專利名稱：基于單粒子效應的脈沖星信號探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及數據處理技術領域，尤其涉及一種應用于航天器導航應用的脈沖星信號探測器。
背景技術：
單粒子翻轉效應主要由空間輻射環境中的高能質子與重離子引起，其中主要發生于存儲器件和邏輯電路中的單粒子翻轉發生最為頻繁。單粒子翻轉是重離子運動徑跡周圍產生的電荷被靈敏電極收集，形成瞬態電流，出發邏輯電路，導致邏輯狀態翻轉。這種現象最早發現在宇宙飛船和衛星中工作的微處理器上和存儲單元中，單粒子使處理器或存儲器單元的某些位發生0-1翻轉錯誤。具有相當能量的高能粒子或其它粒子射進集成電路，一般情況下，高能中子、質子和光子都可以導致存儲單元發生翻轉。美國GPS，TDRSS和匪S等宇宙飛船的數字系統在空間飛行時，均遭受了隨機的位錯誤。目前資料表明，集成電路在1Kb以下時，單粒子翻轉現象不明顯，當集成度高達4Kb 時，單粒子翻轉問題便不容忽視了，特別是當RAM高達16Kb以上時，可能幾分鐘就可以檢測到存儲器件受到了單粒子的影響，并且隨著集成電路工藝的發展，單位面積上存儲單元的密度越來越大，單個存儲單元的體積越來越小，由單粒子翻轉問題也越來越突出。當采用對單粒子敏感的集成工藝時，SRAM的單粒子翻轉現象就更加明顯，這就為基于單粒子效應的脈沖星信號探測器的設計提供了可靠的理論基礎。若可以檢測到脈沖星輻射的脈沖粒子對集成芯片存儲單元產生的翻轉影響，或檢測到芯片內存儲單元狀態的變化，便可以將這種變化體現在探測器上。目前普遍采用的脈沖星信號探測器的類型主要是氣體比例型、微通道板型、C⑶半導體型、閃爍探測器、熱量敏感型以及固態半導體型等等，其原理均可以看做將脈沖星射線光子的能量轉換成易于測量的電信號。在入射脈沖星射線與探測器活性材料的相互作用下產生光電子，由這些光電于形成的電流經電容和電阻產生脈沖電壓。脈沖電壓的大小與脈沖星射線光子的能量成正比，依據此原理設計的探測器多需要低壓力高真空、低溫環境的支持，同時也面臨著探測面積過大的難題，難以滿足空間應用小型化、低功耗的要求。
發明內容
本發明為了解決現有探測器都需要低壓力高真空、低溫環境的支持的缺陷，探測面積過大的難題，而提出了基于單粒子效應的脈沖星信號探測器。基于單粒子效應的脈沖星信號探測器包括寄存器單元陣列和加法器陣列；寄存器單元陣列由M+1個寄存器單元組成，即第一寄存器單元至第(M+1)寄存器單元；加法器陣列由M個加法器組成，即第一加法器至第M加法器；第一寄存器單元的輸出端和第二寄存器單元的輸出端分別連接第一加法器的第一輸入端和第二輸入端，第一加法器的輸出端連接第二加法器的第一輸入端，第三寄存器單元的輸出端連接第二加法器的第二輸入端，第一加法器的進位輸出端連接第二加法器的低位進位輸入端，依次類推，第m加法器的輸出端連接第m+1加法器的第一輸入端，第m+2寄存器單元的輸出端連接第m+1加法器的第二輸入端，第m加法器的進位輸出端連接第m+1加法器的低位進位輸入端，其中1 < m < M ；第M加法器的輸出端為最終結果輸出端。本發明的探測器中只要有一個寄存器單元捕獲到了單粒子，則可以形成有效的輸出，也就表示探測到脈沖星信號已經出現，根據這種信號就可以對脈沖星信號的周期特征進行識別。由于探測器件對單粒子的能量有一定的閾值要求，因此單粒子效應的脈沖星信號探測器不會受熱噪聲的影響，只會受到宇宙空間粒子噪聲的影響。宇宙空間噪聲粒子流密度大約是4-20ph/cm2/s，但這種隨機噪聲可以通過周期特征識別被有效地剔除。當脈沖星信號到達單粒子效應的脈沖星信號探測器時，單粒子流密度增加，單粒子被單粒子效應的脈沖星信號探測器捕獲的概率增加，單粒子效應的脈沖星信號探測器中的寄存器單元探測到部分單粒子，并形成單粒子計數輸出，輸出值反映了單粒子流的密度。 當粒子流密度增加時，越來越多的寄存器單元捕獲到單粒子，單粒子計數輸出值也越來越大，并可能出現飽和狀態。在這種情況下，即使單粒子方向與探測器接收面法向偏置成一定角度，探測器等效接收面積減小，也會有較大的單粒子計數輸出。如果粒子流密度足夠大， 單粒子效應的脈沖星信號探測器就可以檢測到單粒子流與探測器接收面積之間變化關系， 從而可以實現單粒子流方向的檢測。與光電轉換器件一樣，當粒子流密度適中時，單粒子效應的脈沖星信號探測器的輸出與粒子流方向呈現余弦關系，這種余弦關系是由粒子探測的特點決定的。因為探測概率與存儲敏感區的面積有關，因此余弦關系只是描述了當接收平面與粒子流方向不一致時，等效面積是探測存儲敏感區面積的投影。與光電轉換器件不同的是，單粒子效應的脈沖星信號探測器由于有寄存器單元， 其輸出不會因為外部粒子流的消失而變化，它的輸出反映了寄存器單元單粒子效應的翻轉狀態，具有累積特性，只能由外部控制清零。因此，單粒子效應的脈沖星信號探測器除對單粒子探測外，還可以實現單粒子信號的累計功能。本發明利用脈沖星輻射的脈沖粒子對集成芯片寄存器單元產生的翻轉影響，或檢測到芯片內寄存器單元狀態的變化，而提供一種基于單粒子效應的脈沖星信號探測器，它采用單粒子效應對大規模器件產生翻轉現象，擺脫了傳統脈沖星信號探測器對高電壓，低氣壓等特殊工作條件的束縛。本發明避免了復雜電路及相應的結構設計，易于小型化，高功能密度集成，并且降低了設計成本，對于今后航天應用，特別是深空導航的需求奠定了堅實的基礎。
圖1為基于單粒子效應的脈沖星信號探測器的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖1說明本實施方式，本實施方式的基于單粒子效應的脈沖星信號探測器包括寄存器單元陣列1和加法器陣列2 ；寄存器單元陣列1由M+1個寄存器單元組成，即第一寄存器單元11至第(M+1)寄存器單元1(M+1)；加法器陣列2由M個加法器組成，即第一加法器21至第M加法器IM ；第一寄存器單元11的輸出端和第二寄存器單元 12的輸出端分別連接第一加法器21的第一輸入端和第二輸入端，第一加法器21的輸出端連接第二加法器22的第一輸入端，第三寄存器單元13的輸出端連接第二加法器22的第二輸入端，第一加法器21的進位輸出端連接第二加法器22的低位進位輸入端，依次類推，第 m加法器an的輸出端連接第m+1加法器2 (m+1)的第一輸入端，第m+2寄存器單元1 (m+2) 的輸出端連接第m+1加法器2 (m+1)的第二輸入端，第m加法器的進位輸出端連接第m+1 加法器2 (m+1)的低位進位輸入端，其中1 <m<M;第M加法器IM的輸出端為最終結果輸出端，最終結果為累加和為該探測器檢測單粒子翻轉的數量，即探測器所探測的脈沖星輻射劑量。寄存器單元陣列1是由寄存器單元形成的陣列，寄存器單元陣列1用來存儲初始數據，每個寄存器單元對外輸出當前值；第一加法器21為全加器，第一寄存器單元11輸出作為加數、第二寄存器單元12輸出作為被加數，低位的進位數為0，上述三個值為第一加法器21輸入，計算和數與進位為輸出，記為sum與Y，sum與第三寄存器單元13的值作為下一級加法器(第二加法器22)的加數和被加數，Y為低位進位，計算的結果和進位與余下寄存器依次相加得到最后的計算輸出。當發生單粒子效應時，寄存器單元陣列1中的某個寄存器被打翻，數據由“ 1”到“0 ”，或者是由“0 ”到“ 1 ”，經過加法器陣列2逐位累加后體現在單粒子效應的脈沖星信號探測器的輸出端輸出端口。當初始數據是0時，累加后的輸出結果即為單粒子翻轉的個數，若初始數據為1 時，經過累加后計算的單粒子翻轉個數=寄存器容量-輸出數據。加法器陣列2是一個逐位相加、包含進位的累加模塊單元，通過FPGA實現，第一級加法的位數和寄存器單元陣列1的容量相同，逐級減半。若寄存器單元容量為N = 2η，寄存器單元容量選擇為大于16Kbytes范圍；η為加法器陣列2最后一級輸出的位數，則加法器陣列2中的加法運算的個數為 2n/2+2n/4+2n/8+—+n = Ν_η。單粒子效應的脈沖星信號探測器是利用FPGA設計大片寄存器單元陣列，將寄存器單元陣列中的值經過加法器陣列逐位相加。基于單粒子效應的脈沖星信號探測器是在 FPGA內部進行布局布線的。所選用的為90nm工藝以下的SRAM類型的FPGAjn xilinx公司的)(C4VFX12FF668。FPGA設計占用率為70%-80%。此單粒子效應的脈沖星信號探測器可以實時的觀測單粒子翻轉的情況，單粒子翻轉的結果經過組合邏輯電路的走線延遲后反映在加法器陣列的輸出結果中。并且通過在單位時間內單粒子翻轉數量的測量，可以估算此時段內輻射效應對FPGA的影響，估算單粒子翻轉發生的概率。當單粒子效應的脈沖星信號探測器安裝在衛星的不同位置時，用來估算輻射來源的方向，從而判斷某些脈沖星發射的射線方向，解算航天器的位置，為基于脈沖星導航的航天器提供導航數據。本發明內容不僅限于上述各實施方式的內容，其中一個或幾個具體實施方式
的組合同樣也可以實現發明的目的。
權利要求
1.基于單粒子效應的脈沖星信號探測器，其特征在于它包括寄存器單元陣列(1)和加法器陣列O)；寄存器單元陣列(1)由M+1個寄存器單元組成，即第一寄存器單元(11)至第 (M+1)寄存器單元(1(M+1))；加法器陣列O)由M個加法器組成，即第一加法器至第 M加法器(IM)；第一寄存器單元(11)的輸出端和第二寄存器單元(1 的輸出端分別連接第一加法器的第一輸入端和第二輸入端，第一加法器的輸出端連接第二加法器 (22)的第一輸入端，第三寄存器單元(1 的輸出端連接第二加法器0 的第二輸入端，第一加法器的進位輸出端連接第二加法器0 的低位進位輸入端，依次類推，第m加法器Om)的輸出端連接第m+1加法器的第一輸入端，第m+2寄存器單元(l(m+2)) 的輸出端連接第m+1加法器的第二輸入端，第m加法器Qm)的進位輸出端連接第m+1加法器的低位進位輸入端，其中1 <m<M;第M加法器(IM)的輸出端為最終結果輸出端。
全文摘要
基于單粒子效應的脈沖星信號探測器。它涉及數據處理技術領域，它解決了現有探測器低壓力高真空、低溫環境的支持的缺陷，探測面積過大的難題。它包括由M+1個寄存器單元組成寄存器單元陣列和由M個加法器組成加法器陣列；第一和第二寄存器單元輸出端分別連第一加法器第一和第二輸入端，第一加法器輸出端連第二加法器第一輸入端，第三寄存器單元輸出端連第二加法器第二輸入端，第一加法器進位輸出端連第二加法器低位進位輸入端，類推，第m加法器輸出端連第m+1加法器第一輸入端，第m+2寄存器單元輸出端連第m+1加法器第二輸入端，第m加法器進位輸出端連第m+1加法器低位進位輸入端，1＜m＜M；第M加法器輸出端為最終結果輸出端。應用于探測航天器導航的脈沖星信號。
文檔編號G01C21/24GK102175248SQ20111002700
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月25日 優先權日2011年1月25日
發明者丁玉葉, 蘭盛昌, 徐國棟, 曹星慧, 潘瑞, 陳健 申請人:哈爾濱工業大學