一方面还要调整RΦ1、RΦ3和高压信号RΦ2HV的相位关系并控制高压信号的幅值来实现电荷的倍增过程，而且高压信号的特性也直接决定了电子倍增过程的转移效率和EMCCD的使用寿命。

图3 EMCCD时序信号示意

2 微光探测器时序设计

2.1 EMCCD的时序方案

EMCCD的时序设计主要包括转移时序信号设计和高压信号设计两个部分，转移时序信号和高压信号共同作用，实现EMCCD的驱动，完成电荷从成像区到存储区，从存储区到水平寄存器，从水平寄存器到倍增寄存器的转移过程。通常转移时序设计采用帧转移时序设计，而高压信号可以选择方波或者正弦波设计。

典型的帧转移时序方案中，一个帧周期包含了垂直转移和水平转移两个过程（如图4所示）。

图4 帧转移时序方案

这种方案帧周期固定，积分时间固定不可调整，不能适应大动态范围探测积分时间调整的应用要求。而且水平转移过程会占用较长的时间，在成像区域积累的电荷会影响到相当长一段时间的图像品质，不满足微光探测成像品质的要求。

在对比典型时序设计的基础上，为了减少成像区域积累电荷对图像品质的影响，微光相机的时序方案加入了清除电荷部分。将时序设计中增加清除电荷转移时序，用于将多余电荷转移清除。为了解决积分时间控制问题，同时避免时序冲突，在某微光相机中设计了清除电荷部分放在转移过程前面，即清除与部分输出的时序方案。在实现积分时间控制的基础上，有效降低无用电荷对图像品质的影响。

对于高压信号的选择，则先来比较一下方波和正弦波的特点。方波具有较为平坦的峰值区域，但上升过程和下降过程不对称且时间太短，这会对器件的工作寿命带来影响[14]。正弦波具有缓变性和对称性的特点[15]，上升过程和下降过程对称但时间相对方波较长。考虑到EMCCD的工作时间长和设计寿命具有一定要求，选取正弦波作为高压信号，并应用DA芯片和放大电路配合，进行高压信号的时序设计，实现其相位和幅值控制[16]。

清除与部分输出的时序方案（如图5所示）整个帧周期包含清除部分、积分部分、垂直转移、部分水平转移和清倒部分，来完成电荷的清除和转移等过程。

图5 清除与部分输出时序方案

清除部分的设计主要是应用IΦ1-IΦ4和SΦ1-SΦ4信号，将开始积分之前成像区的多余电荷进行转移清除，以消除非积分时间内成像区的残余电荷累积。清除部分的时序信号数量与器件的有效行数相对应，为提升清除电荷的效果，通常设计成覆盖从成像区到存储区行数的2-3倍。这部分时序信号通常占空比大于50%，且速度不宜快于垂直转移的速度，否则也会影响清除电荷的效果。结合DG信号的电平控制，将清除过程转移到水平移位寄存器的残余电荷和无用电荷清倒到清倒沟中，就实现了多余电荷的清除。此方案在实现一帧中任意连续N行有用部分的输出控制的同时，有效减小了多余电荷对成像品质带来的影响。

2.2 微光相机EMCCD输出行设计

EMCCD的水平转移过程是控制SΦ1-SΦ4、ΦR、RΦ1、RΦ2、RΦ3和RΦ2HV信号实现的，在应用清除与部分输出的时序方案过程中，部分输出行要与光学系统相匹配。在光学装调之前，光线汇聚到微光探测器的焦点存在一定偏差，对应输出行也存在偏差。在光学装调后需要根据光路与焦平面的拼接结果对输出行进行调整。此时程序已经固化，焦面电路与光机结构配装无法拆卸。为了达到输出行与光路的最佳匹配，使输出起始行变化不造成装调及匹配工作的反复，降低系统误差。在微光相机中，设置了起始输出行参数。虽然其为时序设计增加了复杂性，但在程序固化后还可以使输出起始行根据外部参数变化，保证了在光学装调后输出行与光路的最佳匹配。

图6 起始输出行控制示意

部分行输出时序方案的水平转移过程分为3个部分（如图6所示），第一部分SΦ1-SΦ4信号连续转移L个周期，同时DG信号保持高电平进行电荷清倒。其中L就是设置的行参数，L的改变可以调整输出的起始行，其存储在外部存储器中，在上电过程中作为初始化参数进行设置。第二部分SΦ1-SΦ4与水平转移时序信号进行配合，连续输出N行信号，这N行是对应要得到的模拟信号，此过程DG信号保持低电平保留电荷。第三部分则是用总行数S减去前面不要的L行和保留的N行后，SΦ1-SΦ4信号连续转移S-L-N个周期，同时DG信号保持高电平进行电荷清倒。对于输出起始行的参数设置，只需要更改外部存储器中的对应参数，有效地减少了光学拼接过程中这个参数变化对于测试验证以及系统调试的影响。

2.3 EMCCD时序信号相位控制

在硬件电路已经定型的情况下，能够影响模拟信号以及成像系统成像品质的就是其时序信号相位的控制。其中水平转移时序RΦ1、RΦ2、RΦ3和ΦR可以影响模拟信号输出波形，而高压正弦信号与它们的关系可以影响输出模拟信号的幅值。

如图7所示，时序设计中在注意S1、S2、S3部分，也就是转移时序交叉沿情况的同时，我们需要更多的关注S4、S5部分。S4表示RΦ3信号下降沿和RΦ2HV信号波谷之间的相位关系，S5表示RΦ1信号下降沿和RΦ2HV信号波峰之间的相位关系，它们共同影响Φ2HV电极容纳的电荷量。设计中需要对RΦ3信号下降沿与波谷、RΦ1信号下降与波峰的相位进行控制，以保证转移电荷量最大。

图7 水平转移时序信号及高压信号时序关系

在微光相机中，为了满足水平转移时序信号的控制，采用了逻辑器件内部门延时的方式。延时控制设计成通过指令可以进行延时调整，延时量通常可以达到ns级。而对于高压正弦信号的调整，设计了描点法来实现相位和幅值的控制。应用8个包含相位和幅值信息的数据来表示整个波形的信息，并应用DA器件进行转换。在一个像元周期内依次将0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°包含幅值信息的数据发送给DA芯片，使其输出一组阶梯包络信号，再经过滤波放大电路得到放大之后的高压正弦信号。应用这种方式的相位调整，理论精度可以达到（360/2N）°（N为DA位数），实际应用中根据高压正弦信号的速度可以应用不同的调整精度（通常选择1°）。这里需要指出，为了得到更为准确的正弦信号，可以采用16点或者32点等更密的描点方式产生阶梯波，但这样也将带来电路和逻辑设计复杂化。需要注意的是，在不同的工况下，包含相位信息和幅值信息的数据需要进行重新计算标定，以适应不同应用的信号品质要求。这种信号调整方法为数据实时标定提供了途径，可以在硬件电路固定的情况下，找到高压正弦信号与时序信号匹配的最佳相位。

3 EMCCD时序设计仿真与测试验证

根据EMCCD时序设计的方案，水平时序的相位控制，以及高压信号的控制等几个方面，结合微光相机的视频电路成像系统，对应用FPGA实现时序设计相关逻辑，以及包含驱动设计在内的相关功能进行了测试和验证。

对于微光相机中的清除与部分输出的时序方案，设计了测试用例和相关参数，应用仿真工具进行了仿真验证。

图8中包含垂直转移信号IΦ1-IΦ4、SΦ1-SΦ4，水平转移信号ΦR、RΦ1、RΦ2、RΦ3和清倒信号DG。从仿真结果上可以明显地看出整个时序包括清除部分、积分部分以及垂直转移、部分水平转移和清倒部分。T1为清除部分，进行多余电荷清除；T2为积分时间部分，进行5ms的积分时间控制；T3为垂直转移部分；T4为部分水平转移部分，进行64行的转移输出，起始行为256行。通过仿真验证可以得出微光相机时序方案设计要求一致，满足实际应用需求。

图8 微光探测器时序仿真

在对时序设计进行逻辑仿真的基础上，在实验室条件下，应用微光相机的相机主体电路以及焦面驱动电路等，对输出时序信号的波形进行了测试。

EMCCD的时序信号工作在5MHz频率，应用部分输出的方案。图9中依次是RΦ1、ΦR、RΦ2和RΦ3信号，以及它们的交叠关系。其中RΦ1上升沿提前RΦ3下降沿，RΦ2上升沿提前RΦ1下降沿，RΦ3上升沿提前RΦ2下降沿，RΦ2上升沿提前ΦR上升沿。可见其水平转移信号的相位控制实测情况与时序设计的交叉沿情况一致，满足微光相机的应用要求。

图9 水平转移信号实测波形

在驱动芯片固定的情况下，时序信号也经过调整之后，高压信号与时序信号的相位关系也影响着系统的成像品质[17]。在实验室条件下，输入光强不变，成像参数不变，高压正弦信号幅值为44V，调整其相位，对比其前后信号（见图10-图11）。

图10 相位调整前水平转移信号和高压信号实测波形

图11 相位调整后水平转移信号和高压信号实测波形

在高压信号相位调整之前，其与RΦ1上升沿和RΦ3下降沿的关系由T1表示约9ns，即高压正弦信号波谷与RΦ1和RΦ3交叉沿的相位关系。此时高压正弦信号波谷提前RΦ1和RΦ3交叉沿，模拟信号幅值对应的DN值约为9 600。

在高压信号相位调整之后，其与RΦ1上升沿和RΦ3下降沿的关系由T2表示约18ns，即高压正弦信号波谷与RΦ1和RΦ3交叉沿的相位关系。此时高压正弦信号波谷滞后RΦ1和RΦ3交叉沿，模拟信号幅值对应的DN值约为9 200，其DN值明显下降。

在时序信号不变的情况下，高压信号对模拟信号有直接的影响，通过正弦波相位的调整，可以增大模拟信号的幅值。应用描点法对高压正弦信号相位进行控制[18]，在输入光信号不变，高压正弦信号幅值不变的情况下，对其进行了步进为1°的相位调整，得到了正弦波相位和图像灰度值的对应关系。应用MATLAB工具，进行了曲线拟合。

图12 正弦信号相位与图象灰度值拟合曲线

图12中横轴为相位，单位度，纵轴位为灰度值，单位为DN值。根据示波器测试的结果，选择在–20°到20°的相位调整范围内，调整高压信号的相位。对应相位调整灰度值的变化是非线性的，表征不同的相位点对应的倍增过程的电荷转移效率不同，从而导致输出的模拟信号幅值不同。从中我们可以找到灰度值较高的区间：5°~10°，从中可以选取高压正弦信号与时序信号的最佳相位匹配相位。在微光相机中，高压正弦信号的相位选择了5°，可以在满足设计要求的前提下，实现成像指标最优。

在实际应用中还可以加入EMCCD的温度控制，在不同的温度参数的条件下进行相位调整。尤其需要绘制制冷条件下的对应曲线，从而找出低温工况的最佳相位位置。这样就可以进一步比对不同工况下的最佳匹配相位，选取适合不同工作环境的高压正弦信号相位。

4 结束语

通过对EMCCD成像系统的介绍以及对EMCCD时序设计的研究，在硬件电路固定的情况下，指出了时序设计上能够影响图像品质的因素，即时序设计方案选取，水平转移时序相位控制以及高压正弦信号的相位和幅值控制，提出了部分输出的时序方案，对时序信号进行相位延时，对高压正弦信号应用描点法进行了相位调整。经过EMCCD时序设计的应用以及仿真验证和波形测试，验证了EMCCD时序信号相位控制和高压信号相位控制与调整的设计能够实现时序信号相位的精确控制，并通过调整使高压正弦信号和时序信号之间的相位关系找到其最匹配的工作状态，从而改善模拟信号的波形，进而改善成像系统的图像品质。在微光相机中，这些设计得到了充分的验证，在时序控制调整的基础上信噪比提升了1-2个dB值，为整个系统的成像品质提升提供了基础保障。

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（编辑：毛建杰）

Study on Timing Design of a Low Light Sensor

WANG Peng LIU Qi XU Lei

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the development of science and technology, the imaging systems which use EMCCD as the low light sensor are applied more and more widely. In this paper, one EMCCD is used as the senor for the low light channel in the low light camera, and then its timing design is studied by associating the EMCCD's structure characteristics. Through introducing the camera's imaging system and comparing the different timing design solutions, one can find that the timing control and the high voltage signals control are important for the timing design of the low light sensor. Through design, test and verification, it shows that the logic of the EMCCD’s timing design in the low light camera is right , which can be one important factor to provide the basic guarantee of the system imaging quality.

timing design; high voltage signals; electron-multiplying CCD; low light cameras; space remote sensing

V443+.5

A

1009-8518(2018)02-0063-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.02.008

2017-03-10

国家重大科技专项工程

王鹏，男，1979年生，西北工业大学航空工程硕士，高级工程师。研究方向为遥感相机FPGA软件设计。E-mail: wangp508@126.com。