星载差分吸收光谱仪CCD成像电路的设计及实施

王 煜,陆亦怀,赵 欣,司福祺

(中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031)



·光电技术与系统·

星载差分吸收光谱仪CCD成像电路的设计及实施

王 煜,陆亦怀,赵 欣,司福祺

(中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031)

星载差分吸收光谱仪通过获取地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光辐射,监测大气痕量气体的全球分布。载荷使用4片面阵CCD作为探测器,对地观测、实时测量紫外可见波段光谱信息。其中CCD成像电路是电子学部件的核心,该电路的设计除完成通用CCD成像电路功能以外,还针对卫星空间有限和航天元件受限等特殊情况,采用了单板四通道、数字像元合并的方案。本文讨论了载荷CCD成像电路的设计实施过程,并重点论述了单板四通道和数字像元合并的设计特点。

CCD成像电路；差分吸收光谱仪;卫星载荷;大气探测;空间遥感

1 工程背景及设计要求

1.1 工程背景概述

星载差分吸收光谱仪使用差分吸收光谱技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy) 探测大气成分,是环境监测和大气物理研究的有效手段,分被动型和主动型,成像型和非成像型。

国外光学遥感在环境监测中的应用发展很快,近年来,随着全球环境问题的日益突出,具有全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的遥感技术已成为全球环境变化监测中一种重要的技术手段。在对于大气痕量气体(包括污染气体)的测量方面,紫外/可见差分吸收光谱技术已成为一种非常有效地遥感手段。其采用太阳光、天空散射光作光源,可应用于不同平台对大气痕量成分开展测量,星载DOAS载荷从空间对整个地球的大气环境进行监测。

欧洲1995年发射的卫星(ESR-2)上搭载了首台基于差分光学吸收光谱技术的全球臭氧测量系统(Global Ozone Monitoring Experiment,GOME)[1]。通过测量地球反照辐射,在测量O3的同时,可以利用它的数据反演全球NO2、SO2、BrO等气体的时空分布图。在取得GOME成功经验后,欧洲在2002年初发射的ESA ENVISAT卫星上搭载了SCIAMACHY(Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY)[2]大气探测扫描差分吸收光谱系统,标志着欧洲在利用空间测量技术研究大气环境迈出了坚实的一步。SCIAMACHY卫星能够以天底、临边和掩星等三种几何模式测量大气中O3、BrO、SO2、NO2、CO、CO2、CH4等十几种气体成分,以及气压、温度、气溶胶和云的总量与分布。SCIAMACHY仪器的核心反演方法是差分光学吸收光谱(DOAS)解析方法。尽管针对浓度反演的模型和算法,以及数据有效性的评价在不断的完善中,已经取得的数据为人们理解大气的物理和化学过程提供了客观的判据。2004年初计划发射EOS-Aura卫星上搭载了荷兰-芬兰天底观测光谱仪全球O3监测系统(Dutch-Finnish nadir-pointing spectrometer OMI),采用差分吸收光谱(DOAS)的方法,主要测量O3、NO2、HCHO、BrO和OClO等气体组分,以及测量地球反射率和太阳辐射。

在国内,结合环境保护的卫星遥感大气监测工作目前还处于起步阶段,应用于大气相关参数反演的载荷主要在风云卫星系列上,在轨已有波段式载荷可完成臭氧等污染气体的监测,但是目前尚没有发射高光谱分辨率卫星用于对流层主要污染物(包含二氧化氮、二氧化硫、甲醛、氧化溴和气溶胶等)同时进行探测的卫星载荷,不能获得多种大气气体成分的高分辨时空分布信息。

近年来,我国航天事业飞速发展,卫星应用体系更加完备。应用部门迫切需要我国自己的星载环境监测设备。本文述及的某型号卫星就是装备了一系列大气环境监测设备的卫星。差分吸收光谱仪是该卫星的主要载荷之一,星载差分吸收光谱仪是一种推扫式成像光谱仪,具有高分辨率、宽光谱范围、大视场角的特点,能够同时记录被测对象的光谱信息和空间信息,其运行在太阳同步轨道,地面观测范围穿轨方向2600 km,能够实现一日全球覆盖。

卫星发射成功后,星载的差分吸收光谱仪将为环保部门提供更加详实的数据,也为我国气象、环境、大气物理等领域的科学研究提供资料。

光谱仪载荷的电路部分包括供电、指令、电机、数管和CCD成像电路,其中CCD成像电路是光谱仪的核心部件。本文将具体介绍CCD成像电路的设计和实施,并重点叙述其“4路单板”结构和“数字像元合并”功能。

1.2 差分吸收光谱仪整体设计

星载差分吸收光谱仪通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见辐射来解析痕量污染气体成分(如NO2、SO2、O3等气体)的分布和变化。仪器的光谱范围为240～710 nm,采用了基于凸面光栅的四通道(240～315 nm、311～403 nm、401～550 nm、545～710 nm)光谱探测。仪器的前置导入光学系统没有采用常用的摆扫机构,而是利用包括两片偏轴球面镜的宽视场前置望远镜,在穿轨方向形成114°大视场。仪器在太阳同步轨道进行天底观测、面阵推扫,幅宽为2600 km(如图1所示),可近似实现一日全球覆盖监测。

图1 星载差分吸收光谱仪对地观测方式

图2为大气痕量气体差分吸收光谱仪的光学系统示意图。自地球大气或地表散射、反射的光信息通过系统的前置望远镜会聚后,进入中继光学系统。中继光学系统利用分色片进行分光,将各通道对应谱段的光反射会聚进入相应通道的Offner结构成像光谱仪,在光谱仪内色散成像到面阵CCD探测器上,从而获取高光谱分辨率、高空间分辨率的光谱信息。

图2 星载差分吸收光谱仪光路结构简图

由图2可见,星载差分吸收光谱仪CCD采用了4片面阵CCD以达到更大的光谱分辨率,将紫外到可见的光谱分为了4534条谱线(1024×2+1243×2)。

作为光谱测量的设备,和观察设备不同,图像的分辨率要求不高,但对每一个成像点的信号动态范围要求很大,也就是要求低分辨、高精度。为此,CCD的每个像元要具备更深的势阱,以提供更大的动态范围。为此选用英国E2V公司的紫外CCD产品CCD-47-20,和可见光谱段的CCD-55-30[3-4]。CCD-47-20具有120000满阱电荷容量,CCD-55-30具有600000的满阱电荷容量,典型读出速率为2 MPixel/s,满足光谱仪高精度,低速度的要求,动态范围达到14 Bit。

卫星在轨工作时,因为地面辐照度的变化,光谱仪需要调整曝光时间。设定曝光时间为0.5 s,1 s,2 s和4 s。

各个谱段的光谱响应度不一样,即使对同一目标,不同CCD的曝光时间也有可能不一致,这样,就要求4个CCD独立工作,各自发生自己的时序。

另外CCD成像过程中要有像元合并(Binning)功能,设置了两档Binning级数。关于Binning功能的意义将在下一章详细叙述。

作为星载设备,CCD成像电路需要与卫星建立通讯接口。由于卫星数据接口资源有限,只能给差分吸收光谱仪分配一个LVDS数据接口,CCD成像电路需要将四个CCD的图像数据合并后经由一路LVDS发送到卫星的数据传输单元,再下发到地面接收站。

CCD成像电路同时需要接受星上的指令,轨道参数以及设备参数,将这些参数编码到图像数据包中下发。这些数据是卫星经1553-B总线发送给差分吸收光谱仪载荷的中控计算机,中控计算机再通过RS-422总线把CCD成像电路所需的指令和参数传输到CCD成像电路。表1列出了CCD成像电路的主要设计要求。

2 方案设计

2.1 总体方案概述

根据上一节的技术要求,考虑航天器件的选择范围。本设计采用Xilinx的FPGA器件完成逻辑和通讯功能,AD公司的14 Bit相关双采样+A/D 芯片完成模数转换功能。其他电路还包括配电电路,通讯接口电路等,结构如图3所示。

表1 CCD成像电路主要技术要求

图3 CCD驱动电路整体框图

图3的电路中,每个CCD成像电路包括驱动时序发生器、A/D转换器、数据采集逻辑、数据存储器。驱动时序发生器根据操作指令,产生相应的11路时钟。11路时钟经驱动器驱动CCD工作。CCD输出的视频信号经A/D转换后,成为数字图像信号,缓冲到两个RAM构成的乒乓缓冲器,每次缓冲一行数据。

通讯适配器在发现某一路CCD的数据区完成了一行数据的缓冲后,将其读出并填写行序号和场同步用于地面的数据接收方恢复图像。通讯适配器还要填写轨道信息、卫星姿态信息、CCD温度数值等,按卫星接口的格式要求打包成一包数据,经并/串转换器转为串行数据,再由差分发送芯片转为LVDS电平传送到卫星通讯控制单元。通讯适配器包括轮询机制、优先级分配器、字节填充机制和一个并/串转换器。

指令接收缓存单元负责与光谱仪的中控计算机通讯,接收指令数据和卫星参数,提供给时序发生器和通讯适配器。

另外,配电单元产生CCD的各种工作电压和CCD成像电路自身需要的电源。

图中的点化线框内是数字逻辑部分,由FPGA实现。其余部分由对应的专用芯片实现。

2.2 单板电路和6板电路的方案选择

根据上节的框图,可以将每一个CCD成像电路做成一块电路板,每个电路获得的CCD图像数据发送到通讯适配器上,通讯适配器作为单独的电路板,放在卫星舱体内,可以做冗余备份。这种方案使用6片FPGA和6块电路板,称作“4路-6板方案”,如图4所示。

图4 4路-6板CCD成像电路方案结构图

再有一种方案是这个4路CCD成像电路做在一张电路板上。全部逻辑电路功能由1片FPGA实现。这种结构成为“4路单板结构”,如图5所示。

图5 4路-单板方案结构示意图

比较以上两个方案,可以发现,单板方案使用一个FPGA,一个电路板,结构简单,电缆数量少,机箱数量少,但不能做通讯适配器的备份。6板方案可以做出备份的通讯适配器,但使用了6片FPGA,电缆数量,接插件数量和机箱都相应增加。在选择方案时,首先要计算一下通讯备份能否增加可靠性,因为虽然6板方案备份了通讯适配器,但是也增加了器件数量,是否真正提高可靠性,需要结算得知。计算时,因为两种方案除FPGA单元的数量不同以外,其他元件都一样,所以只考虑FPGA单元引起的整机失效概率。一个FPGA单元包括FPGA芯片,为其供电的电源芯片,为其提供主频的晶体振荡器和配置ROM。

不同的FPGA单元失效概率下,整机的综合失效概率如图6所示。

图6 不同FPGA失效概率下,整机的失效概率

图中横坐标为FPGA单元的失效概率,纵坐标为整机综合失效概率,Mode1为单板方案,Mode 2为6板方案。

图中可以看出,在FPGA失效率高的情况下,单板可靠性高,在FPGA失效率低的情况下,6板的可靠性高。FPGA失效率小于5%时,两种方案实际区别不大。

另外说明一下这里的整机综合失效率的概念。在计算整机失效率的时候,如果任意一路CCD失效,即认为整机失效,那么肯定是单路方案失效率最低。如果4路CCD都失效才认为整机失效,那么无需计算,肯定4路方案的失效率最低。显然,这两种计算方式都有失偏颇,考虑到实际应用价值,这里引入了整机综合失效率的概念。当一路失效时,认为整机还有75%的使用价值,2路失效时整机还有50%的使用价值,因而对每一路可靠性赋予25%的权重。

将实际工程参数带入数学模型得到单板的8年综合可靠度0.995,6板结构的综合可靠度为0.997。两种方案都满足整机的可靠性设计要求。既然可靠性区别不大,单板方案节省空间和重量的优势就非常明显。

对于多CCD的星载设备,将多个CCD成像电路合并在一张电路板上的做法并不常见。这种单板方案,在可靠性区别不大,但需要提高设备集成度和减小设备体积时有重要意义,也是本设计的特点之一。

2.3 像元合并功能的分析和设计实施

不同于观察用图的CCD设备,光谱仪使用CCD探测器作为测量设备。测量设备对分辨率没有高要求,但对精度要求很高,这类CCD追求每个像元具有大的动态范围和高信噪比,但不要求速度。为此,测量用CCD通常具有大面元、深势阱和慢速的特点。比如该项目使用的CCD-55-30器件具有13 μm面元,600000电荷容量。OMI使用的CCD-55-20也具有同样的特点。

之所以测量用CCD追求大面元、深势阱是因为像元输出的动态范围是由其信噪比决定,影响信噪比的一个重要因素是散弹噪声的大小。在其他因素不变的情况下,散弹噪声决定了CCD的信噪比,其表达式如下：

(1)

其中,SNR为探测器的信噪比;n为探测器接收的粒子数量。式(1)可以看出CCD每个面元接收的电荷数越多,其信噪比就越高。

为了达到更高的信噪比,CCD就尽可能地把像元做得更大,把势阱做得更深。但是限于制作工艺和半导体器件的特性,势阱容量是有限的。在不能达到使用要求的情况下,驱动电路会引入像元合并机制,即CCD的Binning功能。Binning是通过把若干像元的电荷合并在一起,提高单一探测点的电荷数量。

这种做法实际上是牺牲空间分辨率来换取更高的信噪比。这种方式在成像光谱的测量中很常用,通常是对采集到的图像做多行的累加形成一行数据,这个工作一般是在后期的计算机图像处理时完成。

根据本项目中差分吸收光谱仪的参数,每一个成像点的长度是13 km(2 s飞行时间的曝光区域),宽度设计为11.2 km和22.4 km两档,对应4个像元和8个像元的宽度。这样CCD成像电路就需要设计4-Binning和8-Binnging的功能。

CCD器件大多具备行Binning 和列Binning 的功能,文中的光谱仪,因为安装时,CCD水平方向平行于卫星飞行方向,在做地理维的像元合并是就需要做行Binning。操作方法很简单,以 4-Binning为例,只要驱动时序每做4次行转移,将4行的电荷打入最后一行(读出寄存器行)中,再做一次水平读出即可。但是这样需要CCD最后一个读出行的像元势阱深度至少是正常成像像元势阱深度的4倍。否则,如果参与合并的4行中的像元接近满井,到最后一级就可能溢出。

国外同类卫星载荷(如OMI)间距均采用Binning方式工作,为了Binning的需求,向CCD厂家定制了加深读出行势阱的CCD探测器。而本项目无法获取该类型探测器,所采购的CCD并不具备4倍势阱深度的读出寄存器行。这样就不可能实现全部曝光条件下的Binning功能,为实现像元合并功能,设计上采用了数字像元合并的方式。以4行数字合并为例,每行像元正常读出,将读出的第一行数据存储在RAM中,在第二行读出时,每个像元读出的数据和第一行对应位置的数据相加后存入RAM,第三行读出时将读出的数据与前两行的和相加,最后第四行读出并与前3行累加后发送给通讯适配器作为一行数据下传。本设计的数字合并功能具有4-Binning和8-Binning 两档。

可见数字像元合并方式是借助于CCD片外的逻辑电路和存储器实现了信号累加的功能,模拟的像元合并方式是在CCD片内将电荷直接累加。这里,称数字像元合并方式为“数字Binning”,模拟的像元合并方式成“模拟Binning”或“Binning”。

这种数字合并像元的方式,与模拟合并像元的方式一样,目的是提高信噪比,并减少了卫星数据通道带宽的消耗。但是数字方式也不能完全等同模拟方式,因为数字方式本身需要CCD信号读出是逐行读出,所以读出频率是模拟方式的4倍(以4-Binning为例)。众所周知,CCD的读出噪声也是影响信噪比的因素,读出噪声随读出频率急剧上升。所幸逐行读出的频率也远低于CCD正常工作的上限,尚不至影响太大,但不如模拟Binning效果好。实际测试结果如图7所示。

图7 模拟Binning 和数字Binning的信噪比比较

图8显示了不同波长下的两种Binning方式的信噪比对比。虚线为模拟4-Binning模式,实线为数字4-Binning模式(也称4平均模式),横坐标是光谱的波长。由图可见数字Binning的信噪比要小于模拟Binning。

当然,模拟Binning功能在本设计中依然保留,其实际效果还需要未来设备在轨运行时评估。这种数字Binning的方式,为无法实现模拟Binning的CCD提供了一种解决方案,是本设计特点之一。

2.4 热设计及实验数据

单板的方案比6板的方案总的体积虽然减少了,但是单板的体积加大,主要因为4路CCD的A/D芯片,电源芯片都集中在一块PCB上。实际产品PCB尺寸为40cm×20cm,这样对整板散热提出了更高的要求。每个CCD需要8种不同的电压。这些电压都由二次电源稳压产生,加上成像电路本身所需的电压,电路板上集成了36个稳压器。这36个稳压器和板上的4片A/D以及一片FPGA芯片是功耗较大的器件。为提高散热效率,所有稳压器都采用TO-257封装,器件自带散热片。设计将这些稳压器都分布在电路的边沿,散热片均通过螺钉固定在铝合金的机箱上。A/D和FPGA芯片也预留了局部冷板的安装空间。

热平衡实验的结果表明,全部器件在高温工况下,最高不超过11 ℃,且整板的热量分布均匀。测试结果如表2所示。

表2 光谱仪CCD成像电路板及 机箱热平衡实验总结

3 工程实施及实验结果分析

本文论述的电路,使用挠性电路板连接CCD和成像电路板,成像电路使用6层PCB完成布线,封闭式机箱增加抗辐照效果。LVDS数传接口做两路交叉备份。

作为星载电子产品,电路设计要满足真空、辐照条件下工作的要求,且需要具备高可靠性。这类设计已有航天产品的设计规范,在电路设计和器件选择上都有严格规定,在这里不做详述。

该电路经原理样机,工程样机阶段现已完成初样产品的生产。各项单机测试结果正常,整星联调也已通过,并交付总体单位。

测试结果表明,成像的分辨率和信噪比均符合设计要求。表3列出了光谱仪空间分辨率的测试结果：

表3 大气痕量气体差分吸收光谱仪垂直 飞行方向分辨率检测结果

4 工程的总结及展望

本文述及的差分吸收光谱仪CCD成像电路是星载项目的一部分,该电路是第一款国内自主研发设计的,用于差分吸收光谱仪的CCD成像电路。差分吸收光谱仪是探测大气痕量气体的有效手段,还将在后续的卫星上搭载。本项目的电路研发工作,不仅满足了目前这发卫星的载荷要求,也为未来的此类星载光谱仪电路提供了样本。

在民用产品方面,以往国内的成像型差分吸收成像光谱仪产品均采用国外的工业CCD相机作为焦面电路。本文述及的CCD成像电路,装配到国产差分吸收成像光谱仪的焦面电路,具有极高的推广价值。目前设计人员已经着手将现有设计做模块化分解,增加USB通讯接口,以太网通讯接口,485通讯接口等,计划形成单通道,双通道,四通道,不同接口,可配装不同规格面阵CCD的系列产品,以更大范围内替代国外进口产品,并逐渐进入工业CCD相机领域,实现科技成果的民用产品转化。

[1] John Burrows,Mark Weber,Michael Buchwitz,et al.The global ozone monitoring experiment (GOME):mission concept and first scientific results[J].Journal of the Atmospheric Sciences,1999,56(2):151-175.

[2] H Bovensmann,J P Burrows,M Buchwitz,et al.Sciamachy:Mission objectives and measurement modes[J].Journal of atmospheric science,1999,56(2):127-150.

[3] E2V Company.CCD47-20 Datasheet[EB/OL].(2007-09)http://www.e2v.com/resources/account/download-datasheet/1427.

[4] E2V Company.CCD55-30 Datasheet[EB/OL].(2006-03)http://www.e2v.com/resources/account/download-datasheet/1274.

Design and implementation of CCD imaging circuit for satellite-borne DOAS spectrometer

WANG Yu,LU Yi-huai,ZHAO Xin,SI Fu-qi

(Key Laboratory of Environment Optics and Technology,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Science,Hefei 230031,China)

Satellite-borne DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy) spectrometer utilizing 4 array CCDs can monitor the spectrum of atmosphere in real-time.In this spectrometer,the CCD imaging circuit is the core of electronic device.The circuit has general functions of CCD imaging circuit,and uses “4-in-1” and “digital binning” schemes aiming at the space limitation of satellite and the supplies of aerospace components.In this article,the design and implementation of the circuit is described,and the characteristics of the “4-in-1” and “digital binning” schemes are mainly discussed.

CCD imaging circuit;DOAS;satellite payload;atmospheric detection;space remote sensing

1001-5078(2015)06-0663-06

国家自然科学基金(No.41275037);安徽省杰出青年科学基金(No.1308085JGD03)项目资助。

王 煜，男，研究员，博士生导师，主要从事航空航天遥感器电子设备研发工作。E-mail：yuwang@aiofm.ac.cn

2014-10-11

TH74

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.013