一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法

本发明涉及天文成像探测、辐射图像参数测试领域，具体涉及一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法。

背景技术：

1、增益反映了入射探测器的有效光子数与探测器输出图像灰度值(adu)之间的转换关系。对于空间天文领域用于天文成像探测的器件，增益的微小变化都会影响探测器捕捉暗弱信号的能力。对于在轨工作的空间天文望远镜来说，空间累积辐射效应会使天文成像探测器的增益发生退化。探测器增益的退化会对信号转换产生影响，从而对天文成像探测器获取的图像的清晰度和准确性产生影响，不利于解析图像中的天文数据。

2、目前，针对天文成像探测器进行的增益测试，主要基于emva1288测试标准。对于天文成像探测器来说，其测试要求更高，emva1288标准测试未将本底噪声和电压偏置对增益测试的影响考虑在内，且不便观察到辐照后探测器增益的微小变化，无法为空间天文望远镜的可靠性评估提供基础数据。

3、因此本发明提出一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，在暗场测试时，通过减少测试步骤，仅采集暗场本底灰度图像进行测试，以此缩短测试时间；在光场测试时，通过剔除本底来减少本底噪声和电压偏置对增益测试的影响，通过对单个像素位置的灰度均值μy.optical[m][n]和方差值σ2[m][n]提取、拟合得出单像素增益。由于频数分布能较直观的展现数据的变化趋势，因此对所有像素位置的单像素增益倒数adu/e-进行频数分布以后，即可对辐照后增益的微小变化进行分析。为空间天文望远镜的可靠性评估提供了基础数据测试方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，解决现有探测器增益测试方法的局限性，提供一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、天文成像探测器样品、直流电源和计算机组成。通过开展天文成像探测器质子辐照损伤试验，对采集到的本底图像和光场图像的单个像素的灰度值进行提取。以零曝光时间下的暗场本底数据为基础，以分析辐照后增益的微小变化作为目的，对采集到的不同曝光时间下的光场图像进行逐像素分析，并计算单个像素位置剔除本底的光场图像灰度均值μy.optical[m][n]和方差值σ2[m][n]。再以μy.optical[m][n]为横轴，σ2[m][n]为纵轴，对数据进行最小二乘法拟合，并提取拟合曲线的线性区域斜率，该斜率的倒数即为天文成像探测器像素(m,n)位置处的单像素增益，然后将得到的单像素增益的倒数值进行频数分布，以此对辐照后增益的微小变化进行分析。

2、本发明所述的一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、天文成像探测器样品、直流电源和计算机组成，在静电试验平台(1)上分别设有积分球光源(2)和三维样品调整台(3)，在三维样品调整台(3)上固定有样品测试板(4)，在样品测试板(4)上放置天文成像探测器样品(5)，样品测试板(4)与直流电源(6)连接，静电试验平台(1)与计算机(7)连接，具体操作按下列步骤进行：

3、a、针对天文成像探测器实际在轨工作环境，依据其典型质子辐照剂量，确定实际辐照参数，开展天文成像探测器不同累积注量下的质子辐照试验；

4、b、将辐照后的样品(5)固定在样品测试板(4)上，再将样品测试板(4)分别与直流电源(6)和计算机(7)相连，开始进行暗场测试，暗场测试时关闭积分球光源(2)，并同时关闭测试室中其他照明光源，并用不透光的黑盒罩盖住天文成像探测器样品(5)；

5、c、通过计算机(7)，调整样品测试板(4)上天文成像探测器样品(5)的曝光时间，选取零曝光时间，并采集20帧灰度图像，将采集的零曝光时间图像进行保存；

6、d、将步骤c中暗场零曝光时间点的20帧灰度图像放入一个三维矩阵中，然后基于像素定位进行逐个像素灰度值的提取，按照像素位置计算出20帧图像每个像素对应位置的灰度均值，即μy.biasdark[m][n]，得到一帧包含每个像素对应位置的灰度均值的灰度图像，并将其作为本底；

7、本底20帧图像每个像素对应位置的灰度均值μy.biasdark[m][n]依据公式(1)计算：

8、

9、yd.1[m][n]、yd.2[m][n]、……、yd.20[m][n]，其中m和n表示某个灰度值的像素位置1≤m≤m,1≤n≤n,m,n,m,n为像素总行数和总列数，其都为正整数，yd.q[m][n]表示像素(m,n)位置的灰度值，下角标dark和d均表示暗场，下角标q＝1、2l l 20表示20帧图像的序号，下角标bias表示本底，μy.biasdark[m][n]表示本底20帧图像像素(m,n)位置的灰度均值；

10、e、将步骤b中的黑盒罩盖移开，打开积分球光源，选定固定辐照度，开始进行光场测试，通过计算机(7)，调整样品测试板(4)上天文成像探测器样品(5)的曝光时间，从零曝光时间开始，以探测器恰好输出图像最大灰度均值的曝光时间结束，等间隔选取20个曝光时间点，从探测器零曝光时间开始采集图像，每个曝光时间点采集20帧灰度图像，将采集的图像按照曝光时间分别进行保存；

11、f、选取第一个曝光时间点，将这一曝光时间点采集的20帧灰度图像放入一个三维矩阵中，基于像素定位进行逐个像素灰度值的提取，然后按照像素位置计算出20帧图像每个像素对应位置yo.q[m][n]减去μy.biasdark[m][n]的灰度均值和方差值，得出各自曝光时间对应的μy.optical[m][n]和σ2[m][n]，得到一帧包含每个像素对应位置剔除本底的灰度均值的光场灰度图像和一帧包含每个像素对应位置的方差值图像；

12、光场20帧图像每个像素对应位置yo.q[m][n]减去μy.biasdark[m][n]的灰度均值μy.optical[m][n]与方差值σ2[m]依据公式(2)与公式(3)计算：

13、

14、yoptical.1[m][n]、yoptical.2[m][n]、……、yoptical.20[m][n]，其中m和n表示某个灰度值的像素位置1≤m≤m,1≤n≤n,m,n,m,n为像素总行数和总列数，其都为正整数，yoptical.q[m][n]表示像素(m，n)位置的灰度值，下角标dark和d均表示暗场，optical表示光场，下角标q＝1、2l l 20表示20帧图像的序号，下角标bias表示本底，μy.biasdark[m][n]表示本底20帧图像像素(m，n)位置的灰度均值，μy.optical[m][n]表示所选光场曝光时间下20帧图像像素(m，n)位置的灰度均值，σ2[m][n]表示所选光场曝光时间下20帧图像像素(m，n)位置处的方差值；

15、g、重复步骤f，计算剩下19个光场曝光时间下的μy.optical[m][n]和σ2[m][n],然后以{曝光时间，μy.optical[m][n]}、{曝光时间，σ2[m][n]}的格式将数据分别保存；

16、{曝光时间，μy.optical[m][n]}和{曝光时间，σ2[m][n]}的行数为曝光时间的个数20，列数为像素总行数和总列数的乘积m×n，两者以同种方式排列；

17、h、以{曝光时间，μy.optical[1][1]}一列为横轴，{曝光时间，σ2[1][1]}一列为纵轴，将数据使用最小二乘法进行拟合，并提取拟合曲线的线性区域斜率，该斜率的倒数即为像素(1，1)位置处的单像素增益e-/adu；

18、i、重复步骤h，计算所有像素位置的单像素增益的倒数adu/e-，将得到的单像素增益的倒数值进行频数分布，即对辐照后增益的微小变化进行分析。

19、本发明所述的一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，该方法综合现有器件增益测试方法的思路和不足，考虑空间累积辐射损伤对天文成像探测器的影响，将增益的测试更加细节化。该方法不仅能够提高对光场图像数据的解析精度，而且有效缩短测试时间并减少本底噪声和电压偏置对增益参数测试的影响，便于分析辐照后增益的微小变化，为空间天文望远镜的可靠性评估提供了基础数据测试方法。

20、本发明提供一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，利用放置在静电试验平台上的积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、电源、计算机组成的辐照后天文成像探测器的单像素增益测试系统，系统中天文成像探测器的曝光时间范围可通过计算机控制。

21、本发明的有益效果：本发明所述的一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，该方法通过考虑空间累积辐射损伤对天文成像探测器的影响，将器件增益的测试更加细节化。该方法不仅能够提高对光场图像数据的解析精度，而且有效缩短测试时间并减少本底噪声和电压偏置对单像素增益参数测试的影响，方便对辐照后增益的微小变化进行分析。

22、本发明所述的一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，不但可以准确测试出辐照之后天文成像探测器增益的微小变化，提高辐照之后的天文成像探测器增益的测试准确度，而且解决了emva1288标准步骤较多、测试时间较长以及未将本底噪声和电压偏置对增益测试的影响考虑在内的问题，减小了增益测试的误差。该方法适用于天文成像探测器领域，具有测试方便、误差小、速度快、实用性强等优势。

技术特征：

1.一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，其特征在于，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、天文成像探测器样品、直流电源和计算机组成，在静电试验平台(1)上分别设有积分球光源(2)和三维样品调整台(3)，在三维样品调整台(3)上固定有样品测试板(4)，在样品测试板(4)上放置天文成像探测器样品(5)，样品测试板(4)与直流电源(6)连接，静电试验平台(1)与计算机(7)连接，具体操作按下列步骤进行：

技术总结
本发明涉及一种天文成像探测器辐照后单像素增益的测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、天文成像探测器样品、直流电源和计算机组成。通过开展天文成像探测器质子辐照损伤试验，对采集到的本底图像和不同曝光时间的光场图像的单个像素的灰度值进行提取，并计算单个像素剔除本底的光场图像灰度均值和方差值，将单个像素不同曝光时间的光场图像灰度均值和方差值数据进行最小二乘法拟合，并提取拟合曲线的线性区域斜率，该斜率的倒数即为天文成像探测器的单像素增益。将计算的全部像素位置线性区域斜率进行频数分布可便于对辐照后增益的微小变化进行分析。该方法适用于天文成像探测器领域，具有测试方便、误差小、速度快、实用性强等优势。

技术研发人员：冯婕,马云龙,李豫东,文林,郭旗
受保护的技术使用者：中国科学院新疆理化技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5