劉永征 陳小來(lái) 張昕 孔亮 劉學(xué)斌 石興春

(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119)

隨著星載成像遙感不斷發(fā)展，空間輻照環(huán)境引發(fā)的星載遙感成像載荷工作失靈事件頻現(xiàn)，如工作中突發(fā)遙測(cè)數(shù)據(jù)異常、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸芯片不執(zhí)行總線指令、突發(fā)星務(wù)與測(cè)控組件總通信錯(cuò)誤計(jì)數(shù)、突發(fā)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)刷新數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、突發(fā)讀取靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器異常、遙測(cè)異常的有效載荷管理單元廣播頻發(fā)等[1]，因此各遙感衛(wèi)星總體對(duì)載荷系統(tǒng)抗輻照設(shè)計(jì)的要求更加嚴(yán)格。

星載遙感用高光譜成像儀載荷，多數(shù)搭載的衛(wèi)星平臺(tái)軌道高度集中在400～900 km范圍內(nèi)[2]，空間輻照環(huán)境主要是內(nèi)地球輻射帶的影響。典型高通量高光譜成像儀從材料的角度可分為光、機(jī)、電三部分。輻照環(huán)境對(duì)光學(xué)材料的影響主要表現(xiàn)為玻璃透過(guò)率降低、玻璃變色?？臻g輻照會(huì)使得星載遙感大孔徑干涉成像高光譜成像儀的光學(xué)元件膜系退化，系統(tǒng)實(shí)際信噪比偏離理論設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響光譜復(fù)原精度，從而降低儀器探測(cè)識(shí)別精度。輻照環(huán)境會(huì)使電路噪聲增大或電參數(shù)發(fā)生漂移，噪聲增大直接影響大孔徑干涉高光譜成像儀的干涉圖信噪比，最終降低設(shè)備的光譜信噪比和弱光譜探測(cè)靈敏度；電參數(shù)漂移會(huì)降低原始圖像信噪比，甚至導(dǎo)致成像功能失效。因此，如何實(shí)現(xiàn)星載高光譜成像儀的抗輻照設(shè)計(jì)逐漸成為星載儀器研制亟待解決的重要問(wèn)題。

本文結(jié)合工程實(shí)現(xiàn)，對(duì)高光譜成像儀電子學(xué)中抗輻照設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索和總結(jié)。

1 抗輻照總體設(shè)計(jì)

基于星載遙感大孔徑干涉成像光譜技術(shù)(LASIS)的高光譜成像儀，其電荷耦合器件(CCD)成像電路具有面陣大、幀頻高、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，對(duì)空間輻照環(huán)境更為敏感，這就對(duì)從電子學(xué)角度對(duì)高光譜成像儀進(jìn)行抗輻照設(shè)計(jì)提出了更高的要求。多年高光譜成像儀載荷的研制經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果均表明：在光機(jī)結(jié)構(gòu)采取抗輻照設(shè)計(jì)條件下，整個(gè)遙感任務(wù)期內(nèi)，高光譜成像儀的光機(jī)結(jié)構(gòu)的輻照退化對(duì)整體性能影響要遠(yuǎn)小于電子學(xué)部分的衰退影響，故本文重點(diǎn)研究從電子學(xué)的角度進(jìn)行抗輻照設(shè)計(jì)。

大孔徑干涉高光譜成像儀(典型光機(jī)電結(jié)構(gòu)如圖1所示)從組成上分為光學(xué)組件、結(jié)構(gòu)件、電子學(xué)組件三部分。光學(xué)組件由前置光學(xué)系統(tǒng)部件、準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)部件、干涉儀、傅里葉鏡構(gòu)成，用于完成對(duì)遙感景象的光學(xué)干涉成像；結(jié)構(gòu)件包含支撐各部分光學(xué)組件的成像儀主體、放置電子學(xué)電路的結(jié)構(gòu)箱體；電子學(xué)組件主要包括光電轉(zhuǎn)換電路、模擬信號(hào)處理電路、圖像數(shù)據(jù)壓縮電路、高速數(shù)據(jù)傳輸電路、成像儀控制電路等五大功能部分[3]。

圖1 高光譜成像儀光、機(jī)、電三部分組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical,mechanical and electrical constructions of a hyperspectral imager

高光譜成像儀電子學(xué)的五大功能部分按照結(jié)構(gòu)件獨(dú)立性可劃分為焦面組件(光電轉(zhuǎn)換)、信號(hào)處理器電路和光譜成像儀控制器三臺(tái)單機(jī)[4]，如圖2所示：光譜成像儀控制器用來(lái)提供分系統(tǒng)電源、與衛(wèi)星數(shù)管系統(tǒng)通訊及收發(fā)整星指令；信號(hào)處理器在控制器指令下處理幀頻、增益、通信及秒脈沖信號(hào)，并向控制器反饋遙測(cè)信息，給衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)；可見(jiàn)光焦面和紅外焦面用于完成可見(jiàn)光近紅外譜段、短波紅外譜段的光電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從目標(biāo)光信息到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。高光譜成像儀為兼顧高空間分辨率和寬遙感幅面，焦面組件選用背照式大面陣分幀轉(zhuǎn)移高速光電轉(zhuǎn)換器件，有32個(gè)并行高速輸出端口，每個(gè)端口模擬視頻像元輸出速率高達(dá)36 MHz。視頻轉(zhuǎn)換采用多片四通道高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADDI7004的大面陣、高幀頻高速成像電子學(xué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)32個(gè)通道的高速模擬視頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)2048×256像元面陣圖像、幀頻1500幀/秒的CCD成像指標(biāo)[5]。

圖2 星載高光譜成像儀電子學(xué)組成Fig.2 Electronic composition of a spaceborne remote sensing hyperspectral imager

高光譜成像儀受到輻射影響主要是地球內(nèi)輻射帶的質(zhì)子、電子和重離子所產(chǎn)生的總劑量輻照效應(yīng)和單粒子效應(yīng)[6]。

影響星載高光譜成像儀的總劑量效應(yīng)是因空間的帶電粒子在電路的半導(dǎo)體器件內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，從而引起電參數(shù)漂移，進(jìn)而引發(fā)器件功能失效，導(dǎo)致成像電路工作異常；入射粒子與電路中半導(dǎo)體器件中的晶格原子發(fā)生碰撞，造成位移損傷，導(dǎo)致器件永久性失效[7]。在國(guó)際通用單位制中，用拉德(rad)和戈瑞(Gy)表示輻射劑量的大小，1 Gy=100 rad[8]。

單粒子效應(yīng)主要影響到高光譜成像儀電路中的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)、FPGA、數(shù)據(jù)總線等集成電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、直流轉(zhuǎn)直流電源(DC/DC)、功率金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)管、運(yùn)放等模擬和數(shù)?；旌想娐贰?/p>

高光譜成像儀抗輻照總體設(shè)計(jì)原則：綜合使用金屬結(jié)構(gòu)材料優(yōu)化屏蔽、電子元器件合理選型、應(yīng)用電路上抗輻照加固設(shè)計(jì)3種途徑。重點(diǎn)從兩個(gè)方面展開(kāi)設(shè)計(jì)：一是高光譜成像儀的結(jié)構(gòu)殼體設(shè)計(jì)方面，加強(qiáng)金屬殼體的屏蔽性能；二是電路設(shè)計(jì)方面，提高電路抗輻照水平，合理增大成像電路的輻照設(shè)計(jì)裕度。

2 抗輻照電子學(xué)設(shè)計(jì)

由于衛(wèi)星所處輻射環(huán)境復(fù)雜，且航天產(chǎn)品用元器件的輻照敏感存在離散，衛(wèi)星總體對(duì)載荷選用電子器件進(jìn)行抗輻照設(shè)計(jì)提出了最小輻射設(shè)計(jì)裕度(RDM)的要求[9]。高光譜成像儀研制團(tuán)隊(duì)多年來(lái)在衛(wèi)星平臺(tái)的建造規(guī)范要求(rRDM≥2)基礎(chǔ)上，綜合抗輻射加嚴(yán)要求和成本控制，在設(shè)計(jì)中取rRDM=5，穩(wěn)健地確保了高光譜成像儀抗輻照設(shè)計(jì)的可靠性。

(1)

式中：Df為元器件自身的輻射失效劑量；Da為元器件實(shí)際所處位置處的輻射劑量。

高光譜成像儀采取分層級(jí)抗輻照設(shè)計(jì)的思想，如圖3所示，電子學(xué)設(shè)計(jì)從分系統(tǒng)電子學(xué)、實(shí)現(xiàn)單機(jī)、功能電路進(jìn)行分層，然后從器件選型、器件加固、應(yīng)用層單粒子加固、應(yīng)用層抗單粒子加固、摸底試驗(yàn)層等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)。高光譜成像儀針對(duì)性分層級(jí)抗輻照電子學(xué)設(shè)計(jì)著重兩方面：一是在電路設(shè)計(jì)前通過(guò)選用有較高抗輻射指標(biāo)的元器件，增強(qiáng)電子學(xué)部分的抗輻照能力；二是應(yīng)用級(jí)抗輻射設(shè)計(jì)，即在元器件使用中，從硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)上采取抗輻射加固措施。

圖3 星載高光譜成像儀電子學(xué)分層級(jí)抗輻照設(shè)計(jì)Fig.3 Layered anti irradiation design of hyperspectral imager electronics

2.1 目標(biāo)化的抗電離總劑量設(shè)計(jì)

在搭載高光譜成像儀的衛(wèi)星上，電離總劑量效應(yīng)指標(biāo)指電子器件敏感區(qū)域的能承受的累積吸收劑量。計(jì)算時(shí)先將衛(wèi)星等效成實(shí)心球，根據(jù)軌道高度H=5×105m，計(jì)算球心處的輻射劑量與球的半徑R之間的關(guān)系，得出衛(wèi)星在軌壽命期間的輻射劑量隨屏蔽厚度的變化曲線，計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 5年期輻射劑量-常用屏蔽深度關(guān)系Table 1 Relationship between 5-year radiation dose and shielding depth

設(shè)計(jì)中選用元器件的原則是綜合考慮宇航級(jí)器件價(jià)格前提下，優(yōu)先選取有明確抗電離總劑量指標(biāo)且滿足RDM值為5的器件；某些器件不能查詢到總劑量指標(biāo)，但經(jīng)過(guò)調(diào)研后能確認(rèn)有充分的在軌飛行經(jīng)歷的，也進(jìn)行了選用；對(duì)于輻照指標(biāo)不能直接滿足要求的器件，在應(yīng)用電路上進(jìn)行附加屏蔽措施。

由表1可知，求得500 km圓軌道5年3 mm等效鋁厚度的電離總劑量為4.74 krad(Si)。高光譜成像儀抗輻照設(shè)計(jì)按rRDM=5為5加嚴(yán)，選用電子元器件電離總劑量水平不低于23.7 krad(Si)。按照輻射指標(biāo)要求，優(yōu)先選擇能直接滿足抗輻照指標(biāo)的電子元器件；對(duì)于輻照指標(biāo)不滿足要求的電路，先從應(yīng)用電路設(shè)計(jì)方面進(jìn)行應(yīng)用加固，再?gòu)恼w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行屏蔽加固。圖4描述了高光譜成像儀電子學(xué)抗電離總劑量設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程[10]：通過(guò)對(duì)設(shè)備內(nèi)部輻照總劑量分析，確定選用電子元器件需耐受劑量Da；然后通過(guò)查詢器件生產(chǎn)廠提供的輻照試驗(yàn)報(bào)告及數(shù)據(jù)包，明確選用器件可耐受的總劑量Df，以此計(jì)算分系統(tǒng)電子學(xué)實(shí)際是否滿足rRDM=5，滿足則完成該部分功能電路設(shè)計(jì)；不滿足則通過(guò)防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步迭代優(yōu)化，直至滿足RDM設(shè)計(jì)要求。

圖4 面向星載遙感目標(biāo)的高光譜成像儀電子學(xué)抗電離總劑設(shè)計(jì)流程Fig.4 Design process of electronic anti ionization agent for hyperspectral imager for satellite borne remote sensing target

表2列舉了高光譜成像儀關(guān)鍵電子學(xué)器件的輻照加固措施。

表2 高光譜成像儀關(guān)鍵器件抗輻照設(shè)計(jì)措施Table 2 Anti-irradiation design measures for key components of hyperspectral imager

光電轉(zhuǎn)換器件CCD160-250-SFT在空間輻照環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移效率(CTE)降低、體暗電流密度增大、暗信號(hào)退化等問(wèn)題。該款探測(cè)器是高速、高靈敏度、高量子效率的背照式2048×256像元面陣CCD，像元尺寸16 μm×16 μm，滿阱電荷容量240 ke-，暗電流0.5 nA/cm2，ηCTE>0.999 99。按照用戶對(duì)光譜復(fù)原精度要求，允許5年任務(wù)末期CTE值衰減到0.999 90，根據(jù)輻射損傷關(guān)系，從器件結(jié)構(gòu)屏蔽上加厚1 mm金屬屏蔽。

制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中使用FPGA產(chǎn)生脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋臂的場(chǎng)效應(yīng)管，頻繁突變的電場(chǎng)產(chǎn)生瞬變的磁場(chǎng)，制冷機(jī)脈寬調(diào)制電路的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)開(kāi)關(guān)頻率輻射干擾較強(qiáng)，故舍棄SRAM型FPGA，選用金屬對(duì)金屬結(jié)構(gòu)(M2M)反熔絲工藝A54SX72A，它抗輻照性能好[10]，且無(wú)需外部程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)配置文件，提高了制冷驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

用作高光譜成像儀圖像信號(hào)處理的關(guān)鍵器件XQ5VFX130T，其宇航級(jí)產(chǎn)品價(jià)格昂貴(市場(chǎng)價(jià)200萬(wàn)元/片)且貨源緊缺，采用購(gòu)買工業(yè)級(jí)器件進(jìn)行升級(jí)篩選，并對(duì)其抗輻照能力進(jìn)行摸底。電離總劑量試驗(yàn)結(jié)果表明:采用的這批XQ5VFX130T抗電離總劑量能力達(dá)到100 krad(Si)，滿足星載高光譜成像儀使用要求。

高光譜成像控制電路選用進(jìn)口的883等級(jí)的54HC系列門電路器件，它們總劑量指標(biāo)不足10 krad(Si)，故對(duì)該部分電路增加了2 mm鉭板附加屏蔽設(shè)計(jì)，從應(yīng)用層面提高了控制電路的抗電離總劑量水平[11]。

2.2 針對(duì)性抗單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)

單粒子在半導(dǎo)體材料中沉積的能量用線性能量傳輸(LET)衡量，它指高能粒子穿過(guò)單位長(zhǎng)度硅材料時(shí)沉積的能量大小，單位是MeV·cm2/mg。

設(shè)計(jì)原則：綜合器件采購(gòu)成本的前提下，優(yōu)先選用較高LET閾值和較低飽和翻轉(zhuǎn)界面的元器件；對(duì)于單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值大于15 MeV·cm2/mg的器件，直接選用；單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值小于15 MeV·cm2/mg的器件，在電路設(shè)計(jì)上進(jìn)行充分的抗單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估。單粒子閂鎖LET閾值大于75 MeV·cm2/mg的器件，直接選用；單粒子閂鎖LET閾值介于37～75 MeV·cm2/mg的器件，電路上進(jìn)行充分防護(hù)設(shè)計(jì)并評(píng)估無(wú)風(fēng)險(xiǎn)后選用；單粒子閂鎖LET閾值小于37 MeV·cm2/mg的器件，進(jìn)行充分防護(hù)設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后方能使用。

首先，在選用作為高光譜成像關(guān)鍵器件的光電轉(zhuǎn)換用CCD圖像傳感器時(shí)，為同時(shí)兼顧高空間分辨率、光譜分辨率以及高光譜成像儀采用的時(shí)空聯(lián)合調(diào)制干涉成像原理，要求CCD滿足大面陣、高幀頻、多抽頭等特性的同時(shí)，其抗輻照設(shè)計(jì)指標(biāo)需滿足空間任務(wù)壽命需求。為此，甄選了在芯片設(shè)計(jì)上使用抗輻照加固的超薄絕緣體上硅(UTSOI)工藝的大面陣高速CCD160-250-SFT，使得其對(duì)單粒子閂鎖免疫，抗單粒子瞬態(tài)能力環(huán)比高了約100倍。

其次，針對(duì)處理器芯片XQ5VFX130T抗單粒子閂鎖能力滿足但抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力較弱的問(wèn)題，在電路中設(shè)計(jì)FPGA的芯片配置存儲(chǔ)區(qū)回讀糾錯(cuò)功能模塊，設(shè)計(jì)用回讀刷線配合三模冗余來(lái)提升該芯片的抗單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)能力。設(shè)計(jì)中將該FPGA實(shí)現(xiàn)的高光譜成像儀成像功能中驅(qū)動(dòng)時(shí)序模塊設(shè)計(jì)三模冗余；模擬視頻處理和圖像拼接功能模塊實(shí)現(xiàn)配置刷新，配置刷新的硬件電路采用外部配合控制的反熔絲工藝A54SX72A(對(duì)SEU免疫)，根據(jù)LASIS成像256幀狀態(tài)一致方能提取譜信息的特點(diǎn)，回讀時(shí)機(jī)設(shè)計(jì)在每次改變幀頻或增益時(shí)。

對(duì)無(wú)抗單粒子效應(yīng)(SEE)指標(biāo)的四通道專用CCD模擬視頻處理器ADDI7004(以下簡(jiǎn)稱ADC)，在應(yīng)用電路上進(jìn)行抗單粒子效應(yīng)加固。設(shè)計(jì)時(shí)首先進(jìn)行輻照試驗(yàn)和單粒子摸底試驗(yàn)確定其實(shí)際的抗輻照指標(biāo)及單粒子指標(biāo)，然后進(jìn)行工業(yè)級(jí)器件的升級(jí)篩選。在視頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中，針對(duì)升級(jí)篩選后ADC抗單粒子能力較弱問(wèn)題，進(jìn)行應(yīng)用層的針對(duì)性設(shè)計(jì)：采用熱備份+冷備份的硬件電路設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖5)，即在處理電路上設(shè)計(jì)成硬件主備份(主備各實(shí)現(xiàn)32路模擬視頻處理的冷備份)，此外，又分別在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路上設(shè)計(jì)熱備份(32路分別又備份成64路)，這樣實(shí)現(xiàn)了電路在發(fā)生單粒子異常時(shí)，不通過(guò)冷備份即可進(jìn)行模擬處理電路的熱備份切換。

圖5 高光譜成像儀抗單粒子雙重主備電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Main and standby dual-circuit structure design of anti single particle for the hyperspectral imager

此外，在FPGA軟件中的配置和控制ADC的軟件模塊中設(shè)計(jì)了健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同步字來(lái)判斷單粒子閂鎖是否發(fā)生，并配以動(dòng)態(tài)刷新ADC的內(nèi)部可編程配置寄存器的功能模塊來(lái)提高其配置可靠性；當(dāng)軟件檢測(cè)到ADC發(fā)生單粒子閂鎖時(shí)，F(xiàn)PGA觸發(fā)電源控制信號(hào)，采取強(qiáng)制斷電掉電來(lái)解除閂鎖。軟件檢測(cè)異常的功能模塊設(shè)計(jì)如下(見(jiàn)圖6)：關(guān)鍵參數(shù)包括ADC芯片掉電需要的最小時(shí)間T0與上電需要的最小時(shí)間T1，ADC的復(fù)位時(shí)間T2，ADC判斷為故障時(shí)間閾值T3，兩次故障之間的最小間隔時(shí)間T4；設(shè)計(jì)工作過(guò)程：系統(tǒng)上電，對(duì)ADC的寄存器進(jìn)行定時(shí)刷新；同時(shí)對(duì)ADC輸出的行標(biāo)志字進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算相鄰兩個(gè)行標(biāo)志字的間隔T。

圖6 ADC抗單粒子軟件功能設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.6 Function design of ADC anti single event software

步驟1：第一次故障判斷。

情況A1：當(dāng)T≤T3時(shí)，則判斷為ADC工作正常，不采取額外的操作；

情況B1：當(dāng)T>T3時(shí)，則判斷為ADC發(fā)生故障。

步驟2：第一次故障處理。

停止刷新寄存器，將ADC的外部復(fù)位信號(hào)置為低電平，當(dāng)復(fù)位信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間達(dá)到T2之后，復(fù)位信號(hào)置為高電平，對(duì)ADC重新進(jìn)行初始化參數(shù)配置操作；在此期間，F(xiàn)PGA對(duì)ADC對(duì)應(yīng)的圖像自動(dòng)填0；ADC芯片繼續(xù)工作，繼續(xù)對(duì)ADC的寄存器進(jìn)行定時(shí)刷新，同時(shí)對(duì)ADC輸出的行標(biāo)志字進(jìn)行檢測(cè)，繼續(xù)計(jì)算相鄰兩個(gè)行標(biāo)志字的間隔T。

步驟3：第二次故障判斷。

情況A2：當(dāng)T≤T3時(shí)，則判斷為ADC芯片工作正常，不采取額外的操作；

情況B2：當(dāng)T3

情況C：當(dāng)T>T4時(shí)，則判斷為ADC芯片發(fā)生故障，且第一次故障處理解決了寄存器的單粒子鎖定問(wèn)題，則繼續(xù)采用步驟2進(jìn)行故障處理；

步驟4：對(duì)故障情況B2的處理。

停止寄存器的刷新，將ADC的電源芯片的使能置為無(wú)效，進(jìn)行掉電操作；

掉電時(shí)間達(dá)到T0之后，將電源芯片的使能置為有效，進(jìn)行上電操作；

上電時(shí)間達(dá)到T1之后，對(duì)ADC芯片進(jìn)行復(fù)位操作(當(dāng)復(fù)位信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間達(dá)到T2之后，復(fù)位信號(hào)置為高電平)、配置寄存器參數(shù)的操作；在此期間FPGA對(duì)ADC芯片對(duì)應(yīng)的圖像自動(dòng)填0。

在第二次故障處理后，若再次出現(xiàn)故障情況B2，則判定ADC徹底損壞無(wú)法修復(fù)。軟件修復(fù)停止，轉(zhuǎn)為硬件熱備份切換。

2.3 抗輻照能力與設(shè)計(jì)成本的均衡化

為提高衛(wèi)星載荷的抗輻照能力，單純依賴選用抗輻照指標(biāo)較高的宇航級(jí)器件，固然能提高產(chǎn)品的抗輻照能力，但研制成本較高[12]。高光譜成像儀抗輻照設(shè)計(jì)中從器件選型、電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)層面兼顧了抗輻照能力和研制成本。表3列出了在CCD模擬視頻處理電路中，比對(duì)采用抗輻照指標(biāo)較高的OM7560A或LM98640QML-SP與升級(jí)篩選ADDI7004的硬件設(shè)計(jì)成本，OM7560A采購(gòu)單價(jià)約為人民幣3萬(wàn)元/片，宇航級(jí)LM98640W-MLS國(guó)內(nèi)銷售價(jià)約8萬(wàn)元/片。通過(guò)綜合對(duì)比，確定了在兼顧抗輻照能力的條件下，選擇硬件成本最低的設(shè)計(jì)方案，即升級(jí)篩選工業(yè)級(jí)ADDI7004。

表3 高光譜成像儀關(guān)鍵器件抗輻照設(shè)計(jì)措施Table 3 Anti irradiation design measures for key components of hyperspectral imager

3 測(cè)試與試驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)試高光譜成像儀的抗輻照設(shè)計(jì)有效性，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高光譜成像儀鑒定級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行了地面模擬輻照試驗(yàn)。四路模擬視頻處理器ADDI7004為高光譜成像儀分系統(tǒng)信號(hào)鏈路中的抗輻照最薄弱環(huán)節(jié)，可等效認(rèn)為其即代表了分系統(tǒng)最低的抗輻照能力，進(jìn)行的摸底試驗(yàn)主要是單粒子效應(yīng)測(cè)試和輻照總劑量測(cè)試。

3.1 單粒子測(cè)試驗(yàn)證

單粒子摸底測(cè)試中分別使用Bi/Ge/Ti/Cl/F粒子，在99.8/37.3/22.2/13.4/4.4 MeV·cm2/mg的LET閾值條件下，對(duì)同批次的ADDI7004進(jìn)行了單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：該批ADDI7004的單粒子鎖定LET閾值大于13.4 MeV·cm2/mg；

用重離子回旋加速器(HIRFL)的Bi粒子，對(duì)同批次的XQ5VFX130T型FPGA進(jìn)行單粒子輻照效應(yīng)評(píng)估，試驗(yàn)表明：該批次器件抗單粒子鎖定的LET閾值大于99.8 MeV·cm2/mg，單粒子翻轉(zhuǎn)閾值仍顯不足，需考慮軟件刷新設(shè)計(jì)。

3.2 輻照總劑量試驗(yàn)測(cè)試

用鈷-60γ射線源，劑量率設(shè)為0.1 rad(Si)/s，對(duì)同批次的ADDI7004分別在總劑量為0 krad(Si)、30 krad(Si)、50 krad(Si)、高溫加速退火后，共4個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)論如下：該批器件抗電離總劑量能力大于50 krad(Si)。

用鈷-60γ射線源，劑量率設(shè)為10 rad(Si)/s，對(duì)同批次的XQ5VFX130T型FPGA進(jìn)行輻照評(píng)估，總劑量點(diǎn)分別為0 krad(Si)、100 krad(Si)、高溫加速退火后共3個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比，得出試驗(yàn)結(jié)論：該批次器件抗電離總劑量能力達(dá)到100 krad(Si)。

表4給出了分系統(tǒng)功能電路在輻照設(shè)計(jì)前后的能力對(duì)比情況，通過(guò)在電路應(yīng)用中的抗電離總劑量薄弱環(huán)節(jié)局部增加金屬屏蔽防護(hù)等加固設(shè)計(jì)，使得儀器電子學(xué)電離總劑量敏感器件抗輻照設(shè)計(jì)余量RDM大幅提高；通過(guò)更換器件、軟件加固及動(dòng)態(tài)刷新等機(jī)制，分系統(tǒng)功能電路抗單粒子鎖定能力顯著提升，分系統(tǒng)滿足500 km軌道高度5年期遙感高光譜成像任務(wù)需求。

表4 高光譜成像儀抗輻照設(shè)計(jì)前后有效性比對(duì)Table 4 Effectiveness comparison of hyperspectral imager before and after anti irradiation design

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)高光譜成像儀工程化電路設(shè)計(jì)中的探索及迭代積累的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合目前最新的抗輻照設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)，提出了針對(duì)性地進(jìn)行星載高光譜成像儀的分層級(jí)抗輻照設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)系統(tǒng)電子學(xué)研制分層成器件、模塊電路、系統(tǒng)電子學(xué)，按照“先器件，后應(yīng)用；先電路設(shè)計(jì)，后輻照屏蔽”的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了星載遙感高光譜成像儀在兼顧研制成本條件下的長(zhǎng)壽命、高抗輻照設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且經(jīng)過(guò)了工程化測(cè)試驗(yàn)證。為確保大孔徑干涉高光譜成像儀在技術(shù)創(chuàng)新和工程化實(shí)現(xiàn)兩方面均保持高靈敏-(高分辨率、高信噪比)、識(shí)譜準(zhǔn)(高光譜分辨率)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)夯實(shí)了基礎(chǔ)，也為尋求星載高光譜成像儀抗輻照設(shè)計(jì)的高效方法和技術(shù)手段進(jìn)行了有益探索。