X射线脉冲星Si-PIN探测器阵列研究*

黄添添，陆阳

(浙江大学 现代导航技术及仪器研究中心，浙江 杭州 310027)

X射线脉冲星Si-PIN探测器阵列研究*

黄添添，陆阳

(浙江大学 现代导航技术及仪器研究中心，浙江 杭州 310027)

X射线脉冲星导航是一种全自主的导航方式，在深空导航领域有着重要的应用前景。针对短时高精度导航的需求，分析了影响导航精度的主要因素，论证了通过增大探测器面积实现较高导航精度前提下缩短探测时间的可行性。在此基础上，提出了采用硅-PIN探测器阵列的探测方式，并设计了硅-PIN探测器阵列前端模块及相应的后端处理电路。最后，通过试验验证了硅-PIN探测器阵列的探测方案在扩大探测面积的同时，仍可以保留硅-PIN探测器的优良性能，能够有效缩短探测时间，将来有望应用于X射线脉冲星导航系统。

硅-PIN；探测器阵列；脉冲星；软X射线；短时；高精度；全自主导航

0 引言

X射线脉冲星能够为近地轨道、深空探测和星际飞行的各类航天器提供位置、速度、时间和姿态等导航参数信息，实现航天器的导航[1-3]。X射线脉冲星导航不受地球观测站和固定导航信标视线的限制，有很强的自主生存能力[4-7]，而X射线脉冲星探测器技术是其中的关键技术。X射线脉冲星探测器结合星载高精度原子钟可以记录每个光子达到时间，将观测时间内记录的所有光子的达到时间信息送入脉冲星相位时间模型，依据到达时间转换方程将光子到达时间信息转换为太阳系质心坐标的到达时间，再进行周期性折叠以获得观测脉冲轮廓，将其与标准轮廓模板进行相关比对就可以得出脉冲到达时间，最后依据相应的定位原理来确定航天器的位置信息[8-11]。

现有的X射线脉冲星硅-PIN(silicon positive-intrinsic-negative，Si-PIN)探测器已可以实现较高精度的脉冲轮廓还原，但是考虑到宇宙空间中大多X射线脉冲星的光子流量密度很低[12]，同时宇宙背景噪声较大，将导致X射线脉冲星信号的信噪比极低。因此，为了获得信噪比较高的X射线脉冲星观测脉冲轮廓来计算出具有高精度的脉冲到达时间就需要很长的探测时间，这限制了X射线脉冲星导航在短时导航条件下的应用。文中将研究并设计X射线脉冲星Si-PIN探测器阵列，通过扩大探测面积的方式实现短时高精度的X射线脉冲星轮廓还原。此外，本文通过试验验证了Si-PIN探测器阵列相比单片Si-PIN探测器在探测时间上的优越性，为利用X射线脉冲星实现短时导航打下了基础。

1 Si-PIN探测器阵列方案可行性分析

影响X射线脉冲星导航位置精度的关键技术之一是脉冲到达时间(time of arrival，TOA)的测量精度[13-15]，而脉冲到达时间的测量精度决定于累积脉冲轮廓的信噪比为

(1)

假设脉冲形状近似于高斯分布形状，则在给定的探测时间内，脉冲到达时间测量方差为

(2)

式中：SNR为累积脉冲轮廓的信噪比；Fx为X射线光子流量；A为探测器面积；pf为辐射百分比；Bx为X射线背景辐射流量；tobs为观测时间长度。

占空周期d可以表示为脉冲宽度W与脉冲周期P之比，即d=W/P，σTOA为脉冲到达时间测量精度。图1表示的是蟹云(Crab)脉冲星脉冲到达时间测量精度σTOA与探测器面积A及探测时间tobs的关系。

图1 Crab脉冲星脉冲到达时间测量精度与探测器面积及探测时间关系图Fig.1 Relationships among the TOA accuracy ofcrab pulsar, the area of detectorand the time of detection

图1很直观地表示出脉冲到达时间测量精度与累积探测时间和探测面积相关，探测器面积越大、观测积分时间越长，TOA的测量精度就越高，导航定位精度也就越高。结合式(2)和已公开的脉冲星数据可知对于Crab脉冲星，只要保证探测有效面积在0.1 m2，就能在较短的时间内获得km量级的定位精度。

X射线Si-PIN探测器的原理决定了其具有较高的能量分辨率、较快的时间响应、较好的位置分辨率、较宽的线性范围、小体积、较低工作电压等优点。目前已被广泛应用于高能物理、天体物理、核物理等领域。Si-PIN探测器面积目前的工艺能达到100 mm2[16-19]。从工艺上来说，扩大面积并不存在问题。然而，探测面积与探测器的结电容、漏电流等特征参数息息相关，探测面积越大，探测器的结电容C就越大，输出的脉冲信号幅度就越低；同时探测面积的增大会导致探测器漏电流的增大，使得探测器自身噪声变大[20]。因此，应该考虑探测器自身性能综合设计传感器的探测面积。为了满足X射线脉冲星导航对探测器大面积的需求，可以将Si-PIN探测器做成阵列的形式，保证探测器在增大有效探测面积的同时，仍能保持探测器的优良性能。

2 Si-PIN探测器阵列设计

通常X射线脉冲星的探测能量范围在2～10 keV，在该范围内要求Si-PIN探测器单元同时具有好的探测效率和较低的能量下限。同时，为了满足短时导航需求，Si-PIN探测器单元在探测效率等参数满足导航要求的条件下，其探测面积应尽可能地增大。根据Si-PIN探测器探测X射线的工作原理，影响Si-PIN探测器性能的主要因素是探测器的噪声，而噪声与探测器参数如耗尽层厚度、偏置电压、工作温度、灵敏面积等息息相关。

使用全耗尽型的Si-PIN探测器可以降低耗尽层电阻及探测器非灵敏区与引线之间电阻上的热噪声[21]；通过采用表面钝化和保护环技术减小表面漏电流可以减小低频噪声；利用电制冷器，使探测器工作温度降至-40 ℃可以降低散粒噪声。在2～10 keV的探测范围内选择耗尽层厚度为500 μm使Si-PIN探测器可以获得较高的探测效率。而对于全耗尽型、500 μm厚度耗尽层的Si-PIN探测器，选择偏置偏压为90 V，该值接近理论上使总噪声Qs最小的最优偏置电压同时可以保证较高的电子收集效率。另外，为了降低可探测的能量下限，要求探测器的漏电流比有效信号低2个量级，这就限制了Si-PIN单元灵敏面积的大小，因此Si-PIN探测器阵列各单元面积为1 cm2，以保证探测器的良好性能。

由前文可知，需要1 000片Si-PIN单元组成阵列的形式来实现X射线脉冲星信号的探测。与单路Si-PIN探测器信号处理电路相比，Si-PIN探测器阵列的多路信号处理存在减小噪声与处理电路体积功耗庞大的矛盾。因此采用16路集成芯片对探测器的输出信号进行处理，其包括16路电荷灵敏前放、成形、峰保等电路并且提供了触发信号产生功能，可直接输出光子到达时间信号脉冲，供数字系统进行读取，利用数字采集系统为探测到的光子到达时刻打上时间标记，然后通过上位机进行历元折叠就能获得探测得到的累积脉冲轮廓。采用集成芯片大大减小了电路规模，也降低了设计难度。

根据Si-PIN探测器的输出信号上升沿极快且幅值变化小的特点，本文选用前沿定时电路提取X射线光子的到达时间。探测器输出信号的定时电路如图2所示，该电路通过高精度电位器对高精度基准源产生的基准电压进行分压，为比较器提供一个高精度的阈值电压，从而消除由于阈值电压噪声引起的时间游走，使定时电路拥有较好的测量精度。在实际电路中选用德州仪器(Texas instruments，TI)公司的LM4120基准源，输出电压精度为0.2%，并且拥有较低的温度系数；电位器选取256位的AD5160，同样具有较低的温度系数，通过数字信号处理器(digital signal processing，DSP)实现电位器数值的设定；另外迟滞比较器可以降低由噪声抖动引起的误触发。

图2 处理探测器输出信号的定时电路示意图Fig.2 Schematic diagram of timing circuit for processing the output signal of the detector

Si-PIN传感器阵列总体框架如图3所示，4路信号分别用4路定时电路获取光子到达时间，通过快速或门形成一路触发信号送入现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)，FPGA将光子到达时刻存入先入先出队列(first input first output，FIFO)中，通过外部存储器接口(external memory interface，EMIF)接口传送到DSP，DSP通过通用串行总线(universal serial bus，USB)接口将光子到达时刻送入上位机中进行历元折叠，从而获得探测得到的累积脉冲轮廓。

图3 Si-PIN探测器器阵列总体框架示意图Fig.3 Schematic diagram of general frameworkof the Si-PIN sensor array

3 Si-PIN探测器阵列性能试验验证

X射线脉冲轮廓通过长时间的光子测量，利用探测器后端探测电路记录下每个光子的具体到达时间，最后将所有光子的到达时间换算到脉冲星周期内。在换算过程中可以将脉冲周期分成m个相等的时间间隔，即容纳区间(Bin)。Bin的数量太少会导致轮廓的细节特征无法再现，而Bin数量太多时会导致每个Bin内的光子数量减少，使轮廓信噪比变差，影响轮廓光滑度。通过多次实验测定在对Crab脉冲星进行轮廓波形模拟时选取Bin大小为33.4 μs时，能获得较好的探测轮廓波形。另外，本文在对比实验中保证其他各环境变量相同，从而对Si-PIN探测器阵列相比单片Si-PIN探测器能有效缩短探测时间进行实验验证。实验中采用X射线源采用栅控X射线管，固定阳极电压为10 kV，灯丝电流为1 200 mA，探测距离为20 cm。用通过栅极电压控制X射线流量以模拟Crab脉冲星的流量轮廓，探测时间30 min。通过Matlab进行数据处理获得探测器探测得到的累积脉冲轮廓。试验结果如图4所示。

图4 Si-PIN探测器阵列与单片Si-PIN探测器性能对比试验结果Fig.4 Performance comparison test results of Si-PIN sensor array and single-chip SI-PIN sensor

为了量化对比单片Si-PIN探测器与Si-PIN探测器阵列探测得到的累积脉冲轮廓，有必要将各自探测得到的脉冲轮廓与所模拟脉冲星的标准轮廓作比较，通过互相关系数来表征累积轮廓的好坏程度。由计算可知，由单片Si-PIN探测器得到的累积脉冲轮廓与标准轮廓的相关性为0.898，而由Si-PIN探测器阵列得到的累积脉冲轮廓与标准轮廓的相关性为0.991。

因此，在相同探测时间下，通过Si-PIN探测器阵列得到的累积脉冲轮廓与标准轮廓更接近，证明了通过扩大探测面积，可以有效提高累积脉冲轮廓的信噪比。在导航精度要求不变的条件下，可以有效缩短探测时间，从而满足未来短时高精度星载导航器的应用需求。

4 结束语

文中提出了采用Si-PIN探测器阵列的探测方式，通过增大探测面积实现较高导航精度前提下缩短X射线脉冲星导航探测时间，并进行了试验验证。试验结果表明该方案切实有效，将来有望应用于X射线脉冲星导航系统。

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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

黄添添(1980-)，男，浙江象山人。讲师，博士，主要研究方向为惯性导航及传感器技术。

通信地址：310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号智泉大楼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