CN102175248A - 基于单粒子效应的脉冲星信号探测器 - Google Patents

Abstract

基于单粒子效应的脉冲星信号探测器。它涉及数据处理技术领域，它解决了现有探测器低压力高真空、低温环境的支持的缺陷，探测面积过大的难题。它包括由M+1个寄存器单元组成寄存器单元阵列和由M个加法器组成加法器阵列；第一和第二寄存器单元输出端分别连第一加法器第一和第二输入端，第一加法器输出端连第二加法器第一输入端，第三寄存器单元输出端连第二加法器第二输入端，第一加法器进位输出端连第二加法器低位进位输入端，类推，第m加法器输出端连第m+1加法器第一输入端，第m+2寄存器单元输出端连第m+1加法器第二输入端，第m加法器进位输出端连第m+1加法器低位进位输入端，1＜m＜M；第M加法器输出端为最终结果输出端。应用于探测航天器导航的脉冲星信号。

Description

基于单粒子效应的脉冲星信号探测器

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种应用于航天器导航应用的脉冲星信号探测器。

背景技术

单粒子翻转效应主要由空间辐射环境中的高能质子与重离子引起，其中主要发生于存储器件和逻辑电路中的单粒子翻转发生最为频繁。单粒子翻转是重离子运动径迹周围产生的电荷被灵敏电极收集，形成瞬态电流，出发逻辑电路，导致逻辑状态翻转。这种现象最早发现在宇宙飞船和卫星中工作的微处理器上和存储单元中，单粒子使处理器或存储器单元的某些位发生0-1翻转错误。具有相当能量的高能粒子或其它粒子射进集成电路，一般情况下，高能中子、质子和光子都可以导致存储单元发生翻转。

美国GPS，TDRSS和MMS等宇宙飞船的数字***在空间飞行时，均遭受了随机的位错误。目前资料表明，集成电路在1Kb以下时，单粒子翻转现象不明显，当集成度高达4Kb时，单粒子翻转问题便不容忽视了，特别是当RAM高达16Kb以上时，可能几分钟就可以检测到存储器件受到了单粒子的影响，并且随着集成电路工艺的发展，单位面积上存储单元的密度越来越大，单个存储单元的体积越来越小，由单粒子翻转问题也越来越突出。当采用对单粒子敏感的集成工艺时，SRAM的单粒子翻转现象就更加明显，这就为基于单粒子效应的脉冲星信号探测器的设计提供了可靠的理论基础。若可以检测到脉冲星辐射的脉冲粒子对集成芯片存储单元产生的翻转影响，或检测到芯片内存储单元状态的变化，便可以将这种变化体现在探测器上。

目前普遍采用的脉冲星信号探测器的类型主要是气体比例型、微通道板型、CCD半导体型、闪烁探测器、热量敏感型以及固态半导体型等等，其原理均可以看做将脉冲星射线光子的能量转换成易于测量的电信号。在入射脉冲星射线与探测器活性材料的相互作用下产生光电子，由这些光电于形成的电流经电容和电阻产生脉冲电压。脉冲电压的大小与脉冲星射线光子的能量成正比，依据此原理设计的探测器多需要低压力高真空、低温环境的支持，同时也面临着探测面积过大的难题，难以满足空间应用小型化、低功耗的要求。

发明内容

本发明为了解决现有探测器都需要低压力高真空、低温环境的支持的缺陷，探测面积过大的难题，而提出了基于单粒子效应的脉冲星信号探测器。

基于单粒子效应的脉冲星信号探测器包括寄存器单元阵列和加法器阵列；寄存器单元阵列由M+1个寄存器单元组成，即第一寄存器单元至第(M+1)寄存器单元；加法器阵列由M个加法器组成，即第一加法器至第M加法器；第一寄存器单元的输出端和第二寄存器单元的输出端分别连接第一加法器的第一输入端和第二输入端，第一加法器的输出端连接第二加法器的第一输入端，第三寄存器单元的输出端连接第二加法器的第二输入端，第一加法器的进位输出端连接第二加法器的低位进位输入端，依次类推，第m加法器的输出端连接第m+1加法器的第一输入端，第m+2寄存器单元的输出端连接第m+1加法器的第二输入端，第m加法器的进位输出端连接第m+1加法器的低位进位输入端，其中1＜m＜M；第M加法器的输出端为最终结果输出端。

本发明的探测器中只要有一个寄存器单元捕获到了单粒子，则可以形成有效的输出，也就表示探测到脉冲星信号已经出现，根据这种信号就可以对脉冲星信号的周期特征进行识别。

由于探测器件对单粒子的能量有一定的阈值要求，因此单粒子效应的脉冲星信号探测器不会受热噪声的影响，只会受到宇宙空间粒子噪声的影响。宇宙空间噪声粒子流密度大约是4-20ph/cm2/s，但这种随机噪声可以通过周期特征识别被有效地剔除。

当脉冲星信号到达单粒子效应的脉冲星信号探测器时，单粒子流密度增加，单粒子被单粒子效应的脉冲星信号探测器捕获的概率增加，单粒子效应的脉冲星信号探测器中的寄存器单元探测到部分单粒子，并形成单粒子计数输出，输出值反映了单粒子流的密度。当粒子流密度增加时，越来越多的寄存器单元捕获到单粒子，单粒子计数输出值也越来越大，并可能出现饱和状态。在这种情况下，即使单粒子方向与探测器接收面法向偏置成一定角度，探测器等效接收面积减小，也会有较大的单粒子计数输出。如果粒子流密度足够大，单粒子效应的脉冲星信号探测器就可以检测到单粒子流与探测器接收面积之间变化关系，从而可以实现单粒子流方向的检测。

与光电转换器件一样，当粒子流密度适中时，单粒子效应的脉冲星信号探测器的输出与粒子流方向呈现余弦关系，这种余弦关系是由粒子探测的特点决定的。因为探测概率与存储敏感区的面积有关，因此余弦关系只是描述了当接收平面与粒子流方向不一致时，等效面积是探测存储敏感区面积的投影。

与光电转换器件不同的是，单粒子效应的脉冲星信号探测器由于有寄存器单元，其输出不会因为外部粒子流的消失而变化，它的输出反映了寄存器单元单粒子效应的翻转状态，具有累积特性，只能由外部控制清零。因此，单粒子效应的脉冲星信号探测器除对单粒子探测外，还可以实现单粒子信号的累计功能。

本发明利用脉冲星辐射的脉冲粒子对集成芯片寄存器单元产生的翻转影响，或检测到芯片内寄存器单元状态的变化，而提供一种基于单粒子效应的脉冲星信号探测器，它采用单粒子效应对大规模器件产生翻转现象，摆脱了传统脉冲星信号探测器对高电压，低气压等特殊工作条件的束缚。

本发明避免了复杂电路及相应的结构设计，易于小型化，高功能密度集成，并且降低了设计成本，对于今后航天应用，特别是深空导航的需求奠定了坚实的基础。

附图说明

图1 为基于单粒子效应的脉冲星信号探测器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于单粒子效应的脉冲星信号探测器包括寄存器单元阵列1和加法器阵列2；寄存器单元阵列1由M+1个寄存器单元组成，即第一寄存器单元11至第(M+1)寄存器单元1(M+1)；加法器阵列2由M个加法器组成，即第一加法器21至第M加法器1M；第一寄存器单元11的输出端和第二寄存器单元12的输出端分别连接第一加法器21的第一输入端和第二输入端，第一加法器21的输出端连接第二加法器22的第一输入端，第三寄存器单元13的输出端连接第二加法器22的第二输入端，第一加法器21的进位输出端连接第二加法器22的低位进位输入端，依次类推，第m加法器2m的输出端连接第m+1加法器2(m+1)的第一输入端，第m+2寄存器单元1(m+2)的输出端连接第m+1加法器2(m+1)的第二输入端，第m加法器2m的进位输出端连接第m+1加法器2(m+1)的低位进位输入端，其中1＜m＜M；第M加法器1M的输出端为最终结果输出端，最终结果为累加和为该探测器检测单粒子翻转的数量，即探测器所探测的脉冲星辐射剂量。

寄存器单元阵列1是由寄存器单元形成的阵列，寄存器单元阵列1用来存储初始数据，每个寄存器单元对外输出当前值；第一加法器21为全加器，第一寄存器单元11输出作为加数、第二寄存器单元12输出作为被加数，低位的进位数为0，上述三个值为第一加法器21输入，计算和数与进位为输出，记为sum与Y，sum与第三寄存器单元13的值作为下一级加法器(第二加法器22)的加数和被加数，Y为低位进位，计算的结果和进位与余下寄存器依次相加得到最后的计算输出。当发生单粒子效应时，寄存器单元阵列1中的某个寄存器被打翻，数据由“1”到“0”，或者是由“0”到“1”，经过加法器阵列2逐位累加后体现在单粒子效应的脉冲星信号探测器的输出端输出端口。

当初始数据是0时，累加后的输出结果即为单粒子翻转的个数，若初始数据为1时，经过累加后计算的单粒子翻转个数＝寄存器容量-输出数据。

加法器阵列2是一个逐位相加、包含进位的累加模块单元，通过FPGA实现，第一级加法的位数和寄存器单元阵列1的容量相同，逐级减半。

若寄存器单元容量为N＝2n，寄存器单元容量选择为大于16Kbytes范围；n为加法器阵列2最后一级输出的位数，则加法器阵列2中的加法运算的个数为2n/2+2n/4+2n/8+…+n＝N-n。

单粒子效应的脉冲星信号探测器是利用FPGA设计大片寄存器单元阵列，将寄存器单元阵列中的值经过加法器阵列逐位相加。基于单粒子效应的脉冲星信号探测器是在FPGA内部进行布局布线的。所选用的为90nm工艺以下的SRAM类型的FPGA，如xilinx公司的XC4VFX12FF668。FPGA设计占用率为70％-80％。此单粒子效应的脉冲星信号探测器可以实时的观测单粒子翻转的情况，单粒子翻转的结果经过组合逻辑电路的走线延迟后反映在加法器阵列的输出结果中。并且通过在单位时间内单粒子翻转数量的测量，可以估算此时段内辐射效应对FPGA的影响，估算单粒子翻转发生的概率。当单粒子效应的脉冲星信号探测器安装在卫星的不同位置时，用来估算辐射来源的方向，从而判断某些脉冲星发射的射线方向，解算航天器的位置，为基于脉冲星导航的航天器提供导航数据。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (1)

1.基于单粒子效应的脉冲星信号探测器，其特征在于它包括寄存器单元阵列(1)和加法器阵列(2)；寄存器单元阵列(1)由M+1个寄存器单元组成，即第一寄存器单元(11)至第(M+1)寄存器单元(1(M+1))；加法器阵列(2)由M个加法器组成，即第一加法器(21)至第M加法器(1M)；第一寄存器单元(11)的输出端和第二寄存器单元(12)的输出端分别连接第一加法器(21)的第一输入端和第二输入端，第一加法器(21)的输出端连接第二加法器(22)的第一输入端，第三寄存器单元(13)的输出端连接第二加法器(22)的第二输入端，第一加法器(21)的进位输出端连接第二加法器(22)的低位进位输入端，依次类推，第m加法器(2m)的输出端连接第m+1加法器(2(m+1))的第一输入端，第m+2寄存器单元(1(m+2))的输出端连接第m+1加法器(2(m+1))的第二输入端，第m加法器(2m)的进位输出端连接第m+1加法器(2(m+1))的低位进位输入端，其中1＜m＜M；第M加法器(1M)的输出端为最终结果输出端。

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