專利名稱：基于單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于航天器導(dǎo)航應(yīng)用的脈沖星信號(hào)探測(cè)器。
背景技術(shù)：
單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)主要由空間輻射環(huán)境中的高能質(zhì)子與重離子引起，其中主要發(fā)生于存儲(chǔ)器件和邏輯電路中的單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生最為頻繁。單粒子翻轉(zhuǎn)是重離子運(yùn)動(dòng)徑跡周圍產(chǎn)生的電荷被靈敏電極收集，形成瞬態(tài)電流，出發(fā)邏輯電路，導(dǎo)致邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)在宇宙飛船和衛(wèi)星中工作的微處理器上和存儲(chǔ)單元中，單粒子使處理器或存儲(chǔ)器單元的某些位發(fā)生0-1翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。具有相當(dāng)能量的高能粒子或其它粒子射進(jìn)集成電路，一般情況下，高能中子、質(zhì)子和光子都可以導(dǎo)致存儲(chǔ)單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)。美國(guó)GPS，TDRSS和匪S等宇宙飛船的數(shù)字系統(tǒng)在空間飛行時(shí)，均遭受了隨機(jī)的位錯(cuò)誤。目前資料表明，集成電路在1Kb以下時(shí)，單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象不明顯，當(dāng)集成度高達(dá)4Kb 時(shí)，單粒子翻轉(zhuǎn)問(wèn)題便不容忽視了，特別是當(dāng)RAM高達(dá)16Kb以上時(shí)，可能幾分鐘就可以檢測(cè)到存儲(chǔ)器件受到了單粒子的影響，并且隨著集成電路工藝的發(fā)展，單位面積上存儲(chǔ)單元的密度越來(lái)越大，單個(gè)存儲(chǔ)單元的體積越來(lái)越小，由單粒子翻轉(zhuǎn)問(wèn)題也越來(lái)越突出。當(dāng)采用對(duì)單粒子敏感的集成工藝時(shí)，SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象就更加明顯，這就為基于單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論基礎(chǔ)。若可以檢測(cè)到脈沖星輻射的脈沖粒子對(duì)集成芯片存儲(chǔ)單元產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)影響，或檢測(cè)到芯片內(nèi)存儲(chǔ)單元狀態(tài)的變化，便可以將這種變化體現(xiàn)在探測(cè)器上。目前普遍采用的脈沖星信號(hào)探測(cè)器的類型主要是氣體比例型、微通道板型、C⑶半導(dǎo)體型、閃爍探測(cè)器、熱量敏感型以及固態(tài)半導(dǎo)體型等等，其原理均可以看做將脈沖星射線光子的能量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)。在入射脈沖星射線與探測(cè)器活性材料的相互作用下產(chǎn)生光電子，由這些光電于形成的電流經(jīng)電容和電阻產(chǎn)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(jù)此原理設(shè)計(jì)的探測(cè)器多需要低壓力高真空、低溫環(huán)境的支持，同時(shí)也面臨著探測(cè)面積過(guò)大的難題，難以滿足空間應(yīng)用小型化、低功耗的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有探測(cè)器都需要低壓力高真空、低溫環(huán)境的支持的缺陷，探測(cè)面積過(guò)大的難題，而提出了基于單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器?；趩瘟Ｗ有?yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)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(gè)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(gè)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(jìn)位輸出端連接第二加法器的低位進(jìn)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(jìn)位輸出端連接第m+1加法器的低位進(jìn)位輸入端，其中1 < m < M ；第M加法器的輸出端為最終結(jié)果輸出端。本發(fā)明的探測(cè)器中只要有一個(gè)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(cè)到脈沖星信號(hào)已經(jīng)出現(xiàn)，根據(jù)這種信號(hào)就可以對(duì)脈沖星信號(hào)的周期特征進(jìn)行識(shí)別。由于探測(cè)器件對(duì)單粒子的能量有一定的閾值要求，因此單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器不會(huì)受熱噪聲的影響，只會(huì)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(jī)噪聲可以通過(guò)周期特征識(shí)別被有效地剔除。當(dāng)脈沖星信號(hào)到達(dá)單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器時(shí)，單粒子流密度增加，單粒子被單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器捕獲的概率增加，單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器中的寄存器單元探測(cè)到部分單粒子，并形成單粒子計(jì)數(shù)輸出，輸出值反映了單粒子流的密度。 當(dāng)粒子流密度增加時(shí)，越來(lái)越多的寄存器單元捕獲到單粒子，單粒子計(jì)數(shù)輸出值也越來(lái)越大，并可能出現(xiàn)飽和狀態(tài)。在這種情況下，即使單粒子方向與探測(cè)器接收面法向偏置成一定角度，探測(cè)器等效接收面積減小，也會(huì)有較大的單粒子計(jì)數(shù)輸出。如果粒子流密度足夠大， 單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器就可以檢測(cè)到單粒子流與探測(cè)器接收面積之間變化關(guān)系， 從而可以實(shí)現(xiàn)單粒子流方向的檢測(cè)。與光電轉(zhuǎn)換器件一樣，當(dāng)粒子流密度適中時(shí)，單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器的輸出與粒子流方向呈現(xiàn)余弦關(guān)系，這種余弦關(guān)系是由粒子探測(cè)的特點(diǎn)決定的。因?yàn)樘綔y(cè)概率與存儲(chǔ)敏感區(qū)的面積有關(guān)，因此余弦關(guān)系只是描述了當(dāng)接收平面與粒子流方向不一致時(shí)，等效面積是探測(cè)存儲(chǔ)敏感區(qū)面積的投影。與光電轉(zhuǎn)換器件不同的是，單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器由于有寄存器單元， 其輸出不會(huì)因?yàn)橥獠苛Ｗ恿鞯南Ф兓?，它的輸出反映了寄存器單元單粒子效?yīng)的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，具有累積特性，只能由外部控制清零。因此，單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器除對(duì)單粒子探測(cè)外，還可以實(shí)現(xiàn)單粒子信號(hào)的累計(jì)功能。本發(fā)明利用脈沖星輻射的脈沖粒子對(duì)集成芯片寄存器單元產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)影響，或檢測(cè)到芯片內(nèi)寄存器單元狀態(tài)的變化，而提供一種基于單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器，它采用單粒子效應(yīng)對(duì)大規(guī)模器件產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，擺脫了傳統(tǒng)脈沖星信號(hào)探測(cè)器對(duì)高電壓，低氣壓等特殊工作條件的束縛。本發(fā)明避免了復(fù)雜電路及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，易于小型化，高功能密度集成，并且降低了設(shè)計(jì)成本，對(duì)于今后航天應(yīng)用，特別是深空導(dǎo)航的需求奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。


圖1為基于單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的基于單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)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(gè)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(gè)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(jìn)位輸出端連接第二加法器22的低位進(jìn)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(jìn)位輸出端連接第m+1 加法器2 (m+1)的低位進(jìn)位輸入端，其中1 <m<M;第M加法器IM的輸出端為最終結(jié)果輸出端，最終結(jié)果為累加和為該探測(cè)器檢測(cè)單粒子翻轉(zhuǎn)的數(shù)量，即探測(cè)器所探測(cè)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(lái)存儲(chǔ)初始數(shù)據(jù)，每個(gè)寄存器單元對(duì)外輸出當(dāng)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(shù)、第二寄存器單元12輸出作為被加數(shù)，低位的進(jìn)位數(shù)為0，上述三個(gè)值為第一加法器21輸入，計(jì)算和數(shù)與進(jìn)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(jí)加法器(第二加法器22)的加數(shù)和被加數(shù)，Y為低位進(jìn)位，計(jì)算的結(jié)果和進(jìn)位與余下寄存器依次相加得到最后的計(jì)算輸出。當(dāng)發(fā)生單粒子效應(yīng)時(shí)，寄存器單元陣列1中的某個(gè)寄存器被打翻，數(shù)據(jù)由“ 1”到“0 ”，或者是由“0 ”到“ 1 ”，經(jīng)過(guò)加法器陣列2逐位累加后體現(xiàn)在單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器的輸出端輸出端口。當(dāng)初始數(shù)據(jù)是0時(shí)，累加后的輸出結(jié)果即為單粒子翻轉(zhuǎn)的個(gè)數(shù)，若初始數(shù)據(jù)為1 時(shí)，經(jīng)過(guò)累加后計(jì)算的單粒子翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)=寄存器容量-輸出數(shù)據(jù)。加法器陣列2是一個(gè)逐位相加、包含進(jìn)位的累加模塊單元，通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，第一級(jí)加法的位數(shù)和寄存器單元陣列1的容量相同，逐級(jí)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(jí)輸出的位數(shù)，則加法器陣列2中的加法運(yùn)算的個(gè)數(shù)為 2n/2+2n/4+2n/8+—+n = Ν_η。單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器是利用FPGA設(shè)計(jì)大片寄存器單元陣列，將寄存器單元陣列中的值經(jīng)過(guò)加法器陣列逐位相加?；趩瘟Ｗ有?yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器是在 FPGA內(nèi)部進(jìn)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(shè)計(jì)占用率為70%-80%。此單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器可以實(shí)時(shí)的觀測(cè)單粒子翻轉(zhuǎn)的情況，單粒子翻轉(zhuǎn)的結(jié)果經(jīng)過(guò)組合邏輯電路的走線延遲后反映在加法器陣列的輸出結(jié)果中。并且通過(guò)在單位時(shí)間內(nèi)單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)量的測(cè)量，可以估算此時(shí)段內(nèi)輻射效應(yīng)對(duì)FPGA的影響，估算單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生的概率。當(dāng)單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器安裝在衛(wèi)星的不同位置時(shí)，用來(lái)估算輻射來(lái)源的方向，從而判斷某些脈沖星發(fā)射的射線方向，解算航天器的位置，為基于脈沖星導(dǎo)航的航天器提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)。本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個(gè)或幾個(gè)具體實(shí)施方式
的組合同樣也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.基于單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)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(gè)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(gè)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(jìn)位輸出端連接第二加法器0 的低位進(jìn)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(jìn)位輸出端連接第m+1加法器的低位進(jìn)位輸入端，其中1 <m<M;第M加法器(IM)的輸出端為最終結(jié)果輸出端。
全文摘要
基于單粒子效應(yīng)的脈沖星信號(hào)探測(cè)器。它涉及數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有探測(cè)器低壓力高真空、低溫環(huán)境的支持的缺陷，探測(cè)面積過(guò)大的難題。它包括由M+1個(gè)寄存器單元組成寄存器單元陣列和由M個(gè)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(jìn)位輸出端連第二加法器低位進(jìn)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(jìn)位輸出端連第m+1加法器低位進(jìn)位輸入端，1＜m＜M；第M加法器輸出端為最終結(jié)果輸出端。應(yīng)用于探測(cè)航天器導(dǎo)航的脈沖星信號(hào)。
文檔編號(hào)G01C21/24GK102175248SQ20111002700
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者丁玉葉, 蘭盛昌, 徐國(guó)棟, 曹星慧, 潘瑞, 陳健 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)