星載遙感高光譜成像儀電子學抗輻照設計

劉永征 陳小來 張昕 孔亮 劉學斌 石興春

(中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119)

隨著星載成像遙感不斷發展，空間輻照環境引發的星載遙感成像載荷工作失靈事件頻現，如工作中突發遙測數據異常、突發數據傳輸芯片不執行總線指令、突發星務與測控組件總通信錯誤計數、突發現場可編程門陣列(FPGA)刷新數據錯誤、突發讀取靜態隨機存取存儲器異常、遙測異常的有效載荷管理單元廣播頻發等[1]，因此各遙感衛星總體對載荷系統抗輻照設計的要求更加嚴格。

星載遙感用高光譜成像儀載荷，多數搭載的衛星平臺軌道高度集中在400～900 km范圍內[2]，空間輻照環境主要是內地球輻射帶的影響。典型高通量高光譜成像儀從材料的角度可分為光、機、電三部分。輻照環境對光學材料的影響主要表現為玻璃透過率降低、玻璃變色。空間輻照會使得星載遙感大孔徑干涉成像高光譜成像儀的光學元件膜系退化，系統實際信噪比偏離理論設計，進而影響光譜復原精度，從而降低儀器探測識別精度。輻照環境會使電路噪聲增大或電參數發生漂移，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，最終降低設備的光譜信噪比和弱光譜探測靈敏度；電參數漂移會降低原始圖像信噪比，甚至導致成像功能失效。因此，如何實現星載高光譜成像儀的抗輻照設計逐漸成為星載儀器研制亟待解決的重要問題。

本文結合工程實現，對高光譜成像儀電子學中抗輻照設計進行了探索和總結。

1 抗輻照總體設計

基于星載遙感大孔徑干涉成像光譜技術(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、數據量大的特點，對空間輻照環境更為敏感，這就對從電子學角度對高光譜成像儀進行抗輻照設計提出了更高的要求。多年高光譜成像儀載荷的研制經驗和測試結果均表明：在光機結構采取抗輻照設計條件下，整個遙感任務期內，高光譜成像儀的光機結構的輻照退化對整體性能影響要遠小于電子學部分的衰退影響，故本文重點研究從電子學的角度進行抗輻照設計。

大孔徑干涉高光譜成像儀(典型光機電結構如圖1所示)從組成上分為光學組件、結構件、電子學組件三部分。光學組件由前置光學系統部件、準直光學系統部件、干涉儀、傅里葉鏡構成，用于完成對遙感景象的光學干涉成像；結構件包含支撐各部分光學組件的成像儀主體、放置電子學電路的結構箱體；電子學組件主要包括光電轉換電路、模擬信號處理電路、圖像數據壓縮電路、高速數據傳輸電路、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、電三部分組成結構Fig.1 Optical,mechanical and electrical constructions of a hyperspectral imager

高光譜成像儀電子學的五大功能部分按照結構件獨立性可劃分為焦面組件(光電轉換)、信號處理器電路和光譜成像儀控制器三臺單機[4]，如圖2所示：光譜成像儀控制器用來提供分系統電源、與衛星數管系統通訊及收發整星指令；信號處理器在控制器指令下處理幀頻、增益、通信及秒脈沖信號，并向控制器反饋遙測信息，給衛星數傳系統發送圖像數據；可見光焦面和紅外焦面用于完成可見光近紅外譜段、短波紅外譜段的光電轉換，實現從目標光信息到電信號的轉換。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移高速光電轉換器件，有32個并行高速輸出端口，每個端口模擬視頻像元輸出速率高達36 MHz。視頻轉換采用多片四通道高速模數轉換器ADDI7004的大面陣、高幀頻高速成像電子學系統實時對32個通道的高速模擬視頻信號進行相關雙采樣及模數轉換，實現2048×256像元面陣圖像、幀頻1500幀/秒的CCD成像指標[5]。

圖2 星載高光譜成像儀電子學組成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輻射帶的質子、電子和重離子所產生的總劑量輻照效應和單粒子效應[6]。

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

單粒子效應主要影響到高光譜成像儀電路中的靜態隨機存取存儲器(SRAM)、可編程只讀存儲器(PROM)、FPGA、數據總線等集成電路以及模數轉換器(ADC)、直流轉直流電源(DC/DC)、功率金屬氧化物半導體(MOS)管、運放等模擬和數模混合電路。

高光譜成像儀抗輻照總體設計原則：綜合使用金屬結構材料優化屏蔽、電子元器件合理選型、應用電路上抗輻照加固設計3種途徑。重點從兩個方面展開設計：一是高光譜成像儀的結構殼體設計方面，加強金屬殼體的屏蔽性能；二是電路設計方面，提高電路抗輻照水平，合理增大成像電路的輻照設計裕度。

2 抗輻照電子學設計

由于衛星所處輻射環境復雜，且航天產品用元器件的輻照敏感存在離散，衛星總體對載荷選用電子器件進行抗輻照設計提出了最小輻射設計裕度(RDM)的要求[9]。高光譜成像儀研制團隊多年來在衛星平臺的建造規范要求(rRDM≥2)基礎上，綜合抗輻射加嚴要求和成本控制，在設計中取rRDM=5，穩健地確保了高光譜成像儀抗輻照設計的可靠性。

(1)

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

高光譜成像儀采取分層級抗輻照設計的思想，如圖3所示，電子學設計從分系統電子學、實現單機、功能電路進行分層，然后從器件選型、器件加固、應用層單粒子加固、應用層抗單粒子加固、摸底試驗層等技術手段實現。高光譜成像儀針對性分層級抗輻照電子學設計著重兩方面：一是在電路設計前通過選用有較高抗輻射指標的元器件，增強電子學部分的抗輻照能力；二是應用級抗輻射設計，即在元器件使用中，從硬件電路設計、軟件設計上采取抗輻射加固措施。

圖3 星載高光譜成像儀電子學分層級抗輻照設計Fig.3 Layered anti irradiation design of hyperspectral imager electronics

2.1 目標化的抗電離總劑量設計

在搭載高光譜成像儀的衛星上，電離總劑量效應指標指電子器件敏感區域的能承受的累積吸收劑量。計算時先將衛星等效成實心球，根據軌道高度H=5×105m，計算球心處的輻射劑量與球的半徑R之間的關系，得出衛星在軌壽命期間的輻射劑量隨屏蔽厚度的變化曲線，計算數據見表1。

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

設計中選用元器件的原則是綜合考慮宇航級器件價格前提下，優先選取有明確抗電離總劑量指標且滿足RDM值為5的器件；某些器件不能查詢到總劑量指標，但經過調研后能確認有充分的在軌飛行經歷的，也進行了選用；對于輻照指標不能直接滿足要求的器件，在應用電路上進行附加屏蔽措施。

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計按rRDM=5為5加嚴，選用電子元器件電離總劑量水平不低于23.7 krad(Si)。按照輻射指標要求，優先選擇能直接滿足抗輻照指標的電子元器件；對于輻照指標不滿足要求的電路，先從應用電路設計方面進行應用加固，再從整體結構設計上進行屏蔽加固。圖4描述了高光譜成像儀電子學抗電離總劑量設計的設計流程[10]：通過對設備內部輻照總劑量分析，確定選用電子元器件需耐受劑量Da；然后通過查詢器件生產廠提供的輻照試驗報告及數據包，明確選用器件可耐受的總劑量Df，以此計算分系統電子學實際是否滿足rRDM=5，滿足則完成該部分功能電路設計；不滿足則通過防護設計進行進一步迭代優化，直至滿足RDM設計要求。

圖4 面向星載遙感目標的高光譜成像儀電子學抗電離總劑設計流程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鍵電子學器件的輻照加固措施。

表2 高光譜成像儀關鍵器件抗輻照設計措施Table 2 Anti-irradiation design measures for key components of hyperspectral imager

光電轉換器件CCD160-250-SFT在空間輻照環境下，會出現電荷轉移效率(CTE)降低、體暗電流密度增大、暗信號退化等問題。該款探測器是高速、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。按照用戶對光譜復原精度要求，允許5年任務末期CTE值衰減到0.999 90，根據輻射損傷關系，從器件結構屏蔽上加厚1 mm金屬屏蔽。

制冷機驅動電路中使用FPGA產生脈寬調制驅動信號來驅動H橋臂的場效應管，頻繁突變的電場產生瞬變的磁場，制冷機脈寬調制電路的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關頻率輻射干擾較強，故舍棄SRAM型FPGA，選用金屬對金屬結構(M2M)反熔絲工藝A54SX72A，它抗輻照性能好[10]，且無需外部程序存儲器存儲配置文件，提高了制冷驅動電路的可靠性。

用作高光譜成像儀圖像信號處理的關鍵器件XQ5VFX130T，其宇航級產品價格昂貴(市場價200萬元/片)且貨源緊缺，采用購買工業級器件進行升級篩選，并對其抗輻照能力進行摸底。電離總劑量試驗結果表明:采用的這批XQ5VFX130T抗電離總劑量能力達到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口的883等級的54HC系列門電路器件，它們總劑量指標不足10 krad(Si)，故對該部分電路增加了2 mm鉭板附加屏蔽設計，從應用層面提高了控制電路的抗電離總劑量水平[11]。

2.2 針對性抗單粒子效應設計

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

設計原則：綜合器件采購成本的前提下，優先選用較高LET閾值和較低飽和翻轉界面的元器件；對于單粒子翻轉LET閾值大于15 MeV·cm2/mg的器件，直接選用；單粒子翻轉LET閾值小于15 MeV·cm2/mg的器件，在電路設計上進行充分的抗單粒子翻轉防護設計，并對防護效果進行評估。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，電路上進行充分防護設計并評估無風險后選用；單粒子閂鎖LET閾值小于37 MeV·cm2/mg的器件，進行充分防護設計并經過試驗驗證后方能使用。

首先，在選用作為高光譜成像關鍵器件的光電轉換用CCD圖像傳感器時，為同時兼顧高空間分辨率、光譜分辨率以及高光譜成像儀采用的時空聯合調制干涉成像原理，要求CCD滿足大面陣、高幀頻、多抽頭等特性的同時，其抗輻照設計指標需滿足空間任務壽命需求。為此，甄選了在芯片設計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，使得其對單粒子閂鎖免疫，抗單粒子瞬態能力環比高了約100倍。

其次，針對處理器芯片XQ5VFX130T抗單粒子閂鎖能力滿足但抗單粒子翻轉能力較弱的問題，在電路中設計FPGA的芯片配置存儲區回讀糾錯功能模塊，設計用回讀刷線配合三模冗余來提升該芯片的抗單粒子翻轉(SEU)能力。設計中將該FPGA實現的高光譜成像儀成像功能中驅動時序模塊設計三模冗余；模擬視頻處理和圖像拼接功能模塊實現配置刷新，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SEU免疫)，根據LASIS成像256幀狀態一致方能提取譜信息的特點，回讀時機設計在每次改變幀頻或增益時。

對無抗單粒子效應(SEE)指標的四通道專用CCD模擬視頻處理器ADDI7004(以下簡稱ADC)，在應用電路上進行抗單粒子效應加固。設計時首先進行輻照試驗和單粒子摸底試驗確定其實際的抗輻照指標及單粒子指標，然后進行工業級器件的升級篩選。在視頻信號的模數轉換電路設計中，針對升級篩選后ADC抗單粒子能力較弱問題，進行應用層的針對性設計：采用熱備份+冷備份的硬件電路設計(見圖5)，即在處理電路上設計成硬件主備份(主備各實現32路模擬視頻處理的冷備份)，此外，又分別在模數轉換電路上設計熱備份(32路分別又備份成64路)，這樣實現了電路在發生單粒子異常時，不通過冷備份即可進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構設計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的軟件模塊中設計了健康狀態監測，通過設計狀態機實時監測同步字來判斷單粒子閂鎖是否發生，并配以動態刷新ADC的內部可編程配置寄存器的功能模塊來提高其配置可靠性；當軟件檢測到ADC發生單粒子閂鎖時，FPGA觸發電源控制信號，采取強制斷電掉電來解除閂鎖。軟件檢測異常的功能模塊設計如下(見圖6)：關鍵參數包括ADC芯片掉電需要的最小時間T0與上電需要的最小時間T1，ADC的復位時間T2，ADC判斷為故障時間閾值T3，兩次故障之間的最小間隔時間T4；設計工作過程：系統上電，對ADC的寄存器進行定時刷新；同時對ADC輸出的行標志字進行檢測，計算相鄰兩個行標志字的間隔T。

圖6 ADC抗單粒子軟件功能設計過程Fig.6 Function design of ADC anti single event software

步驟1：第一次故障判斷。

情況A1：當T≤T3時，則判斷為ADC工作正常，不采取額外的操作；

情況B1：當T>T3時，則判斷為ADC發生故障。

步驟2：第一次故障處理。

停止刷新寄存器，將ADC的外部復位信號置為低電平，當復位信號的低電平持續時間達到T2之后，復位信號置為高電平，對ADC重新進行初始化參數配置操作；在此期間，FPGA對ADC對應的圖像自動填0；ADC芯片繼續工作，繼續對ADC的寄存器進行定時刷新，同時對ADC輸出的行標志字進行檢測，繼續計算相鄰兩個行標志字的間隔T。

步驟3：第二次故障判斷。

情況A2：當T≤T3時，則判斷為ADC芯片工作正常，不采取額外的操作；

情況B2：當T3

情況C：當T>T4時，則判斷為ADC芯片發生故障，且第一次故障處理解決了寄存器的單粒子鎖定問題，則繼續采用步驟2進行故障處理；

步驟4：對故障情況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效，進行掉電操作；

掉電時間達到T0之后，將電源芯片的使能置為有效，進行上電操作；

上電時間達到T1之后，對ADC芯片進行復位操作(當復位信號的低電平持續時間達到T2之后，復位信號置為高電平)、配置寄存器參數的操作；在此期間FPGA對ADC芯片對應的圖像自動填0。

在第二次故障處理后，若再次出現故障情況B2，則判定ADC徹底損壞無法修復。軟件修復停止，轉為硬件熱備份切換。

2.3 抗輻照能力與設計成本的均衡化

為提高衛星載荷的抗輻照能力，單純依賴選用抗輻照指標較高的宇航級器件，固然能提高產品的抗輻照能力，但研制成本較高[12]。高光譜成像儀抗輻照設計中從器件選型、電路設計、系統設計3個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，比對采用抗輻照指標較高的OM7560A或LM98640QML-SP與升級篩選ADDI7004的硬件設計成本，OM7560A采購單價約為人民幣3萬元/片，宇航級LM98640W-MLS國內銷售價約8萬元/片。通過綜合對比，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計方案，即升級篩選工業級ADDI7004。

表3 高光譜成像儀關鍵器件抗輻照設計措施Table 3 Anti irradiation design measures for key components of hyperspectral imager

3 測試與試驗驗證

為測試高光譜成像儀的抗輻照設計有效性，按相關標準對高光譜成像儀鑒定級產品進行了地面模擬輻照試驗。四路模擬視頻處理器ADDI7004為高光譜成像儀分系統信號鏈路中的抗輻照最薄弱環節，可等效認為其即代表了分系統最低的抗輻照能力，進行的摸底試驗主要是單粒子效應測試和輻照總劑量測試。

3.1 單粒子測試驗證

單粒子摸底測試中分別使用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，對同批次的ADDI7004進行了單粒子效應輻照試驗，從試驗數據得出結論：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，對同批次的XQ5VFX130T型FPGA進行單粒子輻照效應評估，試驗表明：該批次器件抗單粒子鎖定的LET閾值大于99.8 MeV·cm2/mg，單粒子翻轉閾值仍顯不足，需考慮軟件刷新設計。

3.2 輻照總劑量試驗測試

用鈷-60γ射線源，劑量率設為0.1 rad(Si)/s，對同批次的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個測試點進行了測試，試驗結論如下：該批器件抗電離總劑量能力大于50 krad(Si)。

用鈷-60γ射線源，劑量率設為10 rad(Si)/s，對同批次的XQ5VFX130T型FPGA進行輻照評估，總劑量點分別為0 krad(Si)、100 krad(Si)、高溫加速退火后共3個測試點進行了測試對比，得出試驗結論：該批次器件抗電離總劑量能力達到100 krad(Si)。

表4給出了分系統功能電路在輻照設計前后的能力對比情況，通過在電路應用中的抗電離總劑量薄弱環節局部增加金屬屏蔽防護等加固設計，使得儀器電子學電離總劑量敏感器件抗輻照設計余量RDM大幅提高；通過更換器件、軟件加固及動態刷新等機制，分系統功能電路抗單粒子鎖定能力顯著提升，分系統滿足500 km軌道高度5年期遙感高光譜成像任務需求。

表4 高光譜成像儀抗輻照設計前后有效性比對Table 4 Effectiveness comparison of hyperspectral imager before and after anti irradiation design

4 結束語

本文依據高光譜成像儀工程化電路設計中的探索及迭代積累的經驗，結合目前最新的抗輻照設計及測試技術，提出了針對性地進行星載高光譜成像儀的分層級抗輻照設計方法，將整個系統電子學研制分層成器件、模塊電路、系統電子學，按照“先器件，后應用；先電路設計，后輻照屏蔽”的設計原則，實現了星載遙感高光譜成像儀在兼顧研制成本條件下的長壽命、高抗輻照設計指標，并且經過了工程化測試驗證。為確保大孔徑干涉高光譜成像儀在技術創新和工程化實現兩方面均保持高靈敏-(高分辨率、高信噪比)、識譜準(高光譜分辨率)的領先優勢夯實了基礎，也為尋求星載高光譜成像儀抗輻照設計的高效方法和技術手段進行了有益探索。