星敏感器瞬態(tài)效應(yīng)仿真及抗干擾算法*

周建濤，張春明

(北京控制工程研究所，北京 100190)

星敏感器瞬態(tài)效應(yīng)仿真及抗干擾算法*

周建濤，張春明

(北京控制工程研究所，北京 100190)

分析星敏感器在南大西洋異常區(qū)(south atlantic anomaly,SAA)工作異常的機(jī)理，建立空間粒子干擾仿真模型；并在此基礎(chǔ)上，提出星點(diǎn)甄別和幀間比對(duì)兩種抗空間粒子干擾算法.仿真結(jié)果表明，SAA環(huán)境下采用改進(jìn)后的算法，星敏感器在捕獲和跟蹤模式下其識(shí)別成功率高、耗時(shí)少，空間輻射環(huán)境適用性較強(qiáng).

星敏感器；空間輻射環(huán)境；瞬態(tài)效應(yīng)

0 引 言

地球磁場(chǎng)在南大西洋上空存在分布異常的情況[1],已有的大量國內(nèi)外資料顯示，星敏感器在經(jīng)過SAA區(qū)時(shí)常發(fā)生定姿失效現(xiàn)象.分析認(rèn)為，在該區(qū)域海拔高于200 km的空間區(qū)域存在太陽風(fēng)引起的高能帶電粒子，造成星敏感器成像器件發(fā)生瞬態(tài)效應(yīng)，產(chǎn)生大量偽星點(diǎn)，對(duì)星敏感器正常工作帶來嚴(yán)重干擾[2-5].針對(duì)這一問題，國外通常在圖像處理算法上來提高星敏感器算法的抗輻射性能，而目前國內(nèi)對(duì)這一問題的研究相對(duì)較少.

基于此背景，本文通過建立空間輻射粒子對(duì)星敏感器圖像的瞬態(tài)效應(yīng)仿真模型，分析了空間輻射對(duì)星敏感器的成像影響，在此基礎(chǔ)上結(jié)合星敏感器的星圖識(shí)別算法提出了相應(yīng)的抗輻射干擾算法.仿真結(jié)果顯示，改進(jìn)后的算法可以較大增強(qiáng)星敏感器的抗空間粒子干擾能力.

1 瞬態(tài)效應(yīng)仿真

由空間輻射環(huán)境可知，SAA區(qū)帶電粒子主要由高能質(zhì)子構(gòu)成，本文的仿真主要針對(duì)高能質(zhì)子.質(zhì)子入射至成像器件感光層時(shí)，與其運(yùn)動(dòng)路徑上的靶物質(zhì)的電子發(fā)生庫侖相互作用，使其中一部分電子脫離原子束縛成為自由電子.這種情況下，此部分輻射產(chǎn)生的載流子(自由電子)被當(dāng)作有用信號(hào)讀出，表現(xiàn)為瞬態(tài)效應(yīng)，即對(duì)下一個(gè)周期的信號(hào)讀出沒有影響.本文將從高能質(zhì)子與探測(cè)器的相互作用模型以及成像器件的電荷收集模型出發(fā)來完成瞬態(tài)效應(yīng)仿真建模.

1.1高能質(zhì)子與探測(cè)器的相互作用模型

目前，基于可見光波段的星敏感器均使用硅基底的探測(cè)器件.高能質(zhì)子與探測(cè)器的相互作用模型可用質(zhì)子在硅中產(chǎn)生電荷量描述，即傳能線密度(linear energy transfer, LET)來描述.該定義為單位徑跡上的能量損失，用-dE/dx表示.根據(jù)量子理論，重帶電粒子在靶物質(zhì)中的傳能線密度由Bethe-Bloch公式近似描述[6]

(1)

根據(jù)相對(duì)論性運(yùn)動(dòng)學(xué)可知

1/(1-β2)=γ2=(Etol/Mc2)2=
((Mc2+E)/Mc2)2

(2)

式中c為光速，令式(2)為ψ.對(duì)于常溫下的硅而言，產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)所需的能量約為3.65 eV，所以單位長度質(zhì)子所電離產(chǎn)生的電子數(shù)為nLCT=nLET/3.65.約定粒子的能量單位為MeV，長度單位為μm，代入各已知參數(shù)，得到質(zhì)子在單位長度上能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的自由電子空穴對(duì)數(shù)nLCT(EHP/μm)

(3)

1.2成像器件電荷收集模型

當(dāng)前星敏感器所用的成像器件主要有電荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)和有源像素成像器件(active pixel sensor, APS)等.從本質(zhì)上講，兩者都是利用光電效應(yīng)的半導(dǎo)體集成器件，只是收集和讀出光生電荷的方式不同.每個(gè)像元的工作機(jī)理可用層狀結(jié)構(gòu)(耗盡層+擴(kuò)散層)來描述.以當(dāng)前星敏感器常用的面陣型CCD為例，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示.

對(duì)高能粒子而言，其徑跡可認(rèn)為是一直線，一個(gè)質(zhì)子射入成像敏感器中的情況可用圖2來表示.圖2顯示，入射粒子在相關(guān)像素下的徑跡與其入射角、方位角以及入射點(diǎn)的位置有關(guān).

已知高能質(zhì)子的有效軌跡長度，結(jié)合式(3)，即能計(jì)算出此像素下產(chǎn)生的電量.在此基礎(chǔ)上，已知有效區(qū)域的收集情況，就可得到此像素信號(hào)的大小.從圖2可知，敏感器像素下的電荷收集情況，主要分兩層考慮[6]：

敏感層：敏感層含多個(gè)耗盡層，每各耗盡層所占的區(qū)域不同，一般它們都不大于像元的大小.在耗盡層區(qū)域存在強(qiáng)電場(chǎng)，在耗盡層中產(chǎn)生的自由電子都被收集到相應(yīng)的像素中，即在耗盡層中的有效區(qū)域內(nèi)認(rèn)為載流子的收集效率為100%.某像素下的電量收集情況可用公式Q=nLCT·Ldrift來計(jì)算，其中Ldrift為此像素下粒子徑跡在耗盡層區(qū)域的長度.

自由層：在自由層中電場(chǎng)很小或外加電場(chǎng)為零，在其中產(chǎn)生的電荷作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，只有那些擴(kuò)散到耗盡層的電荷才可被收集到相應(yīng)的像素中.電荷在自由層中的收集情況，可采用Kikapatrick提出的一個(gè)分析模型來計(jì)算[6].點(diǎn)源Qps(x,y)在(x,y)產(chǎn)生的電荷在耗盡層與擴(kuò)散層界面處單位面積的貢獻(xiàn)可用如下公式來描述：

(4)

式中，n0即為nLCT，(x,y)、(x′,y′,z′)都是以入射粒子徑跡在界面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，(x,y)為欲求的界面的坐標(biāo)，(x′,y′,z′)為點(diǎn)源的坐標(biāo).質(zhì)子的徑跡對(duì)某一點(diǎn)的貢獻(xiàn)表示為

(5)

若已知入射角θ，方位角Φ，則

x′=lsinθcosΦ,y′=lsinθsinΦ,z′=lcosθ.

其中l(wèi)為入射粒子的經(jīng)跡長度，L為粒子徑跡在擴(kuò)散層中的總長度，在仿真中取粒子徑跡在擴(kuò)散層中的長度與射程的最小值.當(dāng)粒子能量較大時(shí)，粒子的射程在數(shù)百微米，一般遠(yuǎn)大于其徑跡長度.

式(5)經(jīng)變換積分后可化為

(6)

式中，a=x2+y2,b=-2(xcosΦ+ysinΦ)sinθ,k=4a-b.

為了避免在入射點(diǎn)產(chǎn)生電荷的單一性，引入隨機(jī)小量ε，則有

(7)

對(duì)某個(gè)像素下電量的收集情況，可以用在這個(gè)像素下的積分來表示：

(8)

其中(n,m)為像素矩陣中的坐標(biāo).式(8)一般采用亞像元的能量積分來求解[7].

2 SAA區(qū)星敏感器成像仿真

基于以上針對(duì)單個(gè)高能質(zhì)子的瞬態(tài)效應(yīng)分析，已知星敏感器工作的空間輻射環(huán)境，則可以仿真星敏感器中高能輻射粒子的在軌成像情況.影響空間輻射成像情況的一些重要參數(shù)見下表1所示.

入射質(zhì)子角度抽樣：考慮空間輻射和星敏感器屏蔽情況，光電感光器件上質(zhì)子的入射角可認(rèn)為是各向同性分布，入射角可以由以下過程抽樣得出：θ=0.5arccos(1-2ξ)，其中ξ為在區(qū)間[0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù).

質(zhì)子的方位角抽樣：φ=2πε，其中ε為在區(qū)間[0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù).

入射質(zhì)子數(shù)抽樣：由空間輻射特性可知在積分時(shí)間內(nèi)到達(dá)器件的帶電粒子可以看成是一個(gè)泊松過程.面陣器件的面積為A，單位時(shí)間單位面積的粒子平均積分通量為Φ，則質(zhì)子到達(dá)面陣器件為一事件可以就是參數(shù)為λ=1/AΦ的泊松過程.又由泊松過程的特性，可以知道入射粒子到達(dá)器件的時(shí)間滿足指數(shù)分布，粒子數(shù)可以由如下過程抽樣得出：

(2)

表1 SAA區(qū)空間輻射相關(guān)參數(shù)Tab.1 The space radiation related parameters against SAA zone

在SAA區(qū)積分時(shí)間內(nèi)面陣的上的平均粒子數(shù)約為AΦTint=645個(gè)，因積分與時(shí)間與粒子平均間隔時(shí)間相差較大，由大數(shù)定律可知積分時(shí)間內(nèi)到達(dá)探測(cè)器件上的粒子數(shù)趨向其期望值.故對(duì)公式產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可進(jìn)行限定，以SAA區(qū)為例，若抽樣產(chǎn)生的粒子數(shù)不在區(qū)間[300,1 000]內(nèi)則令其為期望值645.

根據(jù)以上過程，則SAA區(qū)星敏感器理想成像情況仿真分別如圖3～4所示.

3 抗輻射干擾算法及其應(yīng)用

在分析星點(diǎn)成像特點(diǎn)和瞬態(tài)效應(yīng)成像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，我們可以根據(jù)星點(diǎn)成像與瞬態(tài)效應(yīng)成像特點(diǎn)來設(shè)計(jì)星點(diǎn)甄別算法和幀間比對(duì)算法.

星點(diǎn)成像近似高斯分布，其幅值由恒星星等確定，有一定的區(qū)間范圍；同時(shí)真星點(diǎn)在星圖中的位置有一定的規(guī)律.而瞬態(tài)效應(yīng)的成像非高斯分布，出現(xiàn)的位置隨機(jī).根據(jù)星點(diǎn)成像和瞬態(tài)效應(yīng)的相異性，可采用星點(diǎn)甄別算法來去除瞬態(tài)效應(yīng)，根據(jù)瞬態(tài)效應(yīng)在星圖中出現(xiàn)位置的隨機(jī)性，可以采用幀間比對(duì)算法.

3.1星點(diǎn)甄別算法

幅度準(zhǔn)則：目標(biāo)過亮或過暗不是真星點(diǎn)[5].取導(dǎo)航星星等0～6，且知0等星的產(chǎn)生的光電子數(shù)為2.2×106，高斯彌散半徑為0.6像素.則待定目標(biāo)總能量不在[4×103,2.5×106]區(qū)間內(nèi)為偽星點(diǎn)；目標(biāo)像素峰值大于8×105也不是真星點(diǎn).

尺度準(zhǔn)則：目標(biāo)分布過大過小或過長不是真星點(diǎn)[5].對(duì)入射角較小的入粒子，其瞬態(tài)效應(yīng)成像為一較長線段，而星點(diǎn)成像滿足高斯分布近似圓形，且絕大部分能量集中在中心幾個(gè)像素中.由星點(diǎn)成像特點(diǎn)，則可以得出成像過長或成像分布過廣的不是真星點(diǎn).星點(diǎn)目標(biāo)長寬分布較大的也不是真星點(diǎn).

梯度準(zhǔn)則：真星點(diǎn)像素的灰度值近似高斯分布，中心像素灰度值最大且相鄰像素的能量值相差在一定范圍內(nèi).考慮峰值像素周圍4個(gè)像素的情況，取梯度為峰值像素與周圍各像素的比值，經(jīng)計(jì)算此梯度值最大為35，大于此值的目標(biāo)不是真星點(diǎn).

3.2幀間比對(duì)算法

一般情況下，采用星點(diǎn)甄別算法可以有效的去除瞬態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生的大目標(biāo)和孤立噪聲點(diǎn)，但對(duì)瞬態(tài)效應(yīng)與真星點(diǎn)較為相似時(shí)的情況，此時(shí)宜采用多幀策略.在航天器姿態(tài)穩(wěn)定的情況下，相鄰兩幀星圖的對(duì)應(yīng)的星點(diǎn)有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其位置變化不大且能量近似相等.而瞬態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生的目標(biāo)的位置和能量卻表現(xiàn)出隨機(jī)性.

對(duì)三軸穩(wěn)定航天器來說，穩(wěn)定狀態(tài)下星點(diǎn)在積分時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離較小，一般不超過10個(gè)像素，若當(dāng)前幀星圖某目標(biāo)與前幀星圖中某個(gè)目標(biāo)的距離小于10個(gè)像素，則這兩個(gè)目標(biāo)可能是對(duì)應(yīng)的，如果這兩個(gè)目標(biāo)的能量大小還相當(dāng)?shù)脑?，就認(rèn)為這個(gè)星點(diǎn)目標(biāo)是可信的[4-5].

在跟蹤模式下，星敏感器的先驗(yàn)姿態(tài)信息已知，可只在跟蹤窗口內(nèi)進(jìn)行星點(diǎn)甄別和幀間比對(duì).同時(shí)增加對(duì)異常姿態(tài)的濾波處理.若當(dāng)前姿態(tài)計(jì)算值與前一時(shí)刻時(shí)相差較大，則剔出當(dāng)前姿態(tài)信息保持前一時(shí)刻的姿態(tài)信息.

3.3結(jié)果分析

以當(dāng)前國內(nèi)使用的不加抗輻射干擾措施的識(shí)別算法為參考算法，以本文的算法為改進(jìn)算法，兩者的比較如表2所示.表2顯示，在無偽星點(diǎn)時(shí)，改進(jìn)前后的算法對(duì)星敏感器的識(shí)別速度和成功率影響不大，但在加入高能粒子輻射后，改進(jìn)后的算法可大大提高其抗空間粒子干擾能力.

表2 星圖識(shí)別結(jié)果比較Tab.2 The comparison of stars recognition results

在跟蹤模式下，加入高能粒子輻射后，其三軸姿態(tài)誤差受到很大干擾，且會(huì)在較短的時(shí)間發(fā)生跟蹤丟失，結(jié)果如圖5所示.而采用抗輻射干擾算法改進(jìn)后，結(jié)果如圖6所示.兩圖對(duì)比顯示，加入抗輻射干擾算法后，星敏感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)無沖擊和數(shù)據(jù)無效現(xiàn)象，該結(jié)論與文獻(xiàn)[8]保持一致.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)SAA區(qū)空間高能粒子對(duì)星敏感器干擾現(xiàn)象進(jìn)行了仿真建模.在分析星點(diǎn)和粒子干擾成像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出星點(diǎn)甄別和幀間比對(duì)抗輻射算法 .仿真結(jié)果表明，在捕獲和跟蹤模式下，采用這兩種算法的識(shí)別成功率高、耗時(shí)少，可有效提高星敏感器抗空間高能粒子瞬態(tài)干擾能力.

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SimulationofTransientEffectonStarTrackerandAnti-JammingAlgorithms

ZHOU Jiantao, ZHANG Chunming

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China)

In this paper, an analysis of abnormal work mechanism for star trackers while passing through the south atlantic anomaly (SAA) space zone is put forward. And, based on the correlated simulating model, two algorithms of resisting high-energy particle radiation interference are both proposed, namely, real stars detection and alignment between frames. The simulation shows that for star trackers with improved algorithms, the computational cost time and the successful identification rate are greatly higher than those with normal algorithms in capture mode and in track mode, being competent with relatively severe space radiation environment.

star tracker; space radiation environment; transient effect

TP391.4

：A

： 1674-1579(2017)04-0025-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.04.004

*國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0501300，2016YFB0501301).

2017-05-10

周建濤(1983—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)敏感器；張春明(1984—)，男， 工程師，研究方向?yàn)閳D像導(dǎo)航算法和星敏感器算法.