黃添添，陸陽(yáng)

(浙江大學(xué) 現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)及儀器研究中心，浙江 杭州 310027)

X射線脈沖星Si-PIN探測(cè)器陣列研究*

黃添添，陸陽(yáng)

(浙江大學(xué) 現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)及儀器研究中心，浙江 杭州 310027)

X射線脈沖星導(dǎo)航是一種全自主的導(dǎo)航方式，在深空導(dǎo)航領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。針對(duì)短時(shí)高精度導(dǎo)航的需求，分析了影響導(dǎo)航精度的主要因素，論證了通過(guò)增大探測(cè)器面積實(shí)現(xiàn)較高導(dǎo)航精度前提下縮短探測(cè)時(shí)間的可行性。在此基礎(chǔ)上，提出了采用硅-PIN探測(cè)器陣列的探測(cè)方式，并設(shè)計(jì)了硅-PIN探測(cè)器陣列前端模塊及相應(yīng)的后端處理電路。最后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了硅-PIN探測(cè)器陣列的探測(cè)方案在擴(kuò)大探測(cè)面積的同時(shí)，仍可以保留硅-PIN探測(cè)器的優(yōu)良性能，能夠有效縮短探測(cè)時(shí)間，將來(lái)有望應(yīng)用于X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)。

硅-PIN；探測(cè)器陣列；脈沖星；軟X射線；短時(shí)；高精度；全自主導(dǎo)航

0 引言

X射線脈沖星能夠?yàn)榻剀壍?、深空探測(cè)和星際飛行的各類航天器提供位置、速度、時(shí)間和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)航天器的導(dǎo)航[1-3]。X射線脈沖星導(dǎo)航不受地球觀測(cè)站和固定導(dǎo)航信標(biāo)視線的限制，有很強(qiáng)的自主生存能力[4-7]，而X射線脈沖星探測(cè)器技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。X射線脈沖星探測(cè)器結(jié)合星載高精度原子鐘可以記錄每個(gè)光子達(dá)到時(shí)間，將觀測(cè)時(shí)間內(nèi)記錄的所有光子的達(dá)到時(shí)間信息送入脈沖星相位時(shí)間模型，依據(jù)到達(dá)時(shí)間轉(zhuǎn)換方程將光子到達(dá)時(shí)間信息轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)的到達(dá)時(shí)間，再進(jìn)行周期性折疊以獲得觀測(cè)脈沖輪廓，將其與標(biāo)準(zhǔn)輪廓模板進(jìn)行相關(guān)比對(duì)就可以得出脈沖到達(dá)時(shí)間，最后依據(jù)相應(yīng)的定位原理來(lái)確定航天器的位置信息[8-11]。

現(xiàn)有的X射線脈沖星硅-PIN(silicon positive-intrinsic-negative，Si-PIN)探測(cè)器已可以實(shí)現(xiàn)較高精度的脈沖輪廓還原，但是考慮到宇宙空間中大多X射線脈沖星的光子流量密度很低[12]，同時(shí)宇宙背景噪聲較大，將導(dǎo)致X射線脈沖星信號(hào)的信噪比極低。因此，為了獲得信噪比較高的X射線脈沖星觀測(cè)脈沖輪廓來(lái)計(jì)算出具有高精度的脈沖到達(dá)時(shí)間就需要很長(zhǎng)的探測(cè)時(shí)間，這限制了X射線脈沖星導(dǎo)航在短時(shí)導(dǎo)航條件下的應(yīng)用。文中將研究并設(shè)計(jì)X射線脈沖星Si-PIN探測(cè)器陣列，通過(guò)擴(kuò)大探測(cè)面積的方式實(shí)現(xiàn)短時(shí)高精度的X射線脈沖星輪廓還原。此外，本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了Si-PIN探測(cè)器陣列相比單片Si-PIN探測(cè)器在探測(cè)時(shí)間上的優(yōu)越性，為利用X射線脈沖星實(shí)現(xiàn)短時(shí)導(dǎo)航打下了基礎(chǔ)。

1 Si-PIN探測(cè)器陣列方案可行性分析

影響X射線脈沖星導(dǎo)航位置精度的關(guān)鍵技術(shù)之一是脈沖到達(dá)時(shí)間(time of arrival，TOA)的測(cè)量精度[13-15]，而脈沖到達(dá)時(shí)間的測(cè)量精度決定于累積脈沖輪廓的信噪比為

(1)

假設(shè)脈沖形狀近似于高斯分布形狀，則在給定的探測(cè)時(shí)間內(nèi)，脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量方差為

(2)

式中：SNR為累積脈沖輪廓的信噪比；Fx為X射線光子流量；A為探測(cè)器面積；pf為輻射百分比；Bx為X射線背景輻射流量；tobs為觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度。

占空周期d可以表示為脈沖寬度W與脈沖周期P之比，即d=W/P，σTOA為脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度。圖1表示的是蟹云(Crab)脈沖星脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度σTOA與探測(cè)器面積A及探測(cè)時(shí)間tobs的關(guān)系。

圖1 Crab脈沖星脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度與探測(cè)器面積及探測(cè)時(shí)間關(guān)系圖Fig.1 Relationships among the TOA accuracy ofcrab pulsar, the area of detectorand the time of detection

圖1很直觀地表示出脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度與累積探測(cè)時(shí)間和探測(cè)面積相關(guān)，探測(cè)器面積越大、觀測(cè)積分時(shí)間越長(zhǎng)，TOA的測(cè)量精度就越高，導(dǎo)航定位精度也就越高。結(jié)合式(2)和已公開(kāi)的脈沖星數(shù)據(jù)可知對(duì)于Crab脈沖星，只要保證探測(cè)有效面積在0.1 m2，就能在較短的時(shí)間內(nèi)獲得km量級(jí)的定位精度。

X射線Si-PIN探測(cè)器的原理決定了其具有較高的能量分辨率、較快的時(shí)間響應(yīng)、較好的位置分辨率、較寬的線性范圍、小體積、較低工作電壓等優(yōu)點(diǎn)。目前已被廣泛應(yīng)用于高能物理、天體物理、核物理等領(lǐng)域。Si-PIN探測(cè)器面積目前的工藝能達(dá)到100 mm2[16-19]。從工藝上來(lái)說(shuō)，擴(kuò)大面積并不存在問(wèn)題。然而，探測(cè)面積與探測(cè)器的結(jié)電容、漏電流等特征參數(shù)息息相關(guān)，探測(cè)面積越大，探測(cè)器的結(jié)電容C就越大，輸出的脈沖信號(hào)幅度就越低；同時(shí)探測(cè)面積的增大會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器漏電流的增大，使得探測(cè)器自身噪聲變大[20]。因此，應(yīng)該考慮探測(cè)器自身性能綜合設(shè)計(jì)傳感器的探測(cè)面積。為了滿足X射線脈沖星導(dǎo)航對(duì)探測(cè)器大面積的需求，可以將Si-PIN探測(cè)器做成陣列的形式，保證探測(cè)器在增大有效探測(cè)面積的同時(shí)，仍能保持探測(cè)器的優(yōu)良性能。

2 Si-PIN探測(cè)器陣列設(shè)計(jì)

通常X射線脈沖星的探測(cè)能量范圍在2～10 keV，在該范圍內(nèi)要求Si-PIN探測(cè)器單元同時(shí)具有好的探測(cè)效率和較低的能量下限。同時(shí)，為了滿足短時(shí)導(dǎo)航需求，Si-PIN探測(cè)器單元在探測(cè)效率等參數(shù)滿足導(dǎo)航要求的條件下，其探測(cè)面積應(yīng)盡可能地增大。根據(jù)Si-PIN探測(cè)器探測(cè)X射線的工作原理，影響Si-PIN探測(cè)器性能的主要因素是探測(cè)器的噪聲，而噪聲與探測(cè)器參數(shù)如耗盡層厚度、偏置電壓、工作溫度、靈敏面積等息息相關(guān)。

使用全耗盡型的Si-PIN探測(cè)器可以降低耗盡層電阻及探測(cè)器非靈敏區(qū)與引線之間電阻上的熱噪聲[21]；通過(guò)采用表面鈍化和保護(hù)環(huán)技術(shù)減小表面漏電流可以減小低頻噪聲；利用電制冷器，使探測(cè)器工作溫度降至-40 ℃可以降低散粒噪聲。在2～10 keV的探測(cè)范圍內(nèi)選擇耗盡層厚度為500 μm使Si-PIN探測(cè)器可以獲得較高的探測(cè)效率。而對(duì)于全耗盡型、500 μm厚度耗盡層的Si-PIN探測(cè)器，選擇偏置偏壓為90 V，該值接近理論上使總噪聲Qs最小的最優(yōu)偏置電壓同時(shí)可以保證較高的電子收集效率。另外，為了降低可探測(cè)的能量下限，要求探測(cè)器的漏電流比有效信號(hào)低2個(gè)量級(jí)，這就限制了Si-PIN單元靈敏面積的大小，因此Si-PIN探測(cè)器陣列各單元面積為1 cm2，以保證探測(cè)器的良好性能。

由前文可知，需要1 000片Si-PIN單元組成陣列的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)X射線脈沖星信號(hào)的探測(cè)。與單路Si-PIN探測(cè)器信號(hào)處理電路相比，Si-PIN探測(cè)器陣列的多路信號(hào)處理存在減小噪聲與處理電路體積功耗龐大的矛盾。因此采用16路集成芯片對(duì)探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，其包括16路電荷靈敏前放、成形、峰保等電路并且提供了觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生功能，可直接輸出光子到達(dá)時(shí)間信號(hào)脈沖，供數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行讀取，利用數(shù)字采集系統(tǒng)為探測(cè)到的光子到達(dá)時(shí)刻打上時(shí)間標(biāo)記，然后通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行歷元折疊就能獲得探測(cè)得到的累積脈沖輪廓。采用集成芯片大大減小了電路規(guī)模，也降低了設(shè)計(jì)難度。

根據(jù)Si-PIN探測(cè)器的輸出信號(hào)上升沿極快且幅值變化小的特點(diǎn)，本文選用前沿定時(shí)電路提取X射線光子的到達(dá)時(shí)間。探測(cè)器輸出信號(hào)的定時(shí)電路如圖2所示，該電路通過(guò)高精度電位器對(duì)高精度基準(zhǔn)源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，為比較器提供一個(gè)高精度的閾值電壓，從而消除由于閾值電壓噪聲引起的時(shí)間游走，使定時(shí)電路擁有較好的測(cè)量精度。在實(shí)際電路中選用德州儀器(Texas instruments，TI)公司的LM4120基準(zhǔn)源，輸出電壓精度為0.2%，并且擁有較低的溫度系數(shù)；電位器選取256位的AD5160，同樣具有較低的溫度系數(shù)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing，DSP)實(shí)現(xiàn)電位器數(shù)值的設(shè)定；另外遲滯比較器可以降低由噪聲抖動(dòng)引起的誤觸發(fā)。

圖2 處理探測(cè)器輸出信號(hào)的定時(shí)電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of timing circuit for processing the output signal of the detector

Si-PIN傳感器陣列總體框架如圖3所示，4路信號(hào)分別用4路定時(shí)電路獲取光子到達(dá)時(shí)間，通過(guò)快速或門(mén)形成一路觸發(fā)信號(hào)送入現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)，F(xiàn)PGA將光子到達(dá)時(shí)刻存入先入先出隊(duì)列(first input first output，F(xiàn)IFO)中，通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口(external memory interface，EMIF)接口傳送到DSP，DSP通過(guò)通用串行總線(universal serial bus，USB)接口將光子到達(dá)時(shí)刻送入上位機(jī)中進(jìn)行歷元折疊，從而獲得探測(cè)得到的累積脈沖輪廓。

圖3 Si-PIN探測(cè)器器陣列總體框架示意圖Fig.3 Schematic diagram of general frameworkof the Si-PIN sensor array

3 Si-PIN探測(cè)器陣列性能試驗(yàn)驗(yàn)證

X射線脈沖輪廓通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的光子測(cè)量，利用探測(cè)器后端探測(cè)電路記錄下每個(gè)光子的具體到達(dá)時(shí)間，最后將所有光子的到達(dá)時(shí)間換算到脈沖星周期內(nèi)。在換算過(guò)程中可以將脈沖周期分成m個(gè)相等的時(shí)間間隔，即容納區(qū)間(Bin)。Bin的數(shù)量太少會(huì)導(dǎo)致輪廓的細(xì)節(jié)特征無(wú)法再現(xiàn)，而B(niǎo)in數(shù)量太多時(shí)會(huì)導(dǎo)致每個(gè)Bin內(nèi)的光子數(shù)量減少，使輪廓信噪比變差，影響輪廓光滑度。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)定在對(duì)Crab脈沖星進(jìn)行輪廓波形模擬時(shí)選取Bin大小為33.4 μs時(shí)，能獲得較好的探測(cè)輪廓波形。另外，本文在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中保證其他各環(huán)境變量相同，從而對(duì)Si-PIN探測(cè)器陣列相比單片Si-PIN探測(cè)器能有效縮短探測(cè)時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用X射線源采用柵控X射線管，固定陽(yáng)極電壓為10 kV，燈絲電流為1 200 mA，探測(cè)距離為20 cm。用通過(guò)柵極電壓控制X射線流量以模擬Crab脈沖星的流量輪廓，探測(cè)時(shí)間30 min。通過(guò)Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得探測(cè)器探測(cè)得到的累積脈沖輪廓。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 Si-PIN探測(cè)器陣列與單片Si-PIN探測(cè)器性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Performance comparison test results of Si-PIN sensor array and single-chip SI-PIN sensor

為了量化對(duì)比單片Si-PIN探測(cè)器與Si-PIN探測(cè)器陣列探測(cè)得到的累積脈沖輪廓，有必要將各自探測(cè)得到的脈沖輪廓與所模擬脈沖星的標(biāo)準(zhǔn)輪廓作比較，通過(guò)互相關(guān)系數(shù)來(lái)表征累積輪廓的好壞程度。由計(jì)算可知，由單片Si-PIN探測(cè)器得到的累積脈沖輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓的相關(guān)性為0.898，而由Si-PIN探測(cè)器陣列得到的累積脈沖輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓的相關(guān)性為0.991。

因此，在相同探測(cè)時(shí)間下，通過(guò)Si-PIN探測(cè)器陣列得到的累積脈沖輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓更接近，證明了通過(guò)擴(kuò)大探測(cè)面積，可以有效提高累積脈沖輪廓的信噪比。在導(dǎo)航精度要求不變的條件下，可以有效縮短探測(cè)時(shí)間，從而滿足未來(lái)短時(shí)高精度星載導(dǎo)航器的應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了采用Si-PIN探測(cè)器陣列的探測(cè)方式，通過(guò)增大探測(cè)面積實(shí)現(xiàn)較高導(dǎo)航精度前提下縮短X射線脈沖星導(dǎo)航探測(cè)時(shí)間，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明該方案切實(shí)有效，將來(lái)有望應(yīng)用于X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)。

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X-Ray Pulsar Si-PIN Sensor Array

HUANG Tian-tian，LU Yang

(Zhejiang University，The Research Center of Modern Navigation Technology & Instrument，Zhejiang Hangzhou 310027，China)

X-ray pulsar navigation is a fully autonomous navigation system, which has an important application prospect in the field of deep space navigation. In considering the requirements of short time and high precision navigation, the main factors influencing the precision of navigation is analyzed and the feasibility of achieving high navigation accuracy with short detection time by increasing detection area is demonstrated. On this basis, a silicon-PIN sensor array is proposed, and a silicon-PIN sensor array front-end module and the corresponding back-end processing circuit are designed. The experimental results show that the Si-PIN sensor array detection system retains the excellent performance of Si-PIN detector while the detection area is expanded, and the detection time can be shorten. In the future, it is expected to be applied to X-ray pulsar navigation system.

silicon positive-intrinsic-negative(Si-PIN)；sensor array；pulsar；soft X-ray；short time；high precision；autonomous navigation

2016-08-30；

2016-11-12

黃添添(1980-)，男，浙江象山人。講師，博士，主要研究方向?yàn)閼T性導(dǎo)航及傳感器技術(shù)。

通信地址：310027 浙江省杭州市西湖區(qū)浙大路38號(hào)智泉大樓A303室 E-mail：tthuang@zju.edu.cn

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.002

O434.1；P145.6；TL816+1

A

1009-086X(2017)-03-0008-05