黃添添，陸陽

(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探測器陣列研究*

黃添添，陸陽

(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。針對短時高精度導(dǎo)航的需求，分析了影響導(dǎo)航精度的主要因素，論證了通過增大探測器面積實現(xiàn)較高導(dǎo)航精度前提下縮短探測時間的可行性。在此基礎(chǔ)上，提出了采用硅-PIN探測器陣列的探測方式，并設(shè)計了硅-PIN探測器陣列前端模塊及相應(yīng)的后端處理電路。最后，通過試驗驗證了硅-PIN探測器陣列的探測方案在擴(kuò)大探測面積的同時，仍可以保留硅-PIN探測器的優(yōu)良性能，能夠有效縮短探測時間，將來有望應(yīng)用于X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)。

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

0 引言

X射線脈沖星能夠為近地軌道、深空探測和星際飛行的各類航天器提供位置、速度、時間和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)信息，實現(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射線脈沖星探測器技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。X射線脈沖星探測器結(jié)合星載高精度原子鐘可以記錄每個光子達(dá)到時間，將觀測時間內(nèi)記錄的所有光子的達(dá)到時間信息送入脈沖星相位時間模型，依據(jù)到達(dá)時間轉(zhuǎn)換方程將光子到達(dá)時間信息轉(zhuǎn)換為太陽系質(zhì)心坐標(biāo)的到達(dá)時間，再進(jìn)行周期性折疊以獲得觀測脈沖輪廓，將其與標(biāo)準(zhǔn)輪廓模板進(jìn)行相關(guān)比對就可以得出脈沖到達(dá)時間，最后依據(jù)相應(yīng)的定位原理來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)探測器已可以實現(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]，同時宇宙背景噪聲較大，將導(dǎo)致X射線脈沖星信號的信噪比極低。因此，為了獲得信噪比較高的X射線脈沖星觀測脈沖輪廓來計算出具有高精度的脈沖到達(dá)時間就需要很長的探測時間，這限制了X射線脈沖星導(dǎo)航在短時導(dǎo)航條件下的應(yīng)用。文中將研究并設(shè)計X射線脈沖星Si-PIN探測器陣列，通過擴(kuò)大探測面積的方式實現(xiàn)短時高精度的X射線脈沖星輪廓還原。此外，本文通過試驗驗證了Si-PIN探測器陣列相比單片Si-PIN探測器在探測時間上的優(yōu)越性，為利用X射線脈沖星實現(xiàn)短時導(dǎo)航打下了基礎(chǔ)。

1 Si-PIN探測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)時間(time of arrival，TOA)的測量精度[13-15]，而脈沖到達(dá)時間的測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，則在給定的探測時間內(nèi)，脈沖到達(dá)時間測量方差為

(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為觀測時間長度。

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)時間測量精度。圖1表示的是蟹云(Crab)脈沖星脈沖到達(dá)時間測量精度σTOA與探測器面積A及探測時間tobs的關(guān)系。

圖1 Crab脈沖星脈沖到達(dá)時間測量精度與探測器面積及探測時間關(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)時間測量精度與累積探測時間和探測面積相關(guān)，探測器面積越大、觀測積分時間越長，TOA的測量精度就越高，導(dǎo)航定位精度也就越高。結(jié)合式(2)和已公開的脈沖星數(shù)據(jù)可知對于Crab脈沖星，只要保證探測有效面積在0.1 m2，就能在較短的時間內(nèi)獲得km量級的定位精度。

X射線Si-PIN探測器的原理決定了其具有較高的能量分辨率、較快的時間響應(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。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探測器面積目前的工藝能達(dá)到100 mm2[16-19]。從工藝上來說，擴(kuò)大面積并不存在問題。然而，探測面積與探測器的結(jié)電容、漏電流等特征參數(shù)息息相關(guān)，探測面積越大，探測器的結(jié)電容C就越大，輸出的脈沖信號幅度就越低；同時探測面積的增大會導(dǎo)致探測器漏電流的增大，使得探測器自身噪聲變大[20]。因此，應(yīng)該考慮探測器自身性能綜合設(shè)計傳感器的探測面積。為了滿足X射線脈沖星導(dǎo)航對探測器大面積的需求，可以將Si-PIN探測器做成陣列的形式，保證探測器在增大有效探測面積的同時，仍能保持探測器的優(yōu)良性能。

2 Si-PIN探測器陣列設(shè)計

通常X射線脈沖星的探測能量范圍在2～10 keV，在該范圍內(nèi)要求Si-PIN探測器單元同時具有好的探測效率和較低的能量下限。同時，為了滿足短時導(dǎo)航需求，Si-PIN探測器單元在探測效率等參數(shù)滿足導(dǎo)航要求的條件下，其探測面積應(yīng)盡可能地增大。根據(jù)Si-PIN探測器探測X射線的工作原理，影響Si-PIN探測器性能的主要因素是探測器的噪聲，而噪聲與探測器參數(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探測器可以降低耗盡層電阻及探測器非靈敏區(qū)與引線之間電阻上的熱噪聲[21]；通過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，使探測器工作溫度降至-40 ℃可以降低散粒噪聲。在2～10 keV的探測范圍內(nèi)選擇耗盡層厚度為500 μm使Si-PIN探測器可以獲得較高的探測效率。而對于全耗盡型、500 μm厚度耗盡層的Si-PIN探測器，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)偏置電壓同時可以保證較高的電子收集效率。另外，為了降低可探測的能量下限，要求探測器的漏電流比有效信號低2個量級，這就限制了Si-PIN單元靈敏面積的大小，因此Si-PIN探測器陣列各單元面積為1 cm2，以保證探測器的良好性能。

由前文可知，需要1 000片Si-PIN單元組成陣列的形式來實現(xiàn)X射線脈沖星信號的探測。與單路Si-PIN探測器信號處理電路相比，Si-PIN探測器陣列的多路信號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路集成芯片對探測器的輸出信號進(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)信號產(chǎn)生功能，可直接輸出光子到達(dá)時間信號脈沖，供數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行讀取，利用數(shù)字采集系統(tǒng)為探測到的光子到達(dá)時刻打上時間標(biāo)記，然后通過上位機(jī)進(jìn)行歷元折疊就能獲得探測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)計難度。

根據(jù)Si-PIN探測器的輸出信號上升沿極快且幅值變化小的特點，本文選用前沿定時電路提取X射線光子的到達(dá)時間。探測器輸出信號的定時電路如圖2所示，該電路通過高精度電位器對高精度基準(zhǔn)源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，為比較器提供一個高精度的閾值電壓，從而消除由于閾值電壓噪聲引起的時間游走，使定時電路擁有較好的測量精度。在實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)，通過數(shù)字信號處理器(digital signal processing，DSP)實現(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引起的誤觸發(fā)。

圖2 處理探測器輸出信號的定時電路示意圖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路信號分別用4路定時電路獲取光子到達(dá)時間，通過快速或門形成一路觸發(fā)信號送入現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)，F(xiàn)PGA將光子到達(dá)時刻存入先入先出隊列(first input first output，F(xiàn)IFO)中，通過外部存儲器接口(external memory interface，EMIF)接口傳送到DSP，DSP通過通用串行總線(universal serial bus，USB)接口將光子到達(dá)時刻送入上位機(jī)中進(jìn)行歷元折疊，從而獲得探測得到的累積脈沖輪廓。

圖3 Si-PIN探測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探測器陣列性能試驗驗證

X射線脈沖輪廓通過長時間的光子測量，利用探測器后端探測電路記錄下每個光子的具體到達(dá)時間，最后將所有光子的到達(dá)時間換算到脈沖星周期內(nèi)。在換算過程中可以將脈沖周期分成m個相等的時間間隔，即容納區(qū)間(Bin)。Bin的數(shù)量太少會導(dǎo)致輪廓的細(xì)節(jié)特征無法再現(xiàn)，而Bin數(shù)量太多時會導(dǎo)致每個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。通過多次實驗測定在對Crab脈沖星進(jìn)行輪廓波形模擬時選取Bin大小為33.4 μs時，能獲得較好的探測輪廓波形。另外，本文在對比實驗中保證其他各環(huán)境變量相同，從而對Si-PIN探測器陣列相比單片Si-PIN探測器能有效縮短探測時間進(jìn)行實驗驗證。實驗中采用X射線源采用柵控X射線管，固定陽極電壓為10 kV，燈絲電流為1 200 mA，探測距離為20 cm。用通過柵極電壓控制X射線流量以模擬Crab脈沖星的流量輪廓，探測時間30 min。通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得探測器探測得到的累積脈沖輪廓。試驗結(jié)果如圖4所示。

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

為了量化對比單片Si-PIN探測器與Si-PIN探測器陣列探測得到的累積脈沖輪廓，有必要將各自探測得到的脈沖輪廓與所模擬脈沖星的標(biāo)準(zhǔn)輪廓作比較，通過互相關(guān)系數(shù)來表征累積輪廓的好壞程度。由計算可知，由單片Si-PIN探測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，在相同探測時間下，通過Si-PIN探測器陣列得到的累積脈沖輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓更接近，證明了通過擴(kuò)大探測面積，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，可以有效縮短探測時間，從而滿足未來短時高精度星載導(dǎo)航器的應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

文中提出了采用Si-PIN探測器陣列的探測方式，通過增大探測面積實現(xiàn)較高導(dǎo)航精度前提下縮短X射線脈沖星導(dǎo)航探測時間，并進(jìn)行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明該方案切實有效，將來有望應(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，主要研究方向為慣性導(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