星上LED定标光源的可行性研究

　　1　引　言

　　空间相机是以数码形式采集和记录图像的,在使用前都会先对其进行辐射输入与数码输出绝对量化关系的标定,确定其响应度、动态范围等。但由于恶劣的空间环境影响,仪器的响应度难免会发生变化,严重的将达到20%的年变化量[1]。所以必须在卫星飞行期间进行星上定标,对仪器的响应度进行绝对校正以及相机像元间的相对校正。近年来,人们已经认识到星上定标对空间遥感仪器的重要性,欧洲MERIS成像光谱仪、印度的远距离探测卫星、我国"资源一号"卫星以及陆地卫星系列4、5和6号都使用了星载灯进行相对内定标[2]。

　　在卫星的整个运行期间,除了要求定标光源的机械稳定性、光学稳定性和电学稳定性外,对其寿命、体积、能耗、灵敏度和辐射强度等都有要求。过去定标所使用的光源为卤素灯(halogenlamps)[3]。卤素灯光谱丰富、色温稳定,而且卤素灯属于热光源,功耗大,大量开合后容易损坏,其发光光谱与大气顶部辐射(TOA)相比,蓝绿光部分辐射明显偏低。相比之下,发光二极管(LightEmitting Diode,LED)则具有更多的优点,其体积更小、发光效率更高、寿命更长(理论寿命为105h),而且LED属于冷光源,功耗极低,大量开合后依然保持稳定,并且发光光谱与TOA光谱相符,十分适合用作星上定标光源。尽管如此,业内对将其用于星上定标的可行性却存在疑虑,所以对LED进行研究是十分有必要的。

　　2　LED的工作稳定性研究

　　2.1　发光强度稳定性

　　根据卫星应用的实际需要,星载灯必须在外太空真空环境下工作3~5a,甚至更长的时间。星上定标灯长期工作状态下发光强度的稳定性是满足星上辐射定标要求的基本前提。面对如此苛刻的要求,LED的长寿命,高稳定输出等优点就突显出来了。LED的理论寿命为105h,大大优于传统光源,满足长时间空间工作的要求。为进一步获得LED长时间工作后的发光强度衰减情况,对LED进行了稳定性测试试验。测试结果发现,初期LED的发光强度变化呈剧烈的上升趋势,上升持续时间大概为250 h,之后变化趋于平稳。F.Manyakhin等利用电流加速寿命试验分析了GaN基LED,观察到了同样的现象,并对其老化机理进行了分析[4]。

　　表1列出了试验中LED的相对发光强度归一化后的变化情况。

　　由试验数据可以看出,试验前期的变化十分明显,其变化总量接近3%。如果在这段时间内使用LED作为定标光源,必然会引入不必要的误差。因此,对LED进行预老化,使其进入相对稳定的工作状态后再使用是十分有必要。从表1可以看出,经过老化后的LED相对发光强度变化不大,1 200 h以后衰减约为1.2%。根据定标灯的实际使用情况,使用1 200 h后衰减<1.5%。印度遥感卫星IRS-P3上的MOS-A要求其定标灯发光强度的变化量是<1.5%[5],证明实验所用的LED的稳定性是满足星上定标的使用要求的。通过充分的实验,掌握LED的长时间工作的衰减情况后[6],可以利用微调LED工作电流的方法对LED长时间工作所出现的衰减进行修正,从而保证定标的精度。

　　2.2　LED开合稳定性

　　使用星载灯进行内定标的优点是可以实现实时定标,不受时间与环境的限制,同一天内可以实现多次定标。但定标所产生的大量开合,容易使定标灯老化,其稳定性与寿命都难以保证。传统的卤素灯在频繁开合后容易出现不稳定,而LED却能保持正常工作。

　　本实验对数批LED进行开关实验,观察其重复性。由实验所得数据统计得出,每次开启LED时的发光强度重复性很好,误差仅为0.3%。但同时发现,LED的相对发光强度存在10~15 min的短暂下降,如图1所示。对实验数据进行统计,得出开启后的短暂下降引起的发光强度变化幅度约为1%,变化曲线如图2所示。对于这部分误差,根据星上定标系统的实际使用情况应适当地加以考虑。

　　2.3　LED的电流电压特性

　　LED的驱动电压与其发光材料有直接关系。近红外LED的驱动电压为1.18 V,白光为3.46V,红光为2.2 V。由于LED的半导体特性,其正向偏压是随温度的变化而变化的。在驱动LED的时候通常会使用恒流源,给LED提供稳定的工作电流。LED的发光强度可以通过改变工作电流的方式来改变。图3为正向电流与LED相对发光强度的关系图。

　　可以看出LED的相对发光强度与电流的关系是近线性的。作为星上定标光源的LED在必要的时候可以通过调整工作电流来改变定标光源的光强输出;通过调整电流还可以实现多个能量等级的辐射标定,但改变工作电流的同时也会使LED的峰值波长出现漂移。

　　表2给出了各种LED的电流特性,随着电流的增加,各种LED的发光强度均有不同程度的增加;发光波长为短波的LED峰值波长将会出现蓝移,而为长波的则会出现红移。将LED应用于光谱定标时,应注意工作电流的稳定,峰值波长的漂移将影响到定标精度。

　　3　LED空间环境试验

　　除了自身稳定性的要求外,LED还将面对苛刻的空间环境,所以要求LED在空间环境中同样正常地工作,本文对LED进行了的空间环境试验。

　　3.1　LED冷热特性变化

　　空间环境下的遥感仪器受太阳辐射、地球辐射和空间离子等的影响,温度变化剧烈。裸露于太空的遥感仪器朝向太阳的表面高达200℃,而背对太阳的一面最低可达-200℃[7],温度分布很不均匀。在温度变化如此剧烈的环境下,很难保证空间遥感仪器的正常工作。将遥感仪器置于航天器舱内,利用热控系统调节舱内温度,温度变化较小,但温度的周期变化也会达到几十度[8],对于LED等对于温度比较敏感的器件来说,这是很大的考验。

　　3.1.1　温度对LED的影响

　　LED存在温升效应,输出光强受温度的影响,当LED的结温升高时,器件的输出光强将逐渐减小;而当结温下降时,输出光强将增大,一般情况下,这种变化是可逆与可恢复的,当温度回到原来的值,光强也会回复到原来的状态。

　　结温对光输出影响的数学表达式如式(1)所示:

　　其中,ΦV(t2)表示结温t2的光通量输出;ΦV(t1)表示结温t1的光通量输出;k为温度系数,不同材料的LED温度系数存在差异;Δt=t2-t1。

　　LED热学特性主要由热阻RJX和结温来表征:

　　RJX是LED的PN结到指定环境之间的热阻(℃/W);tJ是测试时LED的结温(℃);tX是环境参考温度;PH是耗散功率(W)。

　　LED的光强输出、正向偏压以及峰值波长都受温度的影响。根据芯片材料的不同,其变化程度也不同。图4~7分别给出了NSPL500S-E白光LED和NSPR518AS-E红光LED在不同环境温度下的相对发光亮度与正向偏压的变化曲线。

　　可以看出无论是白光还是红光LED受温度的影响都很明显。德国航空中心的J.NIeke等人对LED温度特性进行了实验研究,实验LED工作在20 mA典型电流中,根据实验需要改变环境温度。表3给出了不同芯片在不同环境温度下的实验结果[9],其中包括正向偏压变化量ΔU/t、发光强度变化量ΔL/t、峰值波长偏移量Δλ/t。

　　温度对LED的影响是十分明显的,其发光强度平均变化量为-1%/℃左右,峰值波长也存在0.1 nm/℃的漂移。环境温度的变化严重影响了LED定标光源的定标精度。LED的光输出特性除会发生可恢复性的变化外,在高温下,还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。在较高温度时,材料内缺陷的增殖,直至侵入发光区,形成大量的非辐射复合中心,严重降低器件的注入效率与发光效率。因此,要求航天舱内有良好的温控系统能精确地把温度控制在适当的范围内(20±5)℃。

　　3.1.2　温度对LED环氧树脂封装材料的影响

　　LED用的封装环氧存在着一个重要特性,即当环氧温度超过一个特定温度t=125℃时,封装环氧的特性将从一种刚性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状物质。此时材料的膨胀系数急剧增加,形成一个明显的拐点。当器件在此温度附近或高于此温度变化时,将发生明显的膨胀或收缩,致使芯片电板与引线受到额外的压力,而发生过度疲劳乃至脱落损坏。LED封装环氧的变性,是LED性能衰变乃至失效的又一个主要原因。考虑到空间环境温度变化剧烈,在选取定标用LED的时候,应该避免选用封装材料受温度变化影响较大的LED。采用玻璃、PC以及透明硅胶等性能稳定的封装材料,更有利于保持定标光源的性能稳定性。

　　3.2　高真空环境对LED的影响

　　当遥感仪器经过运载阶段进入预定轨道,这时将面对恶劣的空间环境,仪器在高真空和微重力的状态下工作,空间环境下的实际真空度将会达到。

　　3.2.1　真空状态下LED发光效率研究

　　对于LED在真空状态下的发光效率,上海技术物理研究所吕银环等利用测量热敏电阻计算LED芯片温度的办法,描绘出了真空中LED的时间温度关系曲线以及温度光电流关系的曲线。他们认为无论是在大气还是真空环境中,LED的输出光效都随着结点温度的升高而降低,只是在不同环境中,光效下降的速率不同[10]。在热真空环境中,LED芯片的散热途径只有一个,即通过安装在灯体背面的热沉板散热;由图8所示,相同结点温度下,大气中的光效比真空中高。在大气环境条件下,由于存在对流散热,除了安装在灯体背面的热沉板散热以外还有其它散热途径。

　　西安光机所王磷等也对超亮白光LED进行了类似的真空冷热循环试验。他们认为热循环的积累作用会使半导体PN结和环氧树脂的工作性能降低,所以在使用时应该采用间歇工作等措施,同时保证良好的散热。试验还得出,在常温(20℃)状态下,当气压由常压变为真空(Pa)时,LED的发光强度平均增加了2.4%[11]。

　　在真空中,吸收系数比空气中的小,光波能量透过量增大,同时由于没有空气中各种粒子的干扰,光波的散射作用减小,所以发光强度会有所增加。

　　3.2.2　高真空对封装材料的影响

　　高真空对空间材料最大的影响是会引起材料放气。美国ASTN标准中对材料在真空环境中造成的总质量损失和挥发物中可冷凝物质均有明确指标规定,规定材料总质量损失<1%,挥发物中可冷凝物质<0.1%。特别是可冷凝物质是危险的污染源,它若凝结在重要的电子、光学、热控器件上就可能造成危害,轻则影响这些器件的性能,重则可使其完全失效[12]。

　　北京空间机电研究所盛磊等对环氧648树脂进行了真空挥发实验,测得环氧树脂的质量损失为0.35%,可凝挥发物为0.027%[13]。德国航空中心J.Nieke等按照ESA标准对LED封装材料进行了热真空挥发测试,实验测得质量损失为1.04%,略高于ASTN的标准1%,测得的可凝挥发物为0.00%;在条件恢复后再次测量其质量,损失<0.5%,可以认为其真空挥发成份中以H2O为主,它们对光学、电子等敏感仪器的影响可以忽略。

　　3.3　LED抗辐射特性

　　除了剧烈的冷热变化、高真空的影响外,LED还受到空间辐射的影响。地球轨道天然空间辐射粒子包括范艾伦带粒子和宇宙射线(包括太阳宇宙射线和银河宇宙射线)[14]。对于地球轨道飞行器构成最大威胁的辐射带,是位于赤道上空的内外范艾伦辐射带,卫星所受到的辐射剂量主要是由范艾伦辐射带的电子贡献的。此外,突发的高剂量质子事件同样会对航天设备产生严重的破坏。

　　空间环境中的高能电子辐射对LED等的半导体器件影响极大。为此,对LED的抗辐照性能进行了测试,实验的辐照总剂量为50 krad,分别取0、20、25、30、35、50 krad(Si)作为6个辐射等级测试点。图9为LED接受电离辐射照射后,其发光强度的变化情况,测量值为光电探测器电压输出。

　　可以看出,LED在接受50 krad剂量的高能粒子照射后,发光强度发生了10%左右的衰减,其原因主要是高能离子破坏了芯片的内部结构,使芯片内缺陷增多,引起发光效率的下降。卫星上的核心器件包括光学系统都经受不了高剂量的高能粒子冲击。为减少空间粒子对卫星内部器件的影响,在航天器设计及制造期间,必须进行外壳的防辐射加固。根据欧洲空间环境标准,在4 mm的铝抗辐射外壳的保护下,内部器件所受辐射量大概为1 krad/a。根据上述实验的结果,可知LED在空间辐射的影响下,其发光强度的变化量≤0.5%/a。

　　4　分析讨论

　　前文分别论述了LED的长期工作稳定性、开合稳定性以及其电流特性,同时也对空间环境下的LED进行了分析,包括温度特性、真空特性以及抗辐射特性。具体分析结果在表4中已经一一列出。

　　5　结　论

　　LED具有体积小、功耗低等优点,使它在星上定标的使用中更灵活多样;抗震动性、冷发光等特性保证了LED能正常工作;光电转换效率高、寿命长、稳定性好等优点满足了作为定标光源的要求。通过对LED各项特性的研究分析得出,要保证LED光源的稳定>1.5%,必须很好地控制工作电流以及环境温度。电流的精确控制不难做到,而温度的稳定取决于温控系统的精确控制以及LED热沉。真空状态下,由于传输介质不同,LED的发光强度会有所增加,其封装材料真空挥发产生的影响不大;在抗辐射外壳的保护下,空间辐射对LED发光强度的影响不超过0.5%/a。

　　LED也存在着空间辐射分布不均以及发光光谱较窄的缺点,使用单LED不能覆盖整个可见光及近红外区域。当然,要实现全波段的覆盖,可以使用多个发光波长不同的LED设置不同的亮度级来实现。空间辐射分布不均可以通过封装透镜优化或者使用积分球进行匀光。综上所述,将LED应用于星上定标是可行的。

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