CCD視頻信號處理器件單粒子效應試驗

張旭輝 王媛媛 董建婷 汪洲 王殿中,2

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CCD視頻信號處理器件單粒子效應試驗

張旭輝1王媛媛1董建婷1汪洲1王殿中1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）

文章利用重離子地面模擬源，采用圖像分析方法，開展了CCD視頻信號處理器件單粒子效應系統性試驗與測試研究。首先介紹了器件單粒子效應（SEE）試驗方案、試驗測試系統組成；然后通過試驗研究獲得了器件單粒子翻轉（SEU）和單粒子鎖定（SEL）特征參數，評估了視頻信號處理器件單粒子翻轉、單粒子鎖定效應對系統成像性能的影響。試驗結果表明：地面試驗測試系統可有效實時判斷、統計該器件單粒子效應發生事件，并能直觀實時觀察到單粒子事件發生時遙感圖像的變化；視頻信號處理器件隨著重離子LET值增大，其單粒子截面呈增加趨勢，器件對重離子誘發的單粒子效應比較敏感；單粒子鎖定對光學遙感器成像任務的危害程度高于單粒子翻轉。最后給出了采取單粒子鎖定防護建議。

視頻信號處理器件 單粒子效應 試驗 重離子 航天遙感

0 引言

隨著電子技術和衛星光學遙感技術的不斷發展，光學遙感器電子設備中使用了集成度高、工藝復雜的現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）、可編程只讀存儲器（Programmable Read-Only Memory，PROM）、CCD視頻信號處理器等大規模集成電路，但同時空間環境中以單粒子效應為代表的輻射效應也對這些器件的可靠性造成了嚴重威脅[[1-3]，從而使在軌設備或系統面臨發生故障甚至任務失敗的風險[4-5]。近年針對FPGA、PROM的單粒子效應分析、試驗測試技術研究逐漸深入，獲取了較為成熟的單粒子效應試驗、檢測及評估方法[6-9]，而對CCD視頻信號處理器件的單粒子效應試驗研究報道較少。視頻信號處理器件是光學遙感器光電信號處理系統的關鍵器件，其器件內部一般集成了相關雙采樣（CDS）、可調增益放大（PGA）、暗電平鉗位校正、參考電壓、AD轉換、輸出緩沖、串口配置、時序邏輯發生等模塊，其中相關雙采樣和AD轉換模塊是最主要的模塊，也是大多數CCD視頻處理器件的必備模塊。視頻信號處理器件至少包含CMOS模擬開關、運算放大器（比較器，增益放大）、CMOS邏輯器件等對單粒子效應敏感的電路單元，單粒子效應可能會引起CCD視頻信號處理器件的性能參數（轉換精度、誤碼率、功耗等）退化、甚至功能失效，最終使遙感器圖像失真、直至圖像功能喪失[10]。本文針對光學遙感器光電信號處理系統中使用的CCD視頻信號處理器件，選擇ADI公司生產的AD系列器件作為試驗研究對象，利用重離子地面模擬源，采用圖像分析方法，開展了器件單粒子效應系統性試驗與測試研究，評估了視頻信號處理器件的單粒子效應敏感性及其單粒子翻轉、單粒子鎖定效應對系統成像性能的影響。

1 試驗測試系統

1.1 試驗方案

試驗器件采用ADI公司生產的視頻信號處理器件（型號AD9942，14 bit數字量化，雙通道），工作電壓3.3V，最大相關雙采樣頻率為40MHz，質量等級為工業級。試驗器件試驗前做專業開帽處理[7]，以保證重離子能夠射入器件靈敏區內。

針對CCD視頻信號處理器件，建立單粒子效應試驗測試系統[11-12]。試驗測試系統包括重離子輻射源設備、CCD模擬信號源電路、信號處理電路、數據轉換電路、電源轉換及監測電路、數據采集記錄設備、遠程監控系統及測溫系統等。試驗器件位于信號處理電路中。

電路性能指標：電源為±5V，3.3V；信號頻率為12MHz；數據合成頻率為72MHz。

信號處理電路置于真空靶室內，在真空條件下，試驗器件接受重離子輻照。輔助電路就近放置在真空靶室外的輻照試驗室內，用鋁盒進行屏蔽，防止電磁干擾。

試驗測試系統布局如圖1所示。

試驗過程中，通過單粒子效應檢測軟件，統計單粒子效應事件，并通過觀測器件電源端電流、系統圖像數據及圖像變化，對單粒子翻轉（SEU）、單粒子鎖定（SEL）進行識別判定，最終獲取器件單粒子翻轉和單粒子鎖定特征參數。

（1）試驗電路設計

CCD模擬信號源電路模擬4 096元CCD探測器輸出的視頻信號，同時提供采集CCD視頻信號所需的時鐘、行同步、幀同步等數字信號。CCD模擬信號的輸出幅值和頻率可以根據需要進行設置調整。

信號處理電路中包含視頻信號處理器件（AD9942）、濾波放大器、FPGA、電源芯片等器件，實現信號模數轉換、電源轉換濾波、數據緩沖、數字數據格式轉換等功能。其中，4只雙通道視頻信號處理器件對應于4 096元線陣探測器CCD（8×512）的8通道視頻輸出，實現視頻信號的采集處理。

電源轉換及監測電路為各電路提供所需的各種電源并對器件工作電流進行監測，同時實現RS422接口信號轉換。電流超過正常范圍切斷輸入電流，直至單粒子事件消除后恢復供電。

數據轉換電路將視頻處理器件輸出的CCD圖像數據轉成數據采集記錄設備所需的數據格式，通過Cameralink圖像傳輸接口輸出。

（2）數據采集記錄設備

采用加拿大公司的CLFC Full圖像卡實現高速大數據量圖像數據采集記錄，其數據采集記錄設備及其軟件具有數據實時記錄顯示、數據回放及處理、圖像處理等功能，滿足試驗中數據采集和記錄等需求。采集存儲系統結構見圖2。

圖1 在線試驗測試系統連接示意

（3）遠程監控

通過RS422串口通訊接口信號轉換接口，實現對信號處理電路的遠程控制，通過網線傳輸實現對測試數據的遠程監測。

（4）測溫系統

采用熱電偶及溫度數據采集設備實現電路中FPGA、視頻處理器件等關鍵器件殼溫的實時測量，其測試數據用于分析試驗過程中溫度敏感器件工作溫度的穩定性。

（5）輻射源

試驗選用HI-13串列靜電加速器[13]，選用4種不同線性能量傳輸（Linear Energy Transfer，LET）值的重離子進行試驗，試驗離子參數見表1。

圖2 采集存儲系統結構

表1 重離子參數

Tab.1 Parameters of heavy ion

1.2 測試方法

通過單粒子效應測試軟件[12,14]獲取單粒子事件信息，通過測試和分析器件電源輸入端工作電流的變化進一步區分SEU或SEL單粒子事件類別[15]。

測試軟件包括下位機和上位機兩部分，下位機部分通過信號處理電路中FPGA預置的像元灰度（Digital Number，DN）均值和正常變化范圍實現對8個CCD通道發生單粒子事件的實時判斷，并增加了對每個通道的統計位，用以記錄各通道事件次數的累加統計值，隨數據一起通過串口傳輸至監控計算機（上位機）；上位機部分實現視頻圖像的快視并將數據實時傳輸到磁盤陣列進行記錄，為便于數據回讀及分析，在通用視頻數據采集軟件Stream 5.0版本的基礎上進行二次開發，使軟件可以獨立于下位機輸入均值和正常變化范圍，統計試驗過程中圖像數據的所有溢出，并將溢出像元的灰度值及其所在行列號，記錄成txt文件備查。只要出現數據值溢出，即可通過界面消息顯示，獲取單粒子事件信息。

CCD圖像數據通過信號處理和數據轉換后進入數采設備（IO公司的CLFC采集卡），并最終由網線傳送到監控計算機，監控計算機監控界面可同時顯示單粒子翻轉信息、圖像數據，并可切換顯示相對應的快視圖像，每行數據為4 104列，其中0~7列為器件單粒子翻轉通道統計位，8~4103列為CCD器件（8×512）4 096個像元圖像數據量化DN值顯示位。圖像數據區可顯示灰度圖像，也可切換為顯示圖像的原始數據。

考慮器件的實際工作狀態和環境噪聲，軟件對器件高9位的數據信息是否溢出進行判別（其余位因噪聲因素等視為等概率事件），通過監控計算機界面獲取單粒子事件信息。

此外，通過回讀事件發生時刻的圖像數據并與已知數據比較，對單粒子事件結果進行再確認，以防止虛警情況發生。

電源端工作電流通過電源監測電路獲取，試驗前，通過穩壓直流電源預先設置過電流保護值，實現系統過流保護功能。

當發現器件電源電流超過正常范圍時，記錄發生過流現象的時間和次數。根據過流現象發生的時間調取當時的圖像數據，確定單粒子鎖定的發生及對成像功能的影響。

正常情況下，器件電源輸入端工作電流：365mA（4只器件總電流），預設過流保護值1.25A；器件高9位的像元DN值（模擬輸入600mV）：5 503±127（均值5 503，變化范圍5 376~5 630）。

2 試驗結果及分析

2.1 單粒子事件現象分析

試驗過程中觀測到器件發生單粒子效應的故障模式主要表現為器件電源端電流增大、圖像輸出異常，圖像輸出異常表現為圖像灰度變化及無輸出。

單粒子翻轉發生時，可觀測到單個、多個像元圖像數據DN值的變化的情形，器件電源端工作電流處于正常波動范圍362~365mA。

單粒子鎖定發生時，可觀測到圖像數據DN值整行輸出交替變化及DN值輸出為0的情形，器件電源端工作電流明顯變化，最小480mA，最大1 000mA。

試驗過程中器件均發生了單粒子翻轉和單粒子鎖定事件。

圖3為器件發生單粒子翻轉時典型的軟件識別數據、圖像（多幀）、圖像數據及其對應的部分圖像界面（單幀）。從監控界面可以看到器件在試驗過程中發生了1次單粒子翻轉（圖3（a）），其對應的圖像數據量化值溢出正常范圍，DN值為5 211，在圖中數字2 558列，對應CCD的第2 051個像元（圖3（b））。

圖4為器件發生單粒子鎖定時典型的軟件識別數據、圖像（多幀）、圖像數據及其對應的部分圖像界面（單幀）。從監控界面可以看到器件（對應圖中第3列數據）發生了1次單粒子鎖定（圖4（a）），其對應的圖像數據量化值溢出正常范圍，DN數值為0，在圖中數字1 544~2 056列，對應CCD的第1 537~2 048個像元（圖4（b）），發生1次單粒子鎖定對應的快視圖像與試驗前相比發生了明顯變化，無單幀圖像輸出，顯示黑條（圖4（c））。鎖定時監測到器件電源端工作電流647mA。

圖3 典型單粒子翻轉事件監控界面

從系統圖像故障模式可以看出，單粒子翻轉引起單個像元的圖像數據發生變化時，其對系統圖像的影響甚微，而單粒子鎖定一旦發生，多個像元圖像數據連續變化，對圖像的影響則顯而易見，其影響程度更甚。

2.2 試驗數據分析

對試驗過程關鍵器件（FPGA、AD9942）溫度數據及環境溫度數據進行處理，獲取試驗過程溫度變化曲線，如圖5所示。數據處理結果顯示，試驗過程關鍵器件溫度相對穩定，不會對器件性能和試驗結果產生影響。

對試驗過程中多種離子相應注量下的單粒子事件數（鎖定與翻轉）進行統計，可計算出單粒子事件截面

()=()/() （1）

式中為不同LET離子的種類數；()為第種LET離子的單粒子事件截面；()為第種LET離子測得的單粒子事件數；()為第種LET離子的總注量。

圖5 關鍵器件溫度數據變化曲線

單粒子事件截面見表2。

表2 器件單粒子事件截面

Tab.2 SEE cross section of the component

根據重離子參數及單粒子事件截面數據，獲取器件單粒子截面與入射離子LET的關系，見圖6。

從圖6中可以看出，隨著入射離子LET值的增加，其單粒子截面呈增加趨勢，器件對重離子誘發的單粒子效應比較敏感，單粒子翻轉LET閾值小于4.43MeV·cm2·mg–1，單粒子鎖定LET閾值在4.43～9.43 MeV·cm2·mg–1之間。

3 結束語

研究結果表明，試驗測試系統可有效實時判斷、統計單粒子效應發生事件，并能直觀實時觀察到單粒子事件發生時用信號灰度值表達的遙感圖像的變化；隨著入射離子LET值的增加，其單粒子截面呈增加趨勢，器件對重離子誘發的單粒子效應比較敏感，器件單粒子鎖定對光學遙感器成像任務的危害程度高于單粒子翻轉；對于LET閾值不能滿足任務要求的器件，采取防護措施是必要的[12]。

實際工程應用中，需從應用角度結合單粒子效應對系統性能的危害程度及系統所擔負的任務，突出重點，解決電路的空間環境適應性問題。除選用單粒子免疫的加固器件外，應主要在軟、硬件方面進行電路加固設計或系統冗余實施防護[10]。

根據視頻處理器件單粒子試驗結果，應對危害極大的單粒子鎖定進行重點防護[15]，有效的防護措施主要有兩方面，一方面通過合理設計減少出現SEL的概率，另一方面是SEL發生后，有效抑制SEL現象，并防止其造成的危害擴大化。

值得說明的是，不管是主動減少SEL的設計措施還是采用被動的SEL擬制措施，都應和電路、系統進行融合嵌入式設計，以達到既能實現系統任務功能又能避免或解除單粒子鎖定的雙重目的。

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Study on Single Event Effect Test of CCD Video Device

ZHANG Xuhui1WANG Yuanyuan1DONG Jianting1WANG Zhou1WANG Dianzhong1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

The system test research of single event effects on CCD video signal processor was carried out byheavy-ion source and image analysis method in the paper. The structure of test system and the test schemes were detailedly introduced at first. Then the SEU/SEL characteristic parameters were acquired, and the SEE/SEL effects on the imaging performance of the system were evaluated. The results show that the test system can effectively and timely judge the SEEs, and visually display the corresponding change of the remote sensing image. With the increase of the LET value of heavy iron, the cross section of single event enlarges, and the device becomes more sensitive to SEE induced by heavy-ion. SEL is more harmful to optical remote sensor imaging mission than SEU. Lastly, suggestion is given about adopting systematic enhanced measure for SEL.

video signal processor; single event effects; test; heavy-ion; space remote sensing

V1

A

1009-8518(2018)06-0072-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.06.009

2018-02-13

張旭輝，女，1966年生，1987年獲北京理工大學光學儀器專業學士學位，高級工程師。主要研究方向為光學遙感器總體設計和試驗。E-mail：zhangxuhui93@163.com。

（編輯：王麗霞）