基于电子倍增CCD的微光成像遥感器焦面电路设计

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1、第33卷第5期航天返回与遥感2012年10月SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING47基于电子倍增CCD的微光成像遥感器焦面电路设计卜洪波陈瑞明张玉贵何志宽(北京空间机电研究所，北京100076)摘要文章介绍了一种以EMCCD为探测器件的星载遥感器焦面电路实现方案。利用FPGA基于VHDL语言设计了驱动时序发生模块，运用直接数字频率合成技术、LVDS总线传输技术和大幅值信号放大技术构建了EMCCD硬件驱动电路。为满足卫星在线配置的需求，电路设置了遥控遥测接口模块。在EMCC

2、D读出模块和焦面电源模块设计中提出了一定的降噪方法。最后，对EMCCD焦面电路样机进行测试．证实了该设计的有效性和可行性。关键词电子倍增电荷耦合器件焦面电路微光成像中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1009—8518(2012)05—0047—08DOI：10．3969／j．issn．1009-8518．2012．05．007FocalPlaneCircuitDesignBasedonElectronMultiplyingCCDinRemoteSensorforFaintLightIma

3、gingBUHongboCHENRuimingZHANGYuguiHEZhikuan(BeijingInstituteofSpaceMechanics&Electricity，Beijing100076，China)AbstractThispaperintroducesadesignoffocalplanecircuitbasedonEMCCDinspace—borneremotesensor．DrivetimingarrangementmodulesaredesignedbyusingFPGAwi

4、thVHDL．Directdigital~equencysynthesis，LVDStransmissiontechnologyandlargeamplitudesignalamplificationtechniqueareutilizedfortheformationofEMCCDdrivinghardware．Inordertomeetthesatelliteon-lineconfigurationrequirementsatelemetry，andtelecommandinterfaceuni

5、tissetupinthecircuit．Moreover，theauthorpresentssomenoisereductionmethodsinthedesignofEMCCDreadoutmoduleandpowermodule．Atlast，afocalplanecircuitprototypeisdevelopedtotest，andtheresultsconfirmtheeffectivenessandfeasibilityofthisdesign．Keywordselectronmul

6、tiplyingcharge-coupleddevice；focalplanecircuits；lowlightlevelimaging1引言传统星载遥感器的微光探测主要通过像增强CCD(ICCD)来实现，ICCD焦面光学组件过多，必然会引入中间噪声，而且不利于空间相机的轻型化。电子倍增CCD(EMCCD)；~21世纪初出现的新型微光探测器件．其外形和质量与普通面阵CCD相差无异，并且具有高灵敏度、大动态范围和低噪声等特点[1】。EMCCD焦面探收稿日期：2012—03—06基金项目：中国空间技术研

7、究院自主研发课题48航天返回与遥感2012年第33卷测组件为微光成像遥感器提供了新的技术实现途径，将有广阔的发展前景。欧美等国在某些低照度成像应用中已采用EMCCD取代ICCD作为探测器件，而我国对这种新型的CCD还缺乏深人的工程研究。本文以一种基于EMCCD的星载遥感器研制为背景。讲述了其焦面电路的设计方法2遥感器EMCCD焦面电路关键技术2．1EMCCD工作原理分析EMCCD在传统面阵CCD所包含的感光区、存储区、水平移位寄存器和读出放大模块基础上增加了一组电子倍增寄存器，电子倍增寄存器由数百级

8、电子增益结构组成。增益结构中的电子在高压倍增驱动信号作用下会发生“撞击离子化效应”，产生新的电子，相当于增强了原本微弱的光电信号，这是EMCCD低照度成像的核心机理圜EMCCD的总电子增益倍数可量化为：G=(1+P)(1)式中P为每级电子倍增结构中激发新电子的概率：Ⅳ为倍增结构级数。P值与高压倍增驱动峰值电压正相关，与器件工作温度反相关。以本文所用的某604倍增级数EMCCD为例．当驱动电压高电平为+45V．工作温度为一5O时．P约为1．15％．则总信号增益倍数可接近