CN116471400A - 一种粒子辐照cis后饱和暗信号的测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辐射效应测试方法及测试系统，具体涉及一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法及测试系统，解决现有的大部分测试方法及测试系统均采用离线测量，无法反映真实运行状态下的待测CMOS图像传感器的饱和暗信号的技术问题。该粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，包括辐射源、控制器、处理器、支架、依次设置于支架上的辐照板、CMOS图像传感器插座；辐照板与CMOS图像传感器插座电连接；CMOS图像传感器插座用于安装待测CMOS图像传感器；待测CMOS图像传感器位于辐射源的出射光路上；辐照板与控制器、处理器依次电连接；辐射源用于诱发待测CMOS图像传感器产生辐照损伤效应，导致待测CMOS图像传感器暗信号发生变化。

Description

一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法及测试系统

技术领域

本发明涉及一种辐射效应测试方法及测试系统，具体涉及一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法及测试系统。

背景技术

待测CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)是一种采用CMOS工艺，将图像传感器的光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的固态成像器件，在图像采集与信号处理方面具有独特的优势。因其具有低功耗、低成本、高集成度、高稳定性和可靠性、空间抗辐射能力强等优点，所以逐渐取代CCD，被广泛应用于遥感成像、星敏感器和太阳敏感器等卫星图像采集处理方面。

工作在空间辐射环境中的待测CMOS图像传感器，均会受到质子、电子和重离子等的辐射损伤，严重时甚至导致待测CMOS图像传感器功能失效，对航天器成像系统在轨正常运行与效能发挥及辐射环境中的呈现监测系统构成严重威胁。

辐射损伤包括电离损伤和位移效应，两者都会导致待测CMOS图像传感器暗信号的退化，影响待测CMOS图像传感器的性能。因此研究待测CMOS图像传感器饱和暗信号是待测CMOS图像传感器性能考核的重要敏感参数之一。为了解和分析待测CMOS图像传感器在辐照后饱和暗信号的值，通常在地面对待测CMOS图像传感器进行辐射效应实验模拟，但现有的大部分测试方法及测试系统均采用离线测量，无法反映真实运行状态下的待测CMOS图像传感器的饱和暗信号。

发明内容

本发明的目的是针对现有的大部分测试方法及测试系统均采用离线测量，无法反映真实运行状态下的待测CMOS图像传感器的饱和暗信号的技术问题，而提供一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法及测试系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)试验前准备

安装待测CMOS图像传感器，并使待测CMOS图像传感器完全工作在暗场环境下；

2)获取辐照后暗场图像

2.1、设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，在不同曝光时间下对待测CMOS图像传感器进行辐照，当达到待测CMOS图像传感器累积剂量点时，停止辐照，开始采集不同曝光时间下待测CMOS图像传感器辐照后数据，获得辐照后暗场图像；

2.2、计算辐照后暗场图像中每帧图像的平均暗信号，得到辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线；

3)获得辐照后暗场图像的饱和暗信号

判断辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线的暗信号是否达到饱和；

若未达到饱和，则重新设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，返回步骤2.1；

若达到饱和，则得到该曝光时间下对应的暗信号，作为饱和暗信号。

进一步地，步骤3中，所述暗信号是否达到饱和具体为：

若辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线随着曝光时间的增加，平均暗信号逐渐增加，则未达到饱和；若一定曝光时间后，平均暗信号不再随曝光时间的增加而增加，则该时曝光时间对应的平均暗信号即为饱和暗信号。

进一步地，步骤1)中还包括：设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，开始采集不同曝光时间下待测CMOS图像传感器辐照前数据，获得不同曝光时间下辐照前暗场图像；计算辐照前暗场图像中每帧图像的平均暗信号，得到辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线；

步骤3)中还包括：对比辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线和辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线，获得辐照对待测CMOS图像传感器的平均暗信号影响，用于分析待测CMOS图像传感器的损伤原因。

进一步地，步骤1中，使待测CMOS图像传感器完全工作在暗场环境下具体为：

将待测CMOS图像传感器感光面擦拭干净，将遮光纸贴在待测CMOS图像传感器表面，使待测CMOS图像传感器完全工作在暗场环境下；

步骤4.3中，暗信号的范围为22-255。

同时，本发明还提供了一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，用于实现上述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法，其特殊之处在于：包括设置于辐射场内的辐射源、控制器、支架、依次设置于支架上的辐照板、CMOS图像传感器插座，以及设置于辐射场外的处理器；

辐照板与CMOS图像传感器插座电连接；CMOS图像传感器插座用于安装待测CMOS图像传感器，且待测CMOS图像传感器位于辐射源的出射光路上；

辐照板与控制器、处理器依次电连接；

辐射源用于诱发待测CMOS图像传感器产生辐照损伤效应，导致待测CMOS图像传感器暗信号发生变化；

控制器用于为待测CMOS图像传感器提供驱动信号及时钟信号配置到待测CMOS图像传感器的寄存器中，，并采集待测CMOS图像传感器输出的暗场图像；

处理器用于实现控制器驱动程序的配置，更改待测CMOS图像传感器内部寄存器参数，实现曝光时间的设置，同时接收并处理待测CMOS图像传感器的暗场图像。

进一步地，所述控制器包括依次连接的采集单元与传输单元；

采集单元与辐照板电连接，用于采集待测CMOS图像传感器的暗场图像；

传输单元与处理器连接，用于将待测CMOS图像传感器的暗场图像输送至处理器。

进一步地，所述采集单元包括FPGA主控模块、与FPGA主控模块依次连接的ARM从控模块与DDR3数据缓存模块；

FPGA主控模块与辐照板连接；

ARM从控模块与传输单元连接；

FPGA主控模块用于产生待测CMOS图像传感器正常工作所需的驱动信号和时钟信号，完成待测CMOS图像传感器的寄存器和时钟的配置；

ARM从控模块用于产生DDR3数据缓存模块的初始化及配置时序、数据读写操作相应的时序，控制DDR3数据缓存模块完成暗场图像的缓冲。

进一步地，所述传输单元包括USB传输芯片和以太网芯片；

USB传输芯片和以太网芯片均与ARM从控模块连接；

USB传输芯片通过USB mini接口与处理器连接，实现近距离暗场图像的传输；或者，以太网芯片通过以太网口与处理器连接，实现远距离暗场图像的传输。

进一步地，所述时钟信号为一对差分时钟信号。

进一步地，所述FPGA主控模块与CMOS图像传感器插座之间、USB传输芯片与ARM从控模块之间均通过传输接插件连接。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，采用辐照板、控制器与处理器分离的结构，避免辐射源对处理器中的器件造成损伤，影响测试结果；为粒子辐照后待测CMOS图像传感器饱和暗信号的测量提供技术支持。

2、本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，采用FPGA主控模块和ARM从控模块组成的主从控制处理方式，简化的软件设计的繁琐性，提高采集效率与传输质量。

3、本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，采用USB传输芯片和以太网芯片的传输方式，USB传输芯片通过USB mini接口与处理器连接，实现近距离暗场图像的传输，以太网芯片通过以太网口与处理器连接，实现远距离暗场图像的传输，通过UDP协议进行数据远距离传输提高了传输速度与数据传输质量，并且避免辐射源对人体造成损伤，还可以实现远距离与近距离传输的结合。

4、本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，辐照板上设计了CMOS图像传感器插座，便于器件的插拔，提高了系统的可重复利用性。

5、本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法，避免了现有的测试方法复杂且繁琐的操作，实现对待测CMOS图像传感器粒子辐照后暗信号短时间内的快速测量，以保证参数测试的时效性。

附图说明

图1为本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统实施例的结构示意图；

图2为本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统实施例中控制器的结构示意图；

图3为本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法实施例的流程图；

图4为本发明粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法实施例中待测CMOS图像传感器辐照前的平均暗信号随曝光时间的变化曲线图，横轴为时间，纵轴A处表示饱和灰度值。

图中附图标记为：

1-CMOS图像传感器插座，2-辐照板，3-支架，4-辐射源，5-排线，6-控制器，7-处理器。

具体实施方式

如图1所示，一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，包括设置于辐射场内的辐射源4、控制器6、支架3、依次设置于支架3上的辐照板2、CMOS图像传感器插座1，以及设置于辐射场外的处理器7；

辐照板2与CMOS图像传感器插座1电连接；CMOS图像传感器插座1用于安装待测CMOS图像传感器；待测CMOS图像传感器位于辐射源4的出射光路上；辐照板2与控制器6、处理器7依次电连接；辐射源4用于诱发待测CMOS图像传感器产生辐照损伤效应，导致待测CMOS图像传感器暗信号发生变化；控制器6用于提供待测CMOS图像传感器驱动信号及时钟信号配置到待测CMOS图像传感器的寄存器中，获得暗场图像；处理器7用于实现控制器6驱动程序的配置，更改待测CMOS图像传感器内部寄存器参数，实现曝光时间的设置，同时接收并处理待测CMOS图像传感器的暗场图像。

如图2所示，控制器6包括依次连接的采集单元与传输单元；采集单元与辐照板2电连接，用于采集待测CMOS图像传感器的暗场图像；传输单元与处理器7连接，用于将待测CMOS图像传感器的暗场图像输送至处理器7。

采集单元包括FPGA主控模块、与FPGA主控模块依次连接的ARM从控模块与DDR3数据缓存模块；FPGA主控模块与辐照板2连接；ARM从控模块与传输单元连接；FPGA主控模块用于产生待测CMOS图像传感器正常工作所需的驱动信号，同时产生时钟信号，完成待测CMOS图像传感器的寄存器和时钟的配置；ARM从控模块用于产生DDR3数据缓存模块的初始化及配置时序、数据读写操作相应的时序，控制DDR3数据缓存模块完成暗场图像的缓冲。

传输单元包括USB传输芯片和以太网芯片；USB传输芯片和以太网芯片均与ARM从控模块连接；USB传输芯片通过USB mini接口与处理器7连接，实现近距离暗场图像的传输，或者以太网芯片通过以太网口与处理器7连接，实现远距离暗场图像的传输。本实施例中，时钟信号为一对差分时钟信号CLK。FPGA主控模块与CMOS图像传感器插座1之间、USB传输芯片与ARM从控模块之间均通过传输接插件公头和传输接插件母头连接。控制器6与辐照板2通过排线5相连，将FPGA主控模块产生的驱动信号及时钟信号配置到待测CMOS图像传感器寄存器中，获得暗场图像。

USB传输芯片设计简单，传输距离短；以太网传输协议复杂，但可以进行远距离传输，FPGA主控模块与CMOS图像传感器插座1之间通过传输接插件公头和传输接插件母头连接，将缓存于DDR3中的图像数据通过USB mini接口传输至处理器7；处理器7与USB传输芯片通过USB数据传输线相连，控制待测CMOS图像传感器的曝光时间和寄存器参数的设置，选择连续采集或单帧采集模式，通过处理器7处理，获得待测CMOS图像传感器在辐照后饱和暗信号随曝光时间的变化曲线。

本发明系统软件主要由CMOS驱动时序设计、DDR3缓存时序设计和USB兼以太网传输协议组成，使用Verilog硬件描述语言，在FPGA主控模块和ARM从控模块内部实现各模块的功能；FPGA主控模块产生CMOS图像传感器40MHZ的时钟驱动信号INCLK，完成寄存器的参数定义，待对测CMOS图像传感器通过标准4线SPI对寄存器进行参数更改，同时接收16通道12bit的暗场图像。

其次，ARM从控模块产生DDR3数据缓存模块的初始化及配置时序、数据读写操作相应的时序，控制DDR3数据缓存模块完成暗场图像的缓冲，时序包括寄存器地址的选取(行地址、列地址和BA地址)、一对差分时钟信号CLK、16bit数据DQ的缓存和数据选通脉冲信号DQS，在DDR3图像数据缓存模块写入数据和读取数据过程中都会用到，数据的存储是在CLK的上升沿或下降沿触发。

最后，ARM从控模块驱动USB传输芯片按照USB3.0协议打包数据，将缓存在DDR3图像数据缓存模块中的暗场图像利用USB传输芯片通过USB mini接口内部DMA通道发往USBmini接口，USB mini接口将数据发送到处理器7，USB传输芯片的驱动程序主要包括地址选取、控制信号和32bit数据的传输。

如图3所示，一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法，基于上述一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，其特征在于，包括以下步骤：

1)试验前准备

将待测CMOS图像传感器感光面擦拭干净，将遮光纸贴在待测CMOS图像传感器表面，使待测CMOS图像传感器完全工作在暗场环境下。

2)获取辐照前暗场图像

通过处理器7设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，在不同曝光时间下开始采集待测CMOS图像传感器辐照前数据，获得辐照前暗场图像，并保存；

3)获取辐照后暗场图像

设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，在不同曝光时间下对待测CMOS图像传感器进行辐照，当达到待测CMOS图像传感器累积剂量点时，停止辐照，采集不同曝光时间下待测CMOS图像传感器辐照后数据，获得辐照后暗场图像，并保存；

4)处理辐照前暗场图像与辐照后暗场图像

4.1、计算辐照前暗场图像中每帧图像的平均暗信号，并作出辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线；

4.2、计算辐照后暗场图像中每帧图像的平均暗信号，并作出辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线；

4.3、对比辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线和辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线，可得辐照对待测CMOS图像传感器的影响，通过比较辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线和辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线的变化规律，可以分析待测CMOS图像传感器辐照损伤的原因；判断辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线的暗信号是否达到饱和；

若辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线随着曝光时间的增加，平均暗信号逐渐增加，一定曝光时间后，平均暗信号不再随曝光时间的增加而增加，则辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线趋于平稳，则达到饱和，该时曝光时间对应的平均暗信号即为饱和暗信号；

若未达到饱和，则重新设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，返回步骤2)。

优选地，步骤3)中，累积剂量点可以根据开展的辐照实验选择；步骤4.3中，暗信号的范围为22-255，饱和暗信号为255。

如图4所示，按照本发明测试方法测得的待测CMOS图像传感器辐照前的平均暗信号随曝光时间的变化曲线，当平均暗信号不随曝光时间变化时，所对应的的平均暗信号即为饱和暗信号。本发明测试方法，解决了现有的测试系统传输距离短，只能进行离线测试和测试方法过程繁琐，效率低的问题。利用处理器7处理得到辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线和辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线，当辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线和辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线平滑时，说明暗信号达到饱和，即为饱和暗信号，其中以太网作接口作为预留接口，以便进行数据的远距离传输。

Claims (10)

1.一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)试验前准备

安装待测CMOS图像传感器，并使待测CMOS图像传感器完全工作在暗场环境下；

2)获取辐照后暗场图像

2.1、设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，在不同曝光时间下对待测CMOS图像传感器进行辐照，当达到待测CMOS图像传感器累积剂量点时，停止辐照，开始采集不同曝光时间下待测CMOS图像传感器辐照后数据，获得辐照后暗场图像；

2.2、计算辐照后暗场图像中每帧图像的平均暗信号，得到辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线；

3)获得辐照后暗场图像的饱和暗信号

判断辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线的暗信号是否达到饱和；

若未达到饱和，则重新设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，返回步骤2.1；

若达到饱和，则得到该曝光时间下对应的暗信号，作为饱和暗信号。

2.根据权利要求1所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法，其特征在于，步骤3)中，所述暗信号是否达到饱和具体为：

若辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线随着曝光时间的增加，平均暗信号逐渐增加，则未达到饱和；若一定曝光时间后，平均暗信号不再随曝光时间的增加而增加，则该时曝光时间对应的平均暗信号即为饱和暗信号。

3.根据权利要求2所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法，其特征在于，步骤1)中还包括：设置待测CMOS图像传感器的曝光时间，开始采集不同曝光时间下待测CMOS图像传感器辐照前数据，获得不同曝光时间下辐照前暗场图像；计算辐照前暗场图像中每帧图像的平均暗信号，得到辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线；

步骤3)中还包括：对比辐照前平均暗信号随曝光时间的变化曲线和辐照后平均暗信号随曝光时间的变化曲线，获得辐照对待测CMOS图像传感器的平均暗信号影响，用于分析待测CMOS图像传感器的损伤原因。

4.根据权利要求3所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法，其特征在于：

步骤1中，使待测CMOS图像传感器完全工作在暗场环境下具体为：

将待测CMOS图像传感器感光面擦拭干净，将遮光纸贴在待测CMOS图像传感器表面，使待测CMOS图像传感器完全工作在暗场环境下；

步骤4.3中，所述暗信号的范围为22-255。

5.一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，用于实现权利要求1-4任一所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试方法，其特征在于：包括设置于辐射场内的辐射源(4)、控制器(6)、支架(3)、依次设置于支架(3)上的辐照板(2)、CMOS图像传感器插座(1)，以及设置于辐射场外的处理器(7)；

所述辐照板(2)与CMOS图像传感器插座(1)电连接；CMOS图像传感器插座(1)用于安装待测CMOS图像传感器且待测CMOS图像传感器位于辐射源(4)的出射光路上；

所述辐照板(2)与控制器(6)、处理器(7)依次电连接；

所述辐射源(4)用于诱发待测CMOS图像传感器产生辐照损伤效应，导致待测CMOS图像传感器暗信号发生变化；

所述控制器(6)用于为待测CMOS图像传感器提供驱动信号及时钟信号配置到待测CMOS图像传感器的寄存器中，并采集待测CMOS图像传感器输出的暗场图像；

所述处理器(7)用于实现控制器(6)驱动程序的配置，更改待测CMOS图像传感器内部寄存器参数，实现曝光时间的设置，同时接收并处理待测CMOS图像传感器的暗场图像。

6.根据权利要求5所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，其特征在于：

所述控制器(6)包括依次连接的采集单元与传输单元；

所述采集单元与辐照板(2)电连接，用于采集待测CMOS图像传感器的暗场图像；

所述传输单元与处理器(7)连接，用于将待测CMOS图像传感器的暗场图像输送至处理器(7)。

7.根据权利要求6所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，其特征在于：

所述采集单元包括FPGA主控模块、与FPGA主控模块依次连接的ARM从控模块与DDR3数据缓存模块；

所述FPGA主控模块与辐照板(2)连接；

所述ARM从控模块与传输单元连接；

所述FPGA主控模块用于产生待测CMOS图像传感器正常工作所需的驱动信号和时钟信号，完成待测CMOS图像传感器的寄存器和时钟的配置；

所述ARM从控模块用于产生DDR3数据缓存模块的初始化及配置时序、数据读写操作相应的时序，控制DDR3数据缓存模块完成暗场图像的缓冲。

8.根据权利要求7所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，其特征在于：

所述传输单元包括USB传输芯片和以太网芯片；

所述USB传输芯片和以太网芯片均与ARM从控模块连接；

所述USB传输芯片通过USB mini接口与处理器(7)连接，实现近距离暗场图像的传输；或者，所述以太网芯片通过以太网口与处理器(7)连接，实现远距离暗场图像的传输。

9.根据权利要求8所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，其特征在于：

所述时钟信号为一对差分时钟信号。

10.根据权利要求9所述的一种粒子辐照CIS后饱和暗信号的测试系统，其特征在于：

所述FPGA主控模块与CMOS图像传感器插座(1)之间、USB传输芯片与ARM从控模块之间均通过传输接插件连接。