星敏感器激光辐照损伤效应研究

黄禄明， 杨雨川， 邬志华， 付怀龙， 郭 锋， 任伟艳， 张新宇， 张 巍

1. 河南大学,郑州 475000 2. 北京控制工程研究所,北京 100094

0 引 言

GNC分系统(guidance navigation control)全称制导、导航与控制分系统，主要承担航天器姿态轨道控制任务.分系统主要由以下3部分组成：1)姿态测量部件：通常包括星敏感器、太阳敏感器、红外地球敏感器、陀螺等；2)执行机构：通常包括动量轮、控制力矩陀螺、磁力矩器、帆板驱动机构和推力器等；3)控制器：通常包括姿轨控计算机、驱动控制单元等.其中，星敏感器是航天器在轨运行阶段主要依靠的姿态测量设备.星敏感器通过对空间恒星成像，获得恒星观测矢量，采用星图匹配的方法确定星敏感器光轴在惯性空间的指向，从而测量载体相对于惯性空间的三轴精确姿态[1-2].

从本质上讲，星敏感器就是一个加入了星图匹配与姿态解算的相机，其核心的器件是处理器和探测器.当前可选用的探测器有APS(active-pixel sensor)和CCD(charge coupled device)两种.其中，CCD配置电路较为复杂、寿命末期性能下降较为明显；而APS是基于CMOS工艺的图像传感器，具有低功耗、电源种类简单等突出优点，当前新型星敏感器多采用APS器件[3-4].

星敏感器探测器由于具有较高的灵敏度，因此极容易受到强光(例如激光)辐照影响.当有激光入瞳星敏感器，将会照射探测器到感光面上，可能会有以下几种现象：1)软损伤：探测器输出图像大部区域或全部饱和、图像出现错行/错列/错位、芯片电流增加等；当激光辐照停止时，探测器成像恢复正常，成像质量不受影响，损伤可恢复;2)硬损伤：探测器输出图像点损伤、线损伤、大面积损伤，甚至完全无法输出图像；当激光停止辐照或者星敏感器断电重启，该类损伤都不会消失，属于永久损伤[5-6].

激光对光电成像系统辐照效应的研究在国内外受到很大重视.1974年，CHIH-TANG等[7]进行了激光照射单个MOS电容器件实验，从器件结构和激光性能方面对实验中出现的瞬态响应进行了理论分析.2004年，FLORA 等[8]进行了激光对CCD的辐照实验研究，得出器件损伤主要是激光引起SiO2层或Si-SiO2界面光学和电学特性的暂时或永久性失效导致.1995年，刘泽金等[9]进行了线阵和面阵CCD的辐照效应研究，实验中发现了饱和、串扰和点损伤以及永久损伤等实验现象，并从CCD的结构和工作原理方面，对实验现象进行了理论分析.2005年，江继军等[10]进行了短脉冲激光对CCD的辐照效应实验，实验测量得到线阵CCD的永久性损伤阈值.同时随着近年CMOS器件工艺得到长足进展，激光对可见光相机CMOS探测器辐照效应研究也逐步推进[11].2006年何宝平等[12]利用60Cor粒子、电子和质子作为辐照粒子，进行了CMOS的辐照实验.2007年，孟祥提等[13]研究了中子对彩色CMOS的辐照效应研究.2008年，林均仰等[14]在常压和真空两种条件下，测量了激光对CCD和CMOS的干扰阈值、损伤阈值及完全损伤阈值.CMOS相对于CCD的干扰和损伤阈值都比较高，这主要是由CMOS独特的结构决定的[15-16].但是，激光对星敏感器APS探测器的辐照效应研究，国内外尚未见到相关报道[17].

本文开展了激光对星敏感器APS探测器损伤的仿真建模和地面试验，分析了激光辐照对星敏感器的影响.

1 仿真建模研究

星敏感器前照式APS探测器像素结构图见图1所示.

图1 星敏感器探测器结构图Fig.1 Structure diagram of star sensor detector

对于前照式APS探测器，电路布设于在透镜和感光面之间，用于提供电源、时钟信号和行列的选通.激光照射星敏感器探测器时，通过透镜汇聚，经过电路层然后到达感光面上，因此会引起电路层和感光面的损伤.

基于上述分析，建立有限元模型，得到一般工况条件下激光功率密度与星敏感器探测器损伤可能性的对应关系.有限元仿真通过COMSOL多物理场仿真软件完成，仿真建模过程如下：几何建模→划分网格→热流场计算模型设置→定义热源和边界条件→引入概率统计方法→结果分析与后处理.

几何建模过程中，将探测器结构设计为电路层、光敏元、Si基底、树脂基PCB板等部分，厚度分别为5 μm、10 μm、1 mm、2 mm.见表1所示.

表1 有限元仿真热学参数Tab.1 Thermal parameters of finite element simulation

模型针对不同区域采取了不同的网格划分密度，其中在激光功率密度和材料温度变化最快的区域内采用了最大不超过1 μm的网格尺寸，如图2所示.

图2 模型网格划分示意图Fig.2 Schematic diagram of model meshing

有限元模型主要考虑焦平面的热传导和热辐射，由于星敏感器处于真空环境，因此不考虑与环境的对流换热.热传导方程如下：

(1)

式中，εTT0分别为材料的比热容、密度和热导率.

热辐射方程如下：

(2)

式中，ε为上表面的红外发射率，设为0.7，σ=5.67×10-8W/m2/K4，为斯忒藩-玻尔兹曼常数，T为辐照处温升，T0为环境温度.

在焦平面电路层的上表面注入热源，除了电路层的上表面之外，其它外界面均为绝热边界条件.热源计算公式[5]如下：

(3)

式中，η为星敏感器系统透过率，E为激光能量，t为驻留时间，n为焦平面上光斑所占像素值大小，d为焦平面像元大小.

当激光注入能量达到感光面硅的熔点(～1 400℃)时，焦平面将会损伤，以此作为损伤判断边界条件.温度场分布结果见图3所示.

图3 温度场分布仿真结果Fig.3 Simulation results of temperature field distribution

从图3中可以看出，在激光热源注入后探测器硅感光面部分已经超过损伤边界条件，造成探测器损伤.而实际物理过程中，焦平面辐射光斑大小决定了热源分布，当平行光入瞳星敏感器时，所呈光斑大小与恒星在焦平面上的成像接近，具体尺寸与系统离焦量设置直接相关，即在公式(3)中，焦平面上光斑像素值大小是不完全一致的，存在几个像素值的差别.因此，在仿真模型中，引入概率统计方法，计算能够使焦平面损伤的概率，公式如下：

(4)

式中，ρ为焦平面损伤的概率，PF为焦点处功率密度，Pc0为达到损伤边界条件的焦平面功率密度平均值，σ0为达到损伤边界条件的焦平面功率密度标准差.仿真结果如图4所示，当功率密度达到1.2×105W/cm2时，将有概率造成星敏感器损伤，并随着功率密度提高，损伤概率逐步增大，当功率密度超过3.5×105W/cm2时，将一定会导致星敏感器损伤.

图4 损伤概率与功率密度变化仿真结果Fig.4 Simulation results of damage probability and power density change

2 损伤实验研究

2.1 实验方案

激光辐照星敏感器地面等效实验系统示意图见图5所示.

图5 激光辐照星敏感器地面等效实验系统示意图Fig.5 Schematic diagram of ground equivalent experimental system of laser irradiated star sensor

本实验选用的激光设备为10 W连续光激光器，由透镜和反射镜等搭建成扩束系统.星敏感器安装在真空罐中，以等效模拟星敏感器的在轨实际工作环境，真空罐的外形尺寸为Φ0.5 m×2 m.试验对象为常规APS星敏感器，其探测器是一种前照式APS探测器，分辨率为2 048 pixel×2 048 pixel，光学口径60 mm.

图6 被测星敏感器及其APS探测器Fig.6 VHA Star sensor & APS

将星敏感器放置于转台上，并置于真空罐内部.光源经扩束系统后形成平行光入瞳星敏感器，汇聚到内部探测器的焦平面上.星敏感器通过线缆连接到真空罐外的控制计算机上，计算机实时显示星敏感器的输出图像.

主要试验步骤如下.首先，完成光学系统搭建后，调整激光器输出能量至较低水平，确保探测器输出一个较为理想的成像光斑，如图7所示，以此判断光斑尺寸大小和强度分布.然后，持续增加激光器输出能量，探测器输出图像将会产生一系列变化，同时记录该图像，并计算对应的焦平面激光功率密度和出光时长.

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

2.2 典型实验结果

随着激光能量增大，星敏感器APS探测器更多像元受到强光影响，直至所有像元均达到饱和，此时在计算机输出图像中所有像元全部为白色，激光停止照射后，所有像元恢复正常.激光能量进一步增大，在照射中星敏感器输出图像仍全部为白色，而当激光停止照射后，将会发现在激光辐照位置产生不同程度的损伤，出现的典型损伤效果包括线损伤、十字损伤、大面积损伤等，该损伤为不可逆的永久性像元损伤.图8所示为实验结果中几种典型的损伤效果.

图8 星敏感器输出图像典型损伤形貌示意图Fig.8 Typical damage morphology of star sensor output image

通过上百发次辐照实验，共有43发次实验出现了不同程度的损伤结果，对功率密度数值进行统计，造成不同损伤结果所需要的激光功率密度范围见表2所示.

表2 星敏感器探测器损伤典型功率密度Tab.2 Typical power density of star sensor detector damage

由表2可知，造成线损伤的功率密度略低，但是相差不大；造成大面积损伤所需的功率密度略高，功率密度范围覆盖线损伤和十字损伤.经分析，认为该结果是由于星敏感器的个体差异导致的，因此激光能够造成的不同损伤效果均可能出现，但总体上功率密度波动在同一数量级，可以认为激光对星敏感器APS探测器的损伤在105W/cm2数量级范围内，与仿真结果吻合.

2.3 结果分析

损伤前后微观形貌如图9所示.

图9 探测器损伤前后微观形貌对比Fig.9 Comparison of micro morphology before and after detector damage

由图9可知，对于正常未受到激光照射的探测器，在像元周围可以看到规则布设的金属线路；对于受到激光损伤的探测器区域，像元硅基底熔融并伴随着周围的电路已经被烧蚀熔断，说明激光对探测器的损伤以热效应为主.硅的熔点为1 400℃，铜的熔点为1 083℃，当硅基底熔融时，必然也会导致金属电路的熔断.当电路层中某处电路损伤中断后，将会直接导致某一行/列信号中断，造成线损伤、十字损伤，当电路层中某一区域电路损伤后，将会导致出现大面积损伤.

3 结 论

本文对典型星敏感器APS探测器的激光辐照受损问题进行了研究.通过有限元分析方法建立了激光损伤星敏感器探测器热效应仿真分析模型，获得了激光功率密度与典型星敏感器APS探测器损伤概率的对应关系.开展了激光对典型星敏感器APS探测器激光损伤实验.实验结果表明，当激光功率密度为1.2-3.5×105W/cm2时，分辨率2 048 pixel×2 048 pixel、光学口径60 mm的APS星敏感器将出现线损伤、十字损伤和大面积损伤等损伤效果，通过微观形貌观察发现探测器电路层和感光面均受到损伤.实验结果与仿真结果具有较好的一致性.本文结论为开展天基光学设备激光损伤及防护研究提供了重要的数据参考.