用于时域天文学的 X 射线 CMOS 图像传感器高速读出系统

我们为互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器开发了一种基于 FPGA 的高速读出系统，用于在未来的卫星任务（如 HiZ-GUNDAM）中观测软 X 射线暂现源。我们之前的研究表明，CMOS 图像传感器具有低能 X 射线探测能力（0.4-4 keV）和强抗辐射耐受性，满足 HiZ-GUNDAM 任务的要求。然而，CMOS 传感器通常具有较小的像素尺寸（例如 $\sim$10 ${\rm \mu m}$），导致图像数据量庞大。GSENSE400BSI 具有 2048$\times$2048 个像素，每帧产生 6 Mbyte 数据。这些庞大的观测原始图像数据无法存储在存储容量有限的卫星总线系统中。因此，必须从原始图像数据中提取 X 射线光子事件。此外，CMOS 图像传感器的读出时间比典型的 X 射线 CCD 快约十倍，要求在 $\sim$0.1 s 的时间尺度上进行更快的事件提取。为了解决这些问题，我们开发了一种基于 FPGA 的图像信号处理系统，能够在星载且不存储原始图像数据的情况下进行高速 X 射线事件提取。所开发的紧凑型系统得以安装在立方星任务上，促进了早期的在轨运行演示。在此，我们介绍了所提出的基于 FPGA 的读出系统的设计和性能评估测试结果。利用 X 射线辐照实验，星载和离线处理方法的 X 射线事件提取结果一致，验证了所提出系统的功能。