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CCD温度对星敏感器定位精度的影响
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时间:2014-11-10 15:12:48

        星敏感器是一种高精度的姿态测量器件,通过探测太空中不同位置的横行来确定卫星姿态,提供航天飞行器相对与惯性坐标系的三轴姿态。CCD星敏感器是以CCD芯片为光电探测系统的核心成像原件,其基本工作原理是以恒星为参照物,利用科学级CCD相机拍摄到的星图,经过恒星质心提取、星图识别和姿态估算等一系列计算,确定出星敏感器的视轴在天体空间的瞬时指向,从而确定飞行器的姿态。

        在CCD星敏感器完成一次测量过程中,星点提取精度的大小对最终的测量结果有着较大的影响。CCD噪声是影响星敏感器点定位精度的误差源之一,CCD工作温度是影响CCD噪声的重要因素,研究CCD工作温度对星点定位精度的影响,对于提高星敏感器姿态测量精度有着重要的意义。

        CCD噪声有两个来源方面,一个是CCD渐渐本身所固有的噪声,如暗电流噪声、电荷转移噪声等等,在一个就是CCD工作中的各种噪声干扰,如KTC噪声等。在CCD中存在以下几种主要噪声:

        (1)光子噪声:此种噪声是有光子的性质决定的,通常在低照度摄像时会比较严重。

        (2)散粒噪声:散粒噪声于频率无关,在所有频率范围内有均匀的功率分布。在低照度、低反差条件下,当其他噪声被各种方法抑制后,散粒噪声将成为CCD的主要噪声,并决定了器件的极限噪声水平。美国的QSI相机就能克制这种噪声。

        (3)转移噪声:CCD中的点好报的电荷未进行完全转移,一部分电荷残留在里面,后来成为电荷抱的噪声干扰。引起转移噪声的根本原因是转移损失、界面态俘获和体态俘获。

        (4)暗电流噪声:暗电流分为扩散暗电流和表面暗电流。扩散暗电流产生于CCD的导电沟道区域,其扩散长度越短,暗电流越大,表面暗电流是指一个电子能够在热激发下从界面态越跳到导带,形成自由电子后又被势阱当做暗点和收集起来形成了电流。这种电流即使在无光的情况下也存在。

        当存在CCD噪声时,由于CCD噪声的影响,使得计算的星点质心与真实位置出现偏差。而多次实验得知,适当降低CCD的工作温度,可有效提高星点定温精度。一般来说,采用热电制冷技术将星敏感器的探测期间的工作温度控制在其适当的范围,可有效提高星敏感器的定位精度。

        美国QSI相机(Quantum Scientific Imaging)公司生产的科学级、热电制冷CCD相机广泛应用于天文学、医学和工业成像等领域。QSI相机有着优越的性能,宽动态范围、良好的线性度、很低的噪声和创新的设计。目前QSI相机正在其经验基础上研发新一代科学级数码相机以满足市场需求。

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