歐 民,邊晶瑩,蘭逸君,李劍橋,張敬一

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000;2.重慶光電技術(shù)研究所,重慶 400060;3.中國(guó)空間技術(shù)研究院衛(wèi)星應(yīng)用總體部,北京 100094)

0 引言

空間激光通信中捕獲與跟蹤技術(shù)是建立與恢復(fù)通信鏈路的關(guān)鍵。 傳統(tǒng)的捕獲技術(shù)首先使用寬光束信標(biāo)光對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行粗跟蹤捕獲,然后再切換到束散角較小的信號(hào)光進(jìn)行通信。 隨著空間光通信技術(shù)的發(fā)展,對(duì)激光通信速率、通信距離要求的不斷提高,無(wú)信標(biāo)光捕獲已逐漸取代傳統(tǒng)方式。 直接采用信號(hào)光進(jìn)行整個(gè)不確定區(qū)域的掃描捕獲、穩(wěn)定跟蹤。與信標(biāo)光捕獲相比,無(wú)信標(biāo)光捕獲不需要額外增加大功率信標(biāo)激光器及相應(yīng)的信標(biāo)發(fā)射支路,可最大限度地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度與功耗,有助于激光載荷實(shí)現(xiàn)輕量化與小型化[1]。

無(wú)信標(biāo)光捕獲方式鏈路對(duì)捕跟平穩(wěn)切換和穩(wěn)定跟蹤等提出了苛刻的要求,捕跟探測(cè)器的響應(yīng)速度及測(cè)量精度成為影響系統(tǒng)跟蹤性能的主導(dǎo)因素。 空間激光通信系統(tǒng)常用的捕跟探測(cè)組件主要有面陣式與四象限兩種形式。 其中短波紅外銦鎵砷(indium galium arsenide,InGaAs)焦平面探測(cè)組件由于其靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、光斑質(zhì)心檢測(cè)精度高、探測(cè)視場(chǎng)大等特點(diǎn),在激光通信捕獲跟蹤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)雖有大量的民用焦平面探測(cè)組件,但用于空間激光通信存在以下缺陷:輸出幀頻率不高(≤3.5 kfps),響應(yīng)速度低;長(zhǎng)期工作時(shí)圖像數(shù)據(jù)校正問(wèn)題有待研究和解決;光電器件加工工藝水平仍需不斷提高和完善;在軌長(zhǎng)期使用時(shí)受電離總劑量累計(jì)、單粒子效應(yīng)、空間位移損傷效應(yīng)影響,In-GaAs 焦平面性能發(fā)生退行性變化,無(wú)效像元不斷增加,不能滿足系統(tǒng)在軌長(zhǎng)期工作的需求。 為此,文章從系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)角度,針對(duì)空間復(fù)雜環(huán)境開(kāi)展高可靠性設(shè)計(jì)。 相對(duì)傳統(tǒng)探測(cè)組件, InGaAs 器件工藝升級(jí)和抗輻照加固滿足空間環(huán)境使用;系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取在軌圖像校正補(bǔ)償、在軌重構(gòu)等功能保證長(zhǎng)期工作下的捕跟精度;優(yōu)化讀出電路工作時(shí)序?qū)崿F(xiàn)高輸出幀頻。 文中詳細(xì)描述了空間高速捕跟探測(cè)組件的設(shè)計(jì)工作原理及關(guān)鍵技術(shù),并對(duì)捕跟組件的性能測(cè)試與空間驗(yàn)證情況進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 方案設(shè)計(jì)

為滿足空間復(fù)雜環(huán)境下捕獲跟蹤及短波紅外成像需求,捕跟組件需具備高速、高響應(yīng)度的短波紅外探測(cè)功能,積分增益多檔可選,積分時(shí)間可調(diào);支持任意位置、任意大小開(kāi)窗,支持 ITR(先積分后讀出)、IWR(邊積分邊讀出)等多種積分讀出模式;具備圖像校準(zhǔn)與壞點(diǎn)補(bǔ)償功能,可同時(shí)存儲(chǔ)多份校正模板文件,經(jīng)指令切換選擇加載;具備地面上傳更新校正文件功能;針對(duì)激光捕跟應(yīng)用,具有圖像光斑質(zhì)心位置計(jì)算的功能,將光斑位置信息、光斑大小、光斑總灰度值、幀同步信息、行同步信息、像元時(shí)鐘信息等輸出;內(nèi)置TEC 熱電制冷器,可準(zhǔn)確控制芯片工作溫度,捕跟組件主要性能參數(shù)如表1 所列。

表1 空間高速捕跟成像組件主要性能參數(shù)表Tab.1 Main parameters of high speed tracking and detection in space

捕跟組件方案選用基于InGaAs 工藝、具有高分辨率、高靈敏度的短波紅外(SWIR)焦平面探測(cè)器。器件成像分辨率高,像元自適應(yīng)抗暈,支持ITR、IWR等多種積分讀出模式[2]。 內(nèi)置TEC 熱電制冷器,可準(zhǔn)確控制器件溫度。 積分增益多檔可選,適應(yīng)多場(chǎng)景應(yīng)用需求。

捕跟組件按功能可劃分為:系統(tǒng)工作時(shí)序控制、圖像信號(hào)放大、溫度控制、圖像處理、程序配置重構(gòu)刷新、電源模塊及數(shù)據(jù)接口,其系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 空間高速捕跟探測(cè)組件原理框圖Fig.1 The principle diagram of high speed tracking and detection in space

InGaAs 焦平面器件工作于寄存器控制模式下,通過(guò)專(zhuān)用串行數(shù)據(jù)接口(SERDAT)進(jìn)行工作模式控制。 組件工作流程為:主控FPGA 中工作時(shí)序控制模塊接收外部接口控制信號(hào)并解析,按照工作模式參數(shù)輸出InGaAs 器件正常工作所需要的幀同步、行同步、時(shí)鐘數(shù)據(jù)信號(hào),經(jīng)緩沖驅(qū)動(dòng)輸入至InGaAs 器件。 在電源、時(shí)序驅(qū)動(dòng)共同作用下,器件輸出與光敏面的光強(qiáng)成負(fù)相關(guān)系的4 路模擬單端電壓信號(hào);進(jìn)入圖像信號(hào)高增益放大模塊,經(jīng)前置預(yù)放電路轉(zhuǎn)換為4 路模擬差分信號(hào);通過(guò)低噪聲高精度差分運(yùn)放進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字差分信號(hào),再輸出至主控FPGA 的圖像處理模塊,進(jìn)行數(shù)字圖像信號(hào)補(bǔ)償、非均勻性校正、質(zhì)心計(jì)算等處理后,送至數(shù)據(jù)接口電路進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)后輸出。

TEC 溫度控制模塊用于探測(cè)器所有成像單元自身基準(zhǔn)溫度的穩(wěn)定性控制,抑制由成像單元溫度變化而引起的工作波動(dòng),提高輸出信號(hào)的信噪比,提高捕跟組件的響應(yīng)靈敏度。 工作流程為:InGaAs 器件輸出溫度電壓信號(hào)VTEMP作為溫度反饋送至溫控芯片,通過(guò)比較VTEMP和輸出的溫度設(shè)定信號(hào),輸出符合設(shè)定溫度點(diǎn)的 TEC±信號(hào)至 InGaAs 器件。 當(dāng)VTEMP與設(shè)定溫度電壓相等時(shí),TEC±壓差穩(wěn)定,In-GaAs 器件工作溫度達(dá)到設(shè)定溫度點(diǎn)。

程序配置重構(gòu)刷新模塊包括刷新FPGA 以及外掛的多片F(xiàn)LASH,用于存儲(chǔ)主控FPGA 的功能配置程序和圖像校正數(shù)據(jù)(含疵點(diǎn)位置信息、非均勻性校正參數(shù)、圖像處理配置數(shù)據(jù)等)。 主控FPGA 配置總線、數(shù)據(jù)總線均與重構(gòu)刷新FPGA 的IO口連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)重構(gòu)刷新和校正功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 捕跟組件工作時(shí)序控制

InGaAs 器件通過(guò)設(shè)置控制寄存器實(shí)現(xiàn)工作模式切換,寄存器控制模式下,操作SERDAT 串口輸入對(duì)器件所有功能模式進(jìn)行選配,包括積分增益選擇、讀出電路工作方式、功耗控制、開(kāi)窗選區(qū)、圖像反轉(zhuǎn)與鏡像、積分準(zhǔn)備時(shí)間、功耗控制等[3]。 由于系統(tǒng)需求高幀頻全幅圖像輸出,相應(yīng)讀出信號(hào)速率較高,因此設(shè)計(jì)方案采用IWR 模式提高像元積分讀出效率[4]。

該模式下,第n幀信號(hào)積分發(fā)生在第(n-1)幀信號(hào)讀出期間,能夠獲得較高的幀頻和積分時(shí)間占空比(積分時(shí)間占空比=積分時(shí)間/幀周期時(shí)間),工作原理如圖2 所示。

圖2 IWR 時(shí)序(邊積分邊讀出)Fig.2 IWR time sequence(side integration and side readout)

第n-1 幀(上一幀)的信號(hào)讀出從第n幀(當(dāng)前幀)的 INT 下降沿延遲一個(gè)Thold時(shí)間后開(kāi)始,在第n+1 幀(下一幀)INT 下降沿延遲一個(gè)Thold時(shí)間之前完成。 這種積分時(shí)序下,積分時(shí)間和讀出時(shí)間部分重疊,幀周期近似等于讀出時(shí)間,幀讀出時(shí)間為T(mén)read=(R×C/N)×Clock+Trd×(R-1),幀周期時(shí)間為T(mén)frame≥Tread+Thold+Tshmin。

當(dāng)器件工作在寄存器控制模式下時(shí),串行輸入命令控制字實(shí)現(xiàn)功能選配,動(dòng)作時(shí)序如圖3 所示。若串口SERDAT 輸入正確,ERROR 輸出低電平,否則ERROR 輸出高電平。 串口配置輸入后,在下一幀INT 上升沿時(shí)更新?tīng)顟B(tài)。

圖3 SERDAT 控制工作模式寄存器時(shí)序Fig.3 SERDAT control working mode register timing sequence

2.2 高增益低噪聲圖像信號(hào)放大

InGaAs 器件在偏壓與時(shí)序驅(qū)動(dòng)共同作用下,反向輸出(光強(qiáng)越強(qiáng),電壓值越低)圖像模擬信號(hào)[5],其輸出范圍是+1.0 ~ +3.0 V。 該信號(hào)傳輸至前置放大電路,將單端模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分模擬信號(hào)輸出。 功率差分運(yùn)算放大器對(duì)差分模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與超低噪聲信號(hào)放大。 差分運(yùn)放電路選用低功耗、小型封裝高速差分A/D 器件,原理如圖4 所示。

圖4 圖像信號(hào)A/D 差分放大原理框圖Fig.4 Schematic diagram of image signal A/D differential amplification

A/D 差分放大電路為4 路輸入,14 bit 量化,最高125 MSPS 轉(zhuǎn)換速率。 供電端 AVDD 和 DRVDD為 1.8 V,其中VINA、VINB、VINC、VIND和 CLK 是輸入信號(hào);D0A、D1A、D0B、D1B、D0C、D1C、D0D、D1D 是數(shù)字圖像信號(hào);DCO 和FCO 是輸出同步時(shí)鐘信號(hào);SCLK、SDIO、CSB 和SYNC 為差分運(yùn)放寄存器SPI 配置信號(hào);VREF為內(nèi)部參考電壓;VCM為共模電壓。 其中信號(hào)輸入范圍是0 ~+2.0 V;采樣時(shí)鐘CLK 與InGaAa器件數(shù)據(jù)輸出速度一致;差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出時(shí)鐘DCO 設(shè)計(jì)應(yīng)滿足最大工作模式下采樣速率。

2.3 圖像校正補(bǔ)償

InGaAs 器件光敏面接收均勻光輻射照射時(shí),理想情況下輸出的圖像灰度應(yīng)該完全一致。 實(shí)際工作中由于制作半導(dǎo)體材料不均、缺陷、工藝條件等因素,會(huì)造成各像元響應(yīng)率的不一致,同時(shí)讀出電路中各像元的增益和偏置也會(huì)有差別[6]。 此外捕跟組件低噪聲放大電路各通道的增益參數(shù)存在差異,從而導(dǎo)致其輸出的圖像灰度分布有一定偏差,被稱(chēng)為設(shè)備的非均勻性,對(duì)圖像質(zhì)量有較大影響,所以必須對(duì)設(shè)備的輸出圖像做非均勻性校正。

另外,InGaAs 器件在軌運(yùn)行長(zhǎng)期處于空間輻照的環(huán)境下,由于空間中的背景輻射會(huì)產(chǎn)生一定程度的背景疊加信號(hào),引起組件性能發(fā)生退行性變化,導(dǎo)致響應(yīng)特性隨著在軌時(shí)間的增加發(fā)生漂移,從而影響非均勻性校正的效果,同時(shí)也有增多疵點(diǎn)數(shù)量的可能[7]。 為保證捕跟組件的性能和響應(yīng)特性保持穩(wěn)定,就需要對(duì)疵點(diǎn)位置進(jìn)行重新標(biāo)定、對(duì)非均勻性校正參數(shù)再次修正。

圖5 捕跟組件非均勻性來(lái)源示意圖Fig.5 Schematic diagram of th source of nonuniformity tracking components

捕跟組件具有很高的工作幀頻(≥6 kfps),圖像處理的實(shí)時(shí)性要求非常高,所以選用了基于校正參數(shù)預(yù)標(biāo)定的兩點(diǎn)校正法對(duì)輸出圖像進(jìn)行非均勻性校正。 該算法在FPGA 中實(shí)現(xiàn)占用資源少,可滿足高速實(shí)時(shí)非均勻性校正需求:

兩點(diǎn)校正算法公式如式(1):

式中,T、G、t為捕跟組件的工作參數(shù):

T為 工 作 溫 度, 取 值 范 圍 分 3檔{-20 ℃,0 ℃,20 ℃};

G為捕跟組件增益,取值范圍分3 檔{ 高,中,低};

t為積分時(shí)間,取值范圍5 ~150 us;

x(T,G,t)ij為捕跟組件像元(i,j)的實(shí)際輸出值;y(T,G,t)ij為校正后的值;A(T,G,t)ij為校正的增益補(bǔ)償系數(shù),是對(duì)像元鏈路電荷電壓轉(zhuǎn)換增益ζij的一個(gè)補(bǔ)償值;B(T,G,t)ij是該像元的零輸入響應(yīng)系數(shù)。

校正流程先通過(guò)標(biāo)定的方式得出每個(gè)像元的增益系數(shù)A(T,G,t)ij和零輸入響應(yīng)系數(shù)B(T,G,t)ij,按照三種參數(shù)組合關(guān)系共標(biāo)定81 種校正數(shù)據(jù),并將各個(gè)系數(shù)存儲(chǔ)于抗輻照非易失性存儲(chǔ)器FLASH 芯片內(nèi)。 模塊上電后在不同工作模式下,系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)T、G、t三種遙測(cè)數(shù)據(jù),從FLASH 芯片中讀取相匹配的校正系數(shù)到FPGA 的片內(nèi)RAM,隨后在應(yīng)用中實(shí)時(shí)對(duì)每個(gè)像元按照式(1)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正處理。

2.4 重構(gòu)刷新及數(shù)據(jù)更新

為適應(yīng)在軌應(yīng)用升級(jí)及功能性能優(yōu)化需求,捕跟組件架構(gòu)基于軟件無(wú)線電平臺(tái)設(shè)計(jì),通過(guò)平臺(tái)集成、架構(gòu)在軌重構(gòu),軟件上注更新方式實(shí)現(xiàn)處理算法及校正參數(shù)更新功能。 上注重構(gòu)及數(shù)據(jù)更新功能以經(jīng)過(guò)抗輻射加固的反熔絲FPGA 及Flash 為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn),對(duì)SEU 免疫,此外,為提高空間環(huán)境適應(yīng)能力而設(shè)計(jì)的主控FPGA 程序定時(shí)刷新功能也由該模塊完成。

在實(shí)現(xiàn)配置刷新功能的電路設(shè)計(jì)中,以重構(gòu)刷新FPGA 為中心,實(shí)現(xiàn)與程序存儲(chǔ)和應(yīng)用數(shù)據(jù)Flash芯片交互,完成與SRAM 結(jié)構(gòu)的主控FPGA 的通信。接收晶振提供的外部時(shí)鐘,通過(guò)分頻和全局時(shí)鐘分配后產(chǎn)生系統(tǒng)主時(shí)鐘,供系統(tǒng)內(nèi)各功能模塊使用,采用雙向串行接口與系統(tǒng)主控單元通信。 模塊上電后,重構(gòu)刷新FPGA 默認(rèn)配置來(lái)自程序FLASH 的原始文件,并開(kāi)啟程序定時(shí)刷新功能,周期性對(duì)主控FPGA 進(jìn)行刷新。 通過(guò)指令幀實(shí)現(xiàn)對(duì)上注FPGA 的工作狀態(tài)查詢、主控FPGA 配置文件更新、選擇和重加載、整體校驗(yàn)等功能,并反饋相應(yīng)遙測(cè)幀。 刷新重構(gòu)FPGA 經(jīng)串口接收到模板發(fā)送指令后,發(fā)送圖像校正模板數(shù)據(jù)至主控FPGA,主控FPGA 加載新校正模板數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)圖像校正補(bǔ)償功能后輸出。

2.5 空間環(huán)境適應(yīng)設(shè)計(jì)

捕跟組件在空間環(huán)境經(jīng)受各種空間帶電粒子輻射,與內(nèi)部電子元器件和材料相互作用后,將造成一定程度的損傷與危害。 因此需進(jìn)行空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)以避免發(fā)生在軌異常和故障、提高在軌生存能力。 針對(duì)捕跟組件應(yīng)用特點(diǎn),為適應(yīng)空間復(fù)雜環(huán)境下使用,進(jìn)行了TID(抗電離總劑量),邏輯器件抗單粒子效應(yīng)(SEU、SEFI),CMOS 器件防單粒子鎖定(SEL)防護(hù)設(shè)計(jì),InGaAs 器件進(jìn)行了抗位移損傷效應(yīng)設(shè)計(jì),并通過(guò)了位移損傷效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

TID 設(shè)計(jì)首選抗輻射能力強(qiáng)的元器件,對(duì)于總劑量參數(shù)不滿足的器件采用局部屏蔽、布局優(yōu)化、容差設(shè)計(jì)等方法提升抗輻射能力[8];確保設(shè)計(jì)指標(biāo)具有一定的輻射設(shè)計(jì)余量(RDM≥2)。

SEL 防護(hù)設(shè)計(jì)針對(duì)設(shè)備中多類(lèi)型CMOS 器件,如 FPGA、Flash、運(yùn)算放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器,數(shù)據(jù)接口芯片等。 主要措施為:CMOS 器件供電采用限流型穩(wěn)壓器件,器件電源入口處加限流電阻,在發(fā)生SEL時(shí)限制器件電流,保護(hù)器件避免因電流過(guò)大受損。

組件使用的基于SRAM 的FPGA 對(duì)于空間帶電粒子輻射敏感,當(dāng)空間粒子和PN 結(jié)相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)效應(yīng),導(dǎo)致輻射環(huán)境下可靠性降低。 主要故障模式為單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU),當(dāng)SEU 積累到一定程度會(huì)引發(fā)單粒子功能中斷(SEFI),此類(lèi)軟故障發(fā)生時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備正常功能造成嚴(yán)重影響,在設(shè)備重新加電后恢復(fù)正常。 針對(duì)此特性,采取了三模冗余TMR(Triple Modular Redundancy)及定時(shí)刷新容錯(cuò)設(shè)計(jì)進(jìn)行防護(hù)。 三模冗余容錯(cuò)機(jī)制為將功能邏輯復(fù)制三份,將三個(gè)冗余域結(jié)果通過(guò)判決器進(jìn)行判決,將判決結(jié)果作為最終輸出。 由于三個(gè)模塊互相獨(dú)立,兩個(gè)模塊同時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤是極小概率事件,故可以大大提高系統(tǒng)的可信性。 定時(shí)刷新技術(shù)針對(duì)SRAM型FPGA 配置存儲(chǔ)器的單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤現(xiàn)象進(jìn)行防護(hù)。 通過(guò)定時(shí)將外部存儲(chǔ)器件中存儲(chǔ)的配置數(shù)據(jù)讀到器件配置存儲(chǔ)器中,實(shí)現(xiàn)配置數(shù)據(jù)的重加載糾錯(cuò)功能。

空間中子輻照的位移效應(yīng)主要作用于InGaAs半導(dǎo)體探測(cè)器芯片,在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生空隙或裂縫缺陷,影響器件的暗電流和光響應(yīng)特性。 通過(guò)在芯片工藝實(shí)施過(guò)程中加入環(huán)形柵和保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)阻斷漏電流路線,減少輻照后漏電流,保證功能正常[9]。 為了驗(yàn)證InGaAs 器件受位移效應(yīng)的影響,進(jìn)行了總劑量1 MeV 的中子輻照試驗(yàn)。 經(jīng)抗輻照設(shè)計(jì)加固,輻照前后器件的噪聲基本一致,漏電流得到大幅抑制,動(dòng)態(tài)范圍等性能參數(shù)保持穩(wěn)定。

3 測(cè)試驗(yàn)證及試驗(yàn)

為全面檢測(cè)空間高速捕跟探測(cè)組件的功能性能,將捕跟探測(cè)組件的測(cè)試分為地面測(cè)試試驗(yàn)與在軌驗(yàn)證2 個(gè)階段。 地面測(cè)試搭建了測(cè)試平臺(tái),按照EMVA1288 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)捕跟探測(cè)模塊的性能進(jìn)行了全面測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制出光電響應(yīng)曲線,計(jì)算得到靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、非均勻性等主要性能指標(biāo)[10]。在軌測(cè)試中捕跟探測(cè)組件作為激光分系統(tǒng)的捕跟建鏈核心模塊,通過(guò)激光分系統(tǒng)的在軌建鏈情況間接驗(yàn)證捕跟探測(cè)組件的性能,同時(shí)在軌重點(diǎn)驗(yàn)證空間高中軌環(huán)境下該探測(cè)組件各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的可靠性。

3.1 地面測(cè)試驗(yàn)證

地面測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)如圖6 所示,測(cè)試主要流程為:

圖6 高速探測(cè)器性能測(cè)試框圖Fig.6 Test block diagram of high speed detector performance

1)在測(cè)試平臺(tái)調(diào)節(jié)光源輸出強(qiáng)度及光衰減器值,根據(jù)光輸入信號(hào)強(qiáng)度與像元響應(yīng)輸出測(cè)試數(shù)據(jù),描繪出光響應(yīng)曲線。 調(diào)節(jié)微動(dòng)臺(tái)與光衰減器,光斑落在光敏面中心m×n區(qū)域,確保該區(qū)域所有受光像素未發(fā)生飽和。 在中心區(qū)域m×n內(nèi)選擇最強(qiáng)響應(yīng)像素點(diǎn)作為標(biāo)識(shí)點(diǎn)Xij,并記錄其坐標(biāo)(i,j);光功率Pij單位為dBm,像元灰度為響應(yīng)灰度與背景灰度差值,即DXij=DXa-DXbase。

2)數(shù)據(jù)處理計(jì)算

計(jì)算Xij像元接收的光功率:

Pij=k·Pa,其中k為Xij像元光功率占比系數(shù),其值按式(2)計(jì)算:

其中,Pa為輸入光源每一衰減步進(jìn)下的光功率;DNa為區(qū)域平均灰度值;DXn為Xij點(diǎn)灰度值;DNbase為區(qū)域暗背景平均灰度;DXbase為區(qū)域暗背景Xij點(diǎn)灰度值。

計(jì)算不同總光功率下Xij接收的光功率Pij,繪制Xij點(diǎn)像元光功率P與輸出灰度DX的關(guān)系曲線,如圖7 所示。

圖7 像元光功率與輸出灰度曲線Fig.7 Curve of pixel optical power and output grayscale

主要參數(shù)計(jì)算方法為:

1)像元靈敏度

在規(guī)定的單色光波長(zhǎng)、信噪比條件下,測(cè)量像元響應(yīng)等效最小光功率。

在P-DX曲線中,Xij點(diǎn)灰度值DX=SNR*NRMS時(shí)對(duì)應(yīng)的像元光功率PR為像元靈敏度,其中SNR為像元信噪比,SNR=40,即:

2)光動(dòng)態(tài)范圍

在規(guī)定工作條件下,捕跟組件像元1%壓縮飽和響應(yīng)光功率與均方根噪聲等效光功率之差。

在P-DX曲線中,分別讀取DX=NRMS、DXmax時(shí)對(duì)應(yīng)的像元光功率Pmin、Pmax,單位為dBm,按式(3)計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍:

3)非均勻性測(cè)試

捕跟組件在均勻光照條件下,像元之間的響應(yīng)存在差異。 對(duì)每個(gè)像元,測(cè)試時(shí)在測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)生均勻光源照射捕跟組件光敏面,測(cè)量暗背景及半飽和輸出時(shí)每個(gè)有效像元的灰度值,計(jì)算滿幅圖像的均方差值即為圖像非均勻性參數(shù);圖8 為非均勻性校正前后的結(jié)果,可見(jiàn)經(jīng)過(guò)圖像非均勻性校正后性能得到大幅提升,滿足應(yīng)用需求。

圖8 非均勻性校正前后參數(shù)比較(校正前7.26% 校正后0.81%)Fig.8 Comparison of parameters before and after non-uniformity correction

按照以上測(cè)試方法對(duì)研制的捕跟組件進(jìn)行了性能驗(yàn)證,輸入光源采用波長(zhǎng)1 550 nm,光斑尺寸≤3×3 pixels,通過(guò)光衰減器調(diào)整光功率,隨機(jī)更換多個(gè)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。 結(jié)果測(cè)得輸入光功率在≤-87 dBm 下像元信噪比均可達(dá)到40 倍,像元靈敏度≤-87 dBm;光動(dòng)態(tài)范圍≥63 dB,圖像非均勻性≤1%(校正后),光斑測(cè)試圖如圖9 所示,主要性能測(cè)試結(jié)果如表2 所列。 與當(dāng)前國(guó)外典型產(chǎn)品(Xenics 公司研制的Bobcat 320/640)進(jìn)行指標(biāo)比對(duì),該組件具備高幀頻、高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)[11]。 不僅在設(shè)計(jì)與器件選型上充分考慮空間環(huán)境適應(yīng)性,還增添了在軌疵點(diǎn)補(bǔ)償、軟件與校正模板在軌重構(gòu)等功能,而且在可靠性、長(zhǎng)壽命方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

表2 高速捕跟組件性能測(cè)試結(jié)果比較Tab.2 Comparison of performance test result of high speed tracking component

圖9 靈敏度測(cè)試結(jié)果圖Fig.9 Sensitivity test results

3.2 空間應(yīng)用與驗(yàn)證

高速捕跟組件已成功應(yīng)用于某衛(wèi)星工程搭載的激光通信系統(tǒng)捕獲跟蹤終端上,在系統(tǒng)捕獲與粗跟蹤階段采集光信號(hào),為捕跟控制提供視軸誤差信息,是實(shí)現(xiàn)星間信號(hào)光快速建鏈與斷鏈后快速重捕的關(guān)鍵模塊,圖10 為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)捕獲跟蹤階段光斑質(zhì)心結(jié)果曲線,表明跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定良好。 目前該組件已在GEO、MEO 等多種軌道在軌服役3 年以上,高幀頻、高靈敏度等特性有效保障了激光分系統(tǒng)的在軌快速穩(wěn)定建鏈 1 000 多次, 鏈路穩(wěn)定保持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)480 h,跟蹤精度μrad 量級(jí)。

圖10 捕跟結(jié)果曲線Fig.10 Tracking and detection result curve

4 結(jié)論

文章的空間高速捕跟探測(cè)組件設(shè)計(jì),在傳統(tǒng)In-GaAs 焦平面器件方案上,對(duì)器件工藝升級(jí)加固、工作時(shí)序優(yōu)化,達(dá)到了高輸出幀頻、高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍的性能。 經(jīng)過(guò)3 年多時(shí)間在軌工作與測(cè)試,組件性能無(wú)明顯衰退,各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及空間環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定可靠性得到驗(yàn)證。 通過(guò)在軌程序重構(gòu)及圖像校正功能修正系統(tǒng)誤差及性能退化誤差,保證長(zhǎng)期捕獲跟蹤工作的精度,滿足當(dāng)前空間激光通信捕獲跟蹤和成像任務(wù)中功能性能要求。

針對(duì)后續(xù)在軌應(yīng)用,考慮從以下方面優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)性能:減小InGaAs 器件像元尺寸,在單位面積上集成更多的像素,以提高成像分辨率;增大器件面陣規(guī)模,提升成像幀頻和組件處理傳輸速率;增強(qiáng)集成設(shè)計(jì),如將非均勻性校正和其它數(shù)字圖像處理功能嵌入InGaAs 器件內(nèi)部;探索實(shí)現(xiàn)圖像自適應(yīng)處理、基于深度學(xué)習(xí)的智能在軌校正補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計(jì)。