CN104748765B - 具有能级测量功能的x射线脉冲星导航电子学读出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有能级测量功能的X射线脉冲星导航电子学读出装置，主要解决现有装置无法同时测量光子到达时间和能级的问题，其包括放大器电路(1)、模数转换器(2)、数字信号处理单元(3)和通信接口(4)。放大器电路(1)对探测器输出的信号进行放大，实现阻抗匹配并提高信号的信噪比；模数转换器(2)将经过放大器电路放大后的探测器输出信号转换为数字信号；数字信号处理单元(3)包括数字逆滤波器和光子信息读出模块，实现光子到达时间和能级的同时测量，并通信接口(4)将其测量结果传输到计算机或其他终端设备进行处理。本发明能同时实现对光子到达时间的读出和能级测量，可用于X射线探测器验证及脉冲星导航地面模拟系统。

Description

具有能级测量功能的X射线脉冲星导航电子学读出装置
技术领域
本发明属于脉冲星导航领域，涉及一种具有能级测量功能的X射线脉冲星导航电子学读出装置，可用于验证X射线探测器技术以及作为脉冲星导航地面模拟系统的重要组成部分。
背景技术
脉冲星属于高速自转的中子星，且具有良好的周期稳定性，被誉为自然界最稳定的天文时钟。在X射线频段上辐射信号的脉冲星叫做X射线脉冲星。X射线脉冲星导航是在航天器上安装X射线探测器，探测脉冲星辐射的X射线光子，测量脉冲达到时间和提取脉冲星影像信息，经过相应的信号和数据处理，航天器能够自主地、高精度地确定轨道、时间和姿态等导航参数，实现X射线脉冲星导航。X射线脉冲星导航是以脉冲到达时间和影像信息作为基本观测量，不同于传统的天文导航模式，具有类似于现代卫星导航系统的基本原理。X射线脉冲星导航具有不受人为破坏和干扰、不受近地空间范围限制、不需要建立额外的地平信息等优点。
由于空间飞行试验系统复杂，成本巨大,目前国内正在逐步搭建完善的X射线脉冲星导航地面模拟系统，以便在实验室环境下高精度地模拟X射线脉冲星信号，验证探测器技术、数据处理方法及导航方案等，研究X射线脉冲星导航技术。
目前国内X射线脉冲星导航地面模拟系统中的电子学读出装置主要侧重光子到达时间信息的读取，以用于进行时间转换、脉冲到达时间解算、脉冲轮廓恢复及导航算法验证等方面的研究，但都不具有X射线脉冲星信号的能级测量功能，制约了X射线探测器技术的研究，以及在不同能级范围下，X射线脉冲星辐射机理、物理特征和理论模型等方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于针对现有电子学读出装置只能读出光子到达时间信息的缺陷，提出了一种具有能级测量功能的X射线脉冲星导航电子学读出装置，以同时实现X射线脉冲星信号的光子到达时间读取和能级测量。
为实现上述目的，本发明包括放大器电路、模数转换器、数字信号处理单元和通信接口，其特征在于：
所述的数字信号处理单元包括：
数字逆滤波器，用于对模数转换器输出的数字化探测器信号进行滤波，获得包含光子到达时间信息和能级信息的数字脉冲信号，输出至光子信息读出模块；
光子信息读出模块，用于对输入的数字脉冲信号进行时间标记和能级检测，获得光子到达时间信息和能级信息，输出至通信接口。
上述装置，其特征在于所述的数字逆滤波器，包括延迟单元、第一乘法器、加法器和第二乘法器；
该延迟单元将输入的数字化探测器信号延迟一个时钟周期，通过第一乘法器与第一系数相乘，其相乘结果通过加法器与模数转换器输出的数字化探测器信号相加；该相加结果通过第二乘法器与第二系数RCfs相乘，输出至光子信息读出模块，其中R表示探测器等效电阻，C表示探测器等效电容，fs表示模数转换器的采样率。
上述装置，其特征在于所述的光子信息读出模块，包括：
时间标记子模块，用于对数字逆滤波器输出的数字脉冲信号进行时间标记，获得光子到达时间信息，输出至先入先出队列；
能级检测子模块，用于对数字逆滤波器输出的数字脉冲信号进行能级检测，获得光子的能级信息，输出至先入先出队列；
先入先出队列，用于缓存输入的光子到达时间信息和能级信息，输出至通信接口。
本发明具有如下优点：
1.本发明通过数字逆滤波器对数字化的X射线探测器输出信号进行数字滤波，能得到包含光子到达时间和能级信息的数字脉冲信号；
2.本发明通过光子信息读出单元对数字逆滤波器输出的数字脉冲信号进行时间标记和能级检测，能够实现光子到达时间和能级的同时测量，弥补了现有电子学读出装置只能够读出光子到达时间的缺陷。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中的数字逆滤波器框图；
图3是本发明中的光子信息读出模块框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明具有能级测量功能的X射线脉冲星导航电子学读出装置，包括：放大器电路1、模数转换器2、数字信号处理单元3和通信接口4；其中：
放大器电路1由电荷灵敏前置放大器和线性放大器构成；
模数转换器2采用但不局限于12位精度的AD9926，采样率为50Msps；
数字信号处理单元3采用可编程逻辑器件来实现，其包括数字逆滤波器31和光子信息读出单元32；
通信接口4选择但不局限于通用异步串行接口，通信的波特率为4Mbps，保证了数据的高速传输。
参照图2，所述数字逆滤波器31，其包括延迟单元311、第一乘法器312、加法器313和第二乘法器314；延迟单元311将输入的数字化探测器信号延迟一个时钟周期，通过第一乘法器312与第一系数相乘，其相乘结果通过加法器313与模数转换器2输出的数字化探测器信号相加；该相加结果通过第二乘法器314与第二系数RCfs相乘，输出至光子信息读出模块32，其中R表示探测器等效电阻，C表示探测器等效电容，fs表示模数转换器2的采样率。
参照图3，所述光子信息读出模块32，包括时间标记子模块321、能级检测子模块322和先入先出队列323：该时间标记子模块321，用于对数字逆滤波器31输出的数字脉冲信号进行时间标记，获得光子到达时间信息，输出至先入先出队列323；该能级检测子模块322，用于对数字逆滤波器31输出的数字脉冲信号进行能级检测，获得光子的能级信息，输出至先入先出队列323；该先入先出队列323，用于缓存输入的光子到达时间信息和能级信息，输出至通信接口4。
本发明的工作原理如下：
放大器电路1对探测器输出的信号进行放大，实现阻抗匹配并提高信号的信噪比；模数转换器2将放大器电路1输出的模拟信号转换成数字信号；该数字信号通过数字逆滤波器31进行数字滤波，得到包含光子到达时间信息和能级信息的数字脉冲信号输出给光子信息读出单元32；光子信息读出单元32对该数字脉冲信号进行时间标记和能级检测，获得光子到达时间信息和能级信息，再通过通信接口4传输到计算机或其他终端设备进行处理。
本实施例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有能级测量功能的X射线脉冲星导航电子学读出装置，包括放大器电路(1)、模数转换器(2)、数字信号处理单元(3)和通信接口(4)，其特征在于：
所述数字信号处理单元(3)包括：
数字逆滤波器(31)，用于对模数转换器(2)输出的数字化探测器信号进行滤波，获得包含光子到达时间信息和能级信息的数字脉冲信号，输出至光子信息读出模块(32)；
光子信息读出模块(32)，用于对输入的数字脉冲信号进行时间标记和能级检测，获得光子到达时间信息和能级信息，输出至通信接口(4)；
所述数字逆滤波器(31)，包括延迟单元(311)、第一乘法器(312)、加法器(313)和第二乘法器(314)；
所述延迟单元(311)将输入的数字化探测器信号延迟一个时钟周期，通过第一乘法器(312)与第一系数相乘，其相乘结果通过加法器(313)与模数转换器(2)输出的数字化探测器信号相加；该相加结果通过第二乘法器(314)与第二系数RCfs相乘，输出至光子信息读出模块(32)，其中R表示探测器等效电阻，C表示探测器等效电容，fs表示模数转换器(2)的采样率。
2.根据权利要求1所述的具有能级测量功能的X射线脉冲星导航电子学读出装置，其特征在于光子信息读出模块(32)，包括：
时间标记子模块(321)，用于对数字逆滤波器(31)输出的数字脉冲信号进行时间标记，获得光子到达时间信息，输出至先入先出队列(323)；
能级检测子模块(322)，用于对数字逆滤波器(31)输出的数字脉冲信号进行能级检测，获得光子的能级信息，输出至先入先出队列(323)；
先入先出队列(323)，用于缓存输入的光子到达时间信息和能级信息，输出至通信接口(4)。
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