METHODOLOGY OF TECHNICAL STATE CONTROL THE PHOTOSENSITIVE CCD MATRIX USING THERMAL IMAGER

Full Text

Оптико-электронный преобразователь (ОЭП) на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС) входит в состав системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), которая позволяет получать данные о состоянии земной поверхности. Информация с подобных систем широко используется в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, для решения научных задач, а также в военно-стратегических целях [1]. К оптико-электронной аппаратуре предъявляются повышенные требования надежности (Р = 0,998) на протяжении активного срока эксплуатации (не менее 5 лет). В процессе производства и хранения ОЭП в нем могут появляться и накапливаться неисправности, тем или иным образом влияющие на его работоспособность. Некоторые из них приводят к тому, что объект перестает отвечать предъявляемым к нему требованиям нормативно-технической или конструкторской документации [2]. Основную роль в полноценной работе оптико-электронного преобразователя играет фоточувствительная ПЗС-матрица, которая принимает и преобразовывает движущееся световое изображение в цифровой сигнал. Таким образом, перед производителем ставится задача по организации диагностики функционирования микросхемы во время монтажа и испытания прибора. Методика контроля и обработки результатов На практике чаще всего используются методы контроля технического состояния фоточувствительной ПЗС-матрицы, основанные на измерении ее фотоэлектрических и электрических параметров (эффективность переноса заряда, зарядовая вместимость, напряжение насыщения и т. д.). Данные методы диагностики требуют высокой квалификации персонала, способного выполнять работу на узкоспециализированной аппаратуре, а также продолжительны по времени. В связи с субъективностью оценки технического состояния микросхемы вышеуказанные методы обладают низкой достоверностью, а также являются малоэффективными при большом числе диагностируемых элементов. Однако известно, что при протекании через микросхему электрического тока порядка 90-95 % энергии в итоге превращается в тепловую. Распределение теплового излучения по поверхности ФПЗС и его интенсивность зависят от теплофизических параметров материала и от возможного наличия дефектов в нем. Дефект является причиной интегрального или локального искажения теплового поля. Картина поля меняется в зависимости от расположения в объеме, природы и размера самого дефекта. Тепловая картина меняется при наличии локального разогрева (по причине замыкания проводников, изменения кристаллической структуры светочувствительной поверхности и др.) или более холодного участка (вызванного трещиной, пробоем, порой и т. д., которые не пропускают электрический ток). Для снятия тепловой картины с поверхности микросхемы используется тепловизионный метод неразрушающего контроля. При регистрации температуры с помощью тепловизора значение ее зависит от коэффициента теплового излучения и соответствует радиационным значениям объекта. Для преобразования измеренной температуры в истинные значения используется следующая формула: (1) где - истинная температура объекта; - истинная температура эталона; - истинная температура окружающей среды; - измеренные радиационные температуры объекта и эталона соответственно; - коэффициент теплового излучения эталона; - коэффициент теплового излучения объекта [3]. Сложность метода заключается в необходимости калибровки прибора в процессе измерения. С этой целью в поле зрения тепловизора помещается эталонный источник температуры с известным значением коэффициента теплового излучения и температуры. Таким образом, тепловой метод неразрушающего контроля заключается в сравнительном анализе измеренного значения температуры поверхности микросхемы и расчетного значения температуры, которое принимается за эталон. В связи с особенностями конструкции, допуском на теплофизические и электрические параметры микросхемы, погрешностями измерения расчетные значения температуры задают диапазон допуска температуры матрицы. При выполнении условия объект можно классифицировать как работоспособный. В случае выхода измеренного значения температуры за пределы указанного диапазона объект характеризуется как неработоспособный [3]. Рис. 1. Алгоритм автоматизированного контроля технического состояния фоточувствительной ПЗС-матрицы Определение предельных значений температурного диапазона осуществляется с помощью выражений: , где - предельные минимальное и максимальное значения температурного диапазона соответственно; - математическое ожидание температуры поверхности микросхемы; - среднеквадратическое отклонение температуры поверхности микросхемы. При этом математическое ожидание определяется по формуле , где - температура поверхности микросхемы ФПЗС, измеренная в i-м цикле и преобразованная по формуле (1); n - количество измерений. Среднеквадратическое отклонение температуры поверхности микросхемы определяется как где - дисперсия температуры, выраженная формулой Таким образом, определяется диапазон допустимых значений для температуры поверхности ПЗС-матрицы []. Путем сравнения измеренного с помощью тепловизора значения с значениями осуществляется разбраковка объектов диагностики на работоспособные и неработоспособный. Алгоритм контроля ПЗС-матрицы представлен на рис. 1. Для обработки информации и оперативного принятия решения о техническом состоянии ФПЗС необходимо автоматизировать процесс температурной диагностики. Структурная схема программно-аппаратного комплекса представлена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема программно-аппаратного комплекса для температурной диагностики фоточувствительной ПЗС-матрицы Устройство подачи управляющих сигналов представляет собой отладочную плату компании XILINX на базе ПЛИС Virtex-6, которая обладает широкими возможностями для разработки и отладки приложений высокоскоростных последовательных интерфейсов. Управление устройством осуществляется через ЭВМ благодаря программе контроля. Сигналы, подаваемые на объект диагностики, в данном случае ФПЗС-матрицу, позволяют имитировать ее штатную работу. В качестве устройства регистрации теплового поля выступает тепловизор с оптико-механической системой сканирования. Основные узлы, из которых состоит прибор: оптическая система приема, оптико-механическая система сканирования, видеоконтрольное устройство, приемник излучения и усилительно-преобразовательного электронного тракта. Оптическая система создает изображение на приемнике излучения в виде контура объекта в инфракрасных лучах. Получение тепловой картины объекта обеспечивается системой сканирования, затем с приемника усиливается и передается на индикатор. В качестве устройства регистрации электрических сигналов используется осциллограф, который позволяет получать диагностическую информацию о техническом состоянии объекта по электрическим параметрам выходного сигнала (амплитуда, частота и т. д.). Устройство ввода диагностической и служебной информации, а также ЭВМ с программным комплексом и базой данных представляют собой человеко-машинный интерфейс. Инженер-аналитик следит за процессом диагностики и дает заключение о техническом состоянии фоточувствительной ПЗС-матрицы [4]. Заключение Таким образом, в процессе испытаний в автоматическом режиме измеряются параметры микросхемы, определяется ее работоспособность, производится запись данных в базу данных испытаний. Регистрация информации о нештатных ситуациях при функционировании микросхемы и анализ причин возникновения отклонений в ее работе позволяют повысить надежность работы оптико-электронного преобразователя в штатном режиме на борту космического аппарата, а также сократить время на диагностику ФПЗС. Автоматизация контроля фоточувствительной ПЗС-матрицы с помощью тепловизора способствует повышению качества и эффективности диагностики за счет увеличения точности измерений, достоверности принятия решений и уменьшения трудозатрат на процесс испытаний [5].

About the authors

Elena Ahpolova Ahpolova

State Research-and-Production Space Rocket Centre «TsSKB-Progress»

Email: ahpolova_elena@mail.ru
control foreman workshop. 18, Zemetza st., Samara, 443009, Russia

References

Supplementary files