星敏感器激光輻照損傷效應(yīng)研究

黃祿明， 楊雨川， 鄔志華， 付懷龍， 郭 鋒， 任偉艷， 張新宇， 張 巍

1. 河南大學(xué),鄭州 475000 2. 北京控制工程研究所,北京 100094

0 引 言

GNC分系統(tǒng)(guidance navigation control)全稱制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)，主要承擔(dān)航天器姿態(tài)軌道控制任務(wù).分系統(tǒng)主要由以下3部分組成：1)姿態(tài)測(cè)量部件：通常包括星敏感器、太陽(yáng)敏感器、紅外地球敏感器、陀螺等；2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：通常包括動(dòng)量輪、控制力矩陀螺、磁力矩器、帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和推力器等；3)控制器：通常包括姿軌控計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制單元等.其中，星敏感器是航天器在軌運(yùn)行階段主要依靠的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備.星敏感器通過(guò)對(duì)空間恒星成像，獲得恒星觀測(cè)矢量，采用星圖匹配的方法確定星敏感器光軸在慣性空間的指向，從而測(cè)量載體相對(duì)于慣性空間的三軸精確姿態(tài)[1-2].

從本質(zhì)上講，星敏感器就是一個(gè)加入了星圖匹配與姿態(tài)解算的相機(jī)，其核心的器件是處理器和探測(cè)器.當(dāng)前可選用的探測(cè)器有APS(active-pixel sensor)和CCD(charge coupled device)兩種.其中，CCD配置電路較為復(fù)雜、壽命末期性能下降較為明顯；而APS是基于CMOS工藝的圖像傳感器，具有低功耗、電源種類簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前新型星敏感器多采用APS器件[3-4].

星敏感器探測(cè)器由于具有較高的靈敏度，因此極容易受到強(qiáng)光(例如激光)輻照影響.當(dāng)有激光入瞳星敏感器，將會(huì)照射探測(cè)器到感光面上，可能會(huì)有以下幾種現(xiàn)象：1)軟損傷：探測(cè)器輸出圖像大部區(qū)域或全部飽和、圖像出現(xiàn)錯(cuò)行/錯(cuò)列/錯(cuò)位、芯片電流增加等；當(dāng)激光輻照停止時(shí)，探測(cè)器成像恢復(fù)正常，成像質(zhì)量不受影響，損傷可恢復(fù);2)硬損傷：探測(cè)器輸出圖像點(diǎn)損傷、線損傷、大面積損傷，甚至完全無(wú)法輸出圖像；當(dāng)激光停止輻照或者星敏感器斷電重啟，該類損傷都不會(huì)消失，屬于永久損傷[5-6].

激光對(duì)光電成像系統(tǒng)輻照效應(yīng)的研究在國(guó)內(nèi)外受到很大重視.1974年，CHIH-TANG等[7]進(jìn)行了激光照射單個(gè)MOS電容器件實(shí)驗(yàn)，從器件結(jié)構(gòu)和激光性能方面對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了理論分析.2004年，F(xiàn)LORA 等[8]進(jìn)行了激光對(duì)CCD的輻照實(shí)驗(yàn)研究，得出器件損傷主要是激光引起SiO2層或Si-SiO2界面光學(xué)和電學(xué)特性的暫時(shí)或永久性失效導(dǎo)致.1995年，劉澤金等[9]進(jìn)行了線陣和面陣CCD的輻照效應(yīng)研究，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了飽和、串?dāng)_和點(diǎn)損傷以及永久損傷等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并從CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理方面，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析.2005年，江繼軍等[10]進(jìn)行了短脈沖激光對(duì)CCD的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到線陣CCD的永久性損傷閾值.同時(shí)隨著近年CMOS器件工藝得到長(zhǎng)足進(jìn)展，激光對(duì)可見(jiàn)光相機(jī)CMOS探測(cè)器輻照效應(yīng)研究也逐步推進(jìn)[11].2006年何寶平等[12]利用60Cor粒子、電子和質(zhì)子作為輻照粒子，進(jìn)行了CMOS的輻照實(shí)驗(yàn).2007年，孟祥提等[13]研究了中子對(duì)彩色CMOS的輻照效應(yīng)研究.2008年，林均仰等[14]在常壓和真空兩種條件下，測(cè)量了激光對(duì)CCD和CMOS的干擾閾值、損傷閾值及完全損傷閾值.CMOS相對(duì)于CCD的干擾和損傷閾值都比較高，這主要是由CMOS獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定的[15-16].但是，激光對(duì)星敏感器APS探測(cè)器的輻照效應(yīng)研究，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道[17].

本文開(kāi)展了激光對(duì)星敏感器APS探測(cè)器損傷的仿真建模和地面試驗(yàn)，分析了激光輻照對(duì)星敏感器的影響.

1 仿真建模研究

星敏感器前照式APS探測(cè)器像素結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1所示.

圖1 星敏感器探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of star sensor detector

對(duì)于前照式APS探測(cè)器，電路布設(shè)于在透鏡和感光面之間，用于提供電源、時(shí)鐘信號(hào)和行列的選通.激光照射星敏感器探測(cè)器時(shí)，通過(guò)透鏡匯聚，經(jīng)過(guò)電路層然后到達(dá)感光面上，因此會(huì)引起電路層和感光面的損傷.

基于上述分析，建立有限元模型，得到一般工況條件下激光功率密度與星敏感器探測(cè)器損傷可能性的對(duì)應(yīng)關(guān)系.有限元仿真通過(guò)COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件完成，仿真建模過(guò)程如下：幾何建模→劃分網(wǎng)格→熱流場(chǎng)計(jì)算模型設(shè)置→定義熱源和邊界條件→引入概率統(tǒng)計(jì)方法→結(jié)果分析與后處理.

幾何建模過(guò)程中，將探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為電路層、光敏元、Si基底、樹(shù)脂基PCB板等部分，厚度分別為5 μm、10 μm、1 mm、2 mm.見(jiàn)表1所示.

表1 有限元仿真熱學(xué)參數(shù)Tab.1 Thermal parameters of finite element simulation

模型針對(duì)不同區(qū)域采取了不同的網(wǎng)格劃分密度，其中在激光功率密度和材料溫度變化最快的區(qū)域內(nèi)采用了最大不超過(guò)1 μm的網(wǎng)格尺寸，如圖2所示.

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of model meshing

有限元模型主要考慮焦平面的熱傳導(dǎo)和熱輻射，由于星敏感器處于真空環(huán)境，因此不考慮與環(huán)境的對(duì)流換熱.熱傳導(dǎo)方程如下：

(1)

式中，εTT0分別為材料的比熱容、密度和熱導(dǎo)率.

熱輻射方程如下：

(2)

式中，ε為上表面的紅外發(fā)射率，設(shè)為0.7，σ=5.67×10-8W/m2/K4，為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，T為輻照處溫升，T0為環(huán)境溫度.

在焦平面電路層的上表面注入熱源，除了電路層的上表面之外，其它外界面均為絕熱邊界條件.熱源計(jì)算公式[5]如下：

(3)

式中，η為星敏感器系統(tǒng)透過(guò)率，E為激光能量，t為駐留時(shí)間，n為焦平面上光斑所占像素值大小，d為焦平面像元大小.

當(dāng)激光注入能量達(dá)到感光面硅的熔點(diǎn)(～1 400℃)時(shí)，焦平面將會(huì)損傷，以此作為損傷判斷邊界條件.溫度場(chǎng)分布結(jié)果見(jiàn)圖3所示.

圖3 溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of temperature field distribution

從圖3中可以看出，在激光熱源注入后探測(cè)器硅感光面部分已經(jīng)超過(guò)損傷邊界條件，造成探測(cè)器損傷.而實(shí)際物理過(guò)程中，焦平面輻射光斑大小決定了熱源分布，當(dāng)平行光入瞳星敏感器時(shí)，所呈光斑大小與恒星在焦平面上的成像接近，具體尺寸與系統(tǒng)離焦量設(shè)置直接相關(guān)，即在公式(3)中，焦平面上光斑像素值大小是不完全一致的，存在幾個(gè)像素值的差別.因此，在仿真模型中，引入概率統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算能夠使焦平面損傷的概率，公式如下：

(4)

式中，ρ為焦平面損傷的概率，PF為焦點(diǎn)處功率密度，Pc0為達(dá)到損傷邊界條件的焦平面功率密度平均值，σ0為達(dá)到損傷邊界條件的焦平面功率密度標(biāo)準(zhǔn)差.仿真結(jié)果如圖4所示，當(dāng)功率密度達(dá)到1.2×105W/cm2時(shí)，將有概率造成星敏感器損傷，并隨著功率密度提高，損傷概率逐步增大，當(dāng)功率密度超過(guò)3.5×105W/cm2時(shí)，將一定會(huì)導(dǎo)致星敏感器損傷.

圖4 損傷概率與功率密度變化仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of damage probability and power density change

2 損傷實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

激光輻照星敏感器地面等效實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖5所示.

圖5 激光輻照星敏感器地面等效實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of ground equivalent experimental system of laser irradiated star sensor

本實(shí)驗(yàn)選用的激光設(shè)備為10 W連續(xù)光激光器，由透鏡和反射鏡等搭建成擴(kuò)束系統(tǒng).星敏感器安裝在真空罐中，以等效模擬星敏感器的在軌實(shí)際工作環(huán)境，真空罐的外形尺寸為Φ0.5 m×2 m.試驗(yàn)對(duì)象為常規(guī)APS星敏感器，其探測(cè)器是一種前照式APS探測(cè)器，分辨率為2 048 pixel×2 048 pixel，光學(xué)口徑60 mm.

圖6 被測(cè)星敏感器及其APS探測(cè)器Fig.6 VHA Star sensor & APS

將星敏感器放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，并置于真空罐內(nèi)部.光源經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)后形成平行光入瞳星敏感器，匯聚到內(nèi)部探測(cè)器的焦平面上.星敏感器通過(guò)線纜連接到真空罐外的控制計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示星敏感器的輸出圖像.

主要試驗(yàn)步驟如下.首先，完成光學(xué)系統(tǒng)搭建后，調(diào)整激光器輸出能量至較低水平，確保探測(cè)器輸出一個(gè)較為理想的成像光斑，如圖7所示，以此判斷光斑尺寸大小和強(qiáng)度分布.然后，持續(xù)增加激光器輸出能量，探測(cè)器輸出圖像將會(huì)產(chǎn)生一系列變化，同時(shí)記錄該圖像，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的焦平面激光功率密度和出光時(shí)長(zhǎng).

圖7 星敏感器焦平面上光斑示意圖Fig.7 Schematic diagram of light spot on focal plane of star sensor

2.2 典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著激光能量增大，星敏感器APS探測(cè)器更多像元受到強(qiáng)光影響，直至所有像元均達(dá)到飽和，此時(shí)在計(jì)算機(jī)輸出圖像中所有像元全部為白色，激光停止照射后，所有像元恢復(fù)正常.激光能量進(jìn)一步增大，在照射中星敏感器輸出圖像仍全部為白色，而當(dāng)激光停止照射后，將會(huì)發(fā)現(xiàn)在激光輻照位置產(chǎn)生不同程度的損傷，出現(xiàn)的典型損傷效果包括線損傷、十字損傷、大面積損傷等，該損傷為不可逆的永久性像元損傷.圖8所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果中幾種典型的損傷效果.

圖8 星敏感器輸出圖像典型損傷形貌示意圖Fig.8 Typical damage morphology of star sensor output image

通過(guò)上百發(fā)次輻照實(shí)驗(yàn)，共有43發(fā)次實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了不同程度的損傷結(jié)果，對(duì)功率密度數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，造成不同損傷結(jié)果所需要的激光功率密度范圍見(jiàn)表2所示.

表2 星敏感器探測(cè)器損傷典型功率密度Tab.2 Typical power density of star sensor detector damage

由表2可知，造成線損傷的功率密度略低，但是相差不大；造成大面積損傷所需的功率密度略高，功率密度范圍覆蓋線損傷和十字損傷.經(jīng)分析，認(rèn)為該結(jié)果是由于星敏感器的個(gè)體差異導(dǎo)致的，因此激光能夠造成的不同損傷效果均可能出現(xiàn)，但總體上功率密度波動(dòng)在同一數(shù)量級(jí)，可以認(rèn)為激光對(duì)星敏感器APS探測(cè)器的損傷在105W/cm2數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，與仿真結(jié)果吻合.

2.3 結(jié)果分析

損傷前后微觀形貌如圖9所示.

圖9 探測(cè)器損傷前后微觀形貌對(duì)比Fig.9 Comparison of micro morphology before and after detector damage

由圖9可知，對(duì)于正常未受到激光照射的探測(cè)器，在像元周圍可以看到規(guī)則布設(shè)的金屬線路；對(duì)于受到激光損傷的探測(cè)器區(qū)域，像元硅基底熔融并伴隨著周圍的電路已經(jīng)被燒蝕熔斷，說(shuō)明激光對(duì)探測(cè)器的損傷以熱效應(yīng)為主.硅的熔點(diǎn)為1 400℃，銅的熔點(diǎn)為1 083℃，當(dāng)硅基底熔融時(shí)，必然也會(huì)導(dǎo)致金屬電路的熔斷.當(dāng)電路層中某處電路損傷中斷后，將會(huì)直接導(dǎo)致某一行/列信號(hào)中斷，造成線損傷、十字損傷，當(dāng)電路層中某一區(qū)域電路損傷后，將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)大面積損傷.

3 結(jié) 論

本文對(duì)典型星敏感器APS探測(cè)器的激光輻照受損問(wèn)題進(jìn)行了研究.通過(guò)有限元分析方法建立了激光損傷星敏感器探測(cè)器熱效應(yīng)仿真分析模型，獲得了激光功率密度與典型星敏感器APS探測(cè)器損傷概率的對(duì)應(yīng)關(guān)系.開(kāi)展了激光對(duì)典型星敏感器APS探測(cè)器激光損傷實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光功率密度為1.2-3.5×105W/cm2時(shí)，分辨率2 048 pixel×2 048 pixel、光學(xué)口徑60 mm的APS星敏感器將出現(xiàn)線損傷、十字損傷和大面積損傷等損傷效果，通過(guò)微觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)探測(cè)器電路層和感光面均受到損傷.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性.本文結(jié)論為開(kāi)展天基光學(xué)設(shè)備激光損傷及防護(hù)研究提供了重要的數(shù)據(jù)參考.