CN104965216B - 基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法 - Google Patents
基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法。射线源在轨标定系统包括：地面控制系统、星载中央控制器、光子计数器、探测器、探测器真空与温度控制系统、转台、真空门、射线源以及射线源真空与温度控制系统；本发明通过在真空门开启前后、射线源开启前对系统的设备进行噪声探测；通过转台调整探测器的探测方向，对射线源进行探测，并且对Crab源在方位和俯仰不同的探测角度进行探测；使用本发明能够获得可靠性高的噪声测试数据，实现对探测器进行全方位噪声测试与分析，通过测量的数据反向推演噪声的来源，完成对探测器探测效率的标定。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天X射线探测技术领域，具体涉及一种基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法。
背景技术
目前，卫星搭载的很多X射线探测器能够对目标进行探测，但是，X射线探测器探测的数据不可靠或者可靠性非常低。造成这一问题的因素很多，主要有两点：(1)航天器发射后，其搭载的设备仪器经过很大的力学、热学和化学冲击，无法确认设备是否正常运行；(2)在轨运行时，通常是设备第一次经历全波段辐照和各种粒子流的干扰，无法获知采集的数据是否可靠。为了解决这一问题，必须对X射线探测器进行在轨的标定测试。但是，现有技术中，X射线探测器只是在地面上进行标定和测试，没有进行在轨标定和测试，而直接进行探测，由此探测的数据性可靠性非常低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法，利用自带射线源和太空中的Crab源对探测器进行噪声测试和探测效率的标定，能够有效改善探测数据不可靠的问题，提高探测数据的可靠性。
本发明通过以下技术方案实现：
基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法，包括以下步骤：
步骤一、搭建射线源在轨标定系统：
射线源在轨标定系统包括：地面控制系统1、星载中央控制器2、光子计数器3、探测器4、探测器真空与温度控制系统5、转台6、真空门7、射线源8以及射线源真空与温度控制系统9；
其中，地面控制系统1与星载中央控制器2相连；星载中央控制器2分别与光子计数器3、探测器真空与温度控制系统5、转台6、真空门7、射线源8以及射线源真空与温度控制系统9相连；探测器4安装在探测器真空与温度控制系统5内，并与光子计数器3相连；探测器真空与温度控制系统5安装于转台6上；真空门7覆盖在探测器4的探测镜头上；射线源8安装在射线源真空与温度控制系统9内；
步骤二、射线源在轨标定系统的在轨噪声测试，具体包括如下步骤：
S201：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第1条指令，星载中央控制器2根据第1条指令控制探测器真空与温度控制系统5开始工作，当达到探测器4正常工作时所需要的环境条件后，执行S202；
S202：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第2条指令，星载中央控制器2根据第2条指令控制光子计数器3开始计数，光子计数器3将记录到的噪声A通过星载中央控制器2传到地面控制系统1，然后执行S203；
S203：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第3条指令，星载中央控制器2根据第3条指令控制探测器4开始工作，然后执行S204；
S204：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第4条指令，星载中央控制器2根据第4条指令控制光子计数器3开始重新计数，光子计数器3将记录到的噪声B通过星载中央控制器2传到地面控制系统1，然后执行S205；
S205:地面控制系统1向星载中央控制器2发送第5条指令，星载中央控制器2根据第5条指令控制真空门7打开，然后执行S206；
S206：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第6条指令，星载中央控制器2根据第6条指令控制转台6调整探测方向，使转台6上的探测器4对准射线源8；
S207：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第7条指令，星载中央控制器2根据第7条指令控制光子计数器3开始重新计数，光子计数器3将记录得到噪声C通过星载中央控制器2传到地面控制系统1，然后执行S208；
S208：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第8条指令，星载中央控制器2根据第8条指令控制转台6调整探测器4的探测方向，使探测器4对准太空中的Crab源，然后执行S209；
S209：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第9条指令，星载中央控制器2根据第9条指令控制光子计数器3开始重新计数，光子计数器3将记录得到的数据D通过星载中央控制器2传到地面控制系统1，然后执行S210；
S210：地面控制系统1向星载中央控制器2发送关闭指令，星载中央控制器2根据关闭指令控制光子计数器3、探测器4、探测器真空与温度控制系统5、转台6、射线源8以及射线源真空与温度控制系统9关闭；
步骤三、对射线源8进行探测，具体步骤如下：
S301：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第10条指令，星载中央控制器2根据第10条指令控制转台6调整探测器4的探测方向，使探测器4对准射线源8，然后执行S302；
S302：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第11条指令，星载中央控制器2根据第11条指令控制射线源真空与温度控制系统9开始工作，当达到射线源8正常工作时所需要的工作环境后，执行S303；
S303：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第12条指令，星载中央控制器2根据第12条指令控制射线源8开启，然后执行S304；
S304：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第13条指令，星载中央控制器2根据第13条指令控制探测器真空与温度控制系统5开始工作，当达到探测器4正常工作时所需要的工作环境后，执行S205；
S305：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第14条指令，星载中央控制器(2)根据第14条指令控制探测器4开始工作，然后执行S306；
S306：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第15条指令，星载中央控制器2根据第15条指令控制光子计数器3开始计数，光子计数器3将记录得到的数据E通过星载中央控制器2传到地面控制系统1；
步骤四、探测器探测效率的标定：
地面控制系统1对记录到的噪声A、噪声B、噪声C、数据D和数据E，以及已知的射线源8的光子流量和Crab源的光子流量进行综合分析，实现探测器探测效率的标定。
其中，射线源8提供能量范围在1keV～10keV的光子流量。
上述S208中利用Crab源记录噪声D时的探测方法如下：
以探测器4探测镜头的法线通过Crab源中心时法线所在的直线为X坐标轴，然后依据左手螺旋定则确定空间直角坐标系OXYZ；令α表示探测器4探测时的水平角，定义为所述法线在XOZ平面内与Z坐标轴所成的角度，令β表示探测器4探测时的俯仰角，定义为所述法线在XOY平面内与Y坐标轴所成的角度；
调整探测器4的探测方向，光子计数器3记录水平角α为30°、45°、90°、135°和150°时的数据；调整探测器4的探测方向，光子计数器3记录俯仰角β为30°、45°、90°、135°和150°时的数据；光子计数器3记录到的α和β所有角度上的数据即数据D。
有益效果：
1)本发明的系统和标定方法，通过在真空门开启前后、射线源开启前对系统的设备进行噪声探测；通过转台调整探测器的探测方向，对射线源进行探测，并且对Crab源在方位和俯仰不同的探测角度进行探测；可以获得可靠性高的噪声测试数据，能够对探测器进行全方位噪声测试与分析，通过测量的数据反向推演噪声的来源，在完成对探测器探测效率的标定的基础上，进一步验证探测器外壳屏蔽高能粒子和射线的性能以及探测器探测视场的设计是否满足需求；
本发明设计的标定方法具有广泛的应用性，通过更换系统中的探测器和光子计数器的类型，整个系统和标定方法可以应用于空间X射线脉冲星导航探测器测试标定，可作为空间成像探测器部分指标的测试标定，可为地面或太空工作的其它波段探测器测试标定提供参考。
2)本发明的系统新增自带射线源，该射线源有多个能量点，能够对探测器在1keV～10keV能段内充分的进行探测效率测试；
3)本发明通过转台调整探测器的水平角α和俯仰角β，选取不同的探测角度对Crab源周围的环境进行探测，周围环境的探测与对准Crab源，即α＝90°或β＝90°时，探测形成的噪声数据与有效数据的对比，在获得可靠性高的噪声测试数据同时也可以对探测器探测效率进行有效分析。
附图说明
图1为射线源在轨标定系统示意图。
图2为探测器探测方向调整角度示意图。
其中，图2中，以探测器4探测镜头的法线通过Crab源中心时法线所在的直线为X坐标轴，然后依据左手螺旋定则确定空间直角坐标系OXYZ。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法：
步骤一、搭建射线源在轨标定系统
如图1所示的射线源在轨标定系统包括：地面控制系统1、星载中央控制器2、光子计数器3、探测器4、探测器真空与温度控制系统5、转台6、真空门7、射线源8以及射线源真空与温度控制系统9。
地面控制系统1与星载中央控制器2相连；星载中央控制器2分别与光子计数器3、探测器真空与温度控制系统5、转台6、真空门7、射线源8以及射线源真空与温度控制系统9相连；探测器4安装在探测器真空与温度控制系统5内，并与光子计数器3相连；探测器真空与温度控制系统5安装于转台6上；真空门7位于探测器4前；射线源8安装在射线源真空与温度控制系统9内。
地面控制系统1：对整个射线源在轨标定系统发送指令进行控制；
星载中央控制器2：星载中央控制器接收地面控制系统发送的指令并将指令发送给光子计数器、探测器、探测器真空与温度控制系统、转台、真空门、射线源、射线源真空与温度控制系统，并将探测到的数据传送到地面控制系统；
光子计数器3：对探测器输出的信号进行计数，获得噪声和有效事件的数据；
探测器4：对太空中各种辐射、射线源和Crab源的光子进行探测；
探测器真空与温度控制系统5：探测器需要在适当的温度下工作，探测器真空与温度控制系统为探测器提供一个适合的温度环境，防止当温度较高或较低时，探测器无法进行正常工作的情况发生；
转台6：转台在星载控制系统的控制下调整探测器的探测方位，从而对准射线源和待探测的天体；
真空门7：覆盖在探测器的探测镜头上，在发射过程中，能够保护探测器4不受损坏；
射线源8：该射线源可提供范围在1keV～10keV多个能量点下的光子流量的稳定输出，此外还具有模拟X射线脉冲星轮廓的功能；
射线源真空与温度控制系统9：射线源真空与温度控制系统为自带射线源提供一个合适的温度环境，防止X射线源直接在热真空环境等非正常工况下辐射的光子流量不稳定而无法对探测器进行探测效率的在轨标定。
在以空间定位为目的的X射线光子探测中，X射线探测器接收的探测信号，除了来自X射线脉冲星的光子计数外，其中还掺杂探测器视场内所有方向辐射的进入视场的附加计数。噪声信号的强弱决定了探测器的信噪比等关键性能参数，因此必须对其进行多方面的测试与标定。采用本发明的标定方法进行噪声探测，可以清楚地获悉噪声的来源，为探测器的应用以及改进提供参考依据。
X射线探测器在轨噪声测试主要是在射线源8不开启时，在真空门打开前后的暗噪声测试与标定，下述步骤二中的S201～S204为真空门打开前的噪声测试，S205～S210为真空门打开后的噪声测试。
探测器探测效率的标定是在噪声测试的基础上，基于自带射线源和空间Crab源进行探测效率的标定；其中，自带射线源的能量点和光子流量已经在地面上经过设置，是已知的；通过查询美国NASA数据库的可知太空中的Crab源在2keV～10keV能段的光子流量为1.54ph/s/cm2。
步骤二、射线源在轨标定系统的在轨噪声测试，具体包括如下步骤：
S201：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第1条指令，星载中央控制器2根据第1条指令控制探测器真空与温度控制系统5开始工作，当达到探测器4正常工作时的所需要的环境条件后，执行S202；
S202：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第2条指令，星载中央控制器2根据第2条指令控制光子计数器3开始计数，光子计数器3将记录到的噪声A通过星载中央控制器2传到地面控制系统1，然后执行S203；
本步骤的测试目的是为了检查光子计数器是否正常工作，此时的噪声A主要是光子计数器自身噪声。
S203：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第3条指令，星载中央控制器2根据第3条指令控制探测器4开始工作，然后执行S204；
S204：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第4条指令，星载中央控制器2根据第4条指令控制光子计数器3开始重新计数，光子计数器3将探测器4探测到的噪声B通过星载中央控制器2传到地面控制系统1，然后执行S205；
此时的噪声B来源于探测器和光子计数器的噪声，如果探测器是正常工作状态，噪声将会很小。
S205:地面控制系统1向星载中央控制器2发送第5条指令，星载中央控制器2根据第5条指令控制真空门7打开，然后执行S206；
S206：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第6条指令，星载中央控制器2根据第6条指令控制转台6调整探测器4的探测方向，使探测器4对准射线源8，即探测器4的几何中心和地面测试标定好的射线源8出射光束的几何中心对准(射线源并没有开启)；
S207：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第7条指令，星载中央控制器2根据第7条指令控制光子计数器3开始重新计数，光子计数器3将记录得到噪声C通过星载中央控制器2传到地面控制系统1，然后执行S208；
此时测试的噪声C包括光子计数器噪声、X射线探测器的噪声和空间粒子与光子产生的信号噪声；
S208：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第8条指令，星载中央控制器2根据第8条指令控制转台6调整探测器4的探测方向，使探测器4对太空中的Crab源进行探测；
如图2所示，以探测器4探测镜头的法线通过Crab源中心时法线所在的直线为X坐标轴，然后依据左手螺旋定则确定空间直角坐标系OXYZ；令α表示探测器4探测时的水平角，定义为法线在XOZ平面内与Z坐标轴所成的角度，令β表示探测器4探测时的俯仰角，定义为法线在XOY平面内与Y坐标轴所成的角度；
通过转台6调整探测器4在XOZ平面中的探测角度α和在XOY平面中探测角度β；分别在水平角α为α1＝30°、α2＝45°、α3＝90°、α4＝135°和α5＝150°；俯仰角β为β1＝30°、β2＝45°、β3＝90°、β4＝135°和β5＝150°的角度上进行探测；
S209：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第9条指令，星载中央控制器2根据第9条指令控制光子计数器3开始重新计数，光子计数器3分别记录得到S208中各个角度上的数据：Dα1、Dα2、Dα3、Dα4、Dα5、Dβ1、Dβ2、Dβ3、Dβ4和Dβ5，Dα1表示α为30°时光子计数器3记录到的数据，Dα2～Dβ5的含义与Dα1相似；
光子计数器3将记录得到的数据Dα1～Dβ5，即数据D通过星载中央控制器2传到地面控制系统1，然后执行S210；
测试诸多角度下的数据可以为噪声分析提供丰富的数据，其中，在α3＝90°和β3＝90°角度上测得的数据Dα3和Dβ3比较特殊，同时包含噪声和有效信号，需要在地面控制系统对其进行处理，用于探测器探测效率的标定；
S210：地面控制系统1向星载中央控制器2发送关闭指令，星载中央控制器2根据关闭指令控制光子计数器3、探测器4、探测器真空与温度控制系统5、转台6、射线源8以及射线源真空与温度控制系统9关闭。
步骤三、对开启的射线源8进行探测：
S301：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第10条指令，星载中央控制器2根据第10条指令控制转台6调整探测器4的探测方向，使探测器4对准射线源8，然后执行S302；
S302：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第11条指令，星载中央控制器2根据第11条指令控制射线源真空与温度控制系统9开始工作，当达到射线源8正常工作时所需要的工作环境后，执行S303；
S303：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第12条指令，星载中央控制器2根据第12条指令控制射线源8开启，然后执行S304；
S304：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第13条指令，星载中央控制器2根据第13条指令控制探测器真空与温度控制系统5开始工作，当达到探测器4正常工作时所需要的工作环境后，执行S305；
S305：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第14条指令，星载中央控制器2根据第14条指令控制探测器4开始工作，然后执行S306；
S306：地面控制系统1向星载中央控制器2发送第15条指令，星载中央控制器2根据第15条指令控制光子计数器3开始计数；此时，探测器4可以探测到射线源8的信号，当探测器4采集到光子信号时，会产生一个电脉冲信号，传递给光子计数器3，光子计数器3采集记录此电脉冲信号的数目，即记录得到的数据E，并通过星载中央控制器2将数据E传到地面控制系统1。
步骤四、利用步骤二和步骤三的探测数据进行探测器探测效率的标定：
地面控制系统1对记录到的噪声A、噪声B、噪声C、数据组D(包含Dα1、Dα2、Dα3、Dα4、Dα5、Dβ1、Dβ2、Dβ3、Dβ4和Dβ5)和数据E，以及已知的射线源8的光子流量和Crab源的光子流量进行综合分析，实现探测器探测效率的标定。
例如：
(1)在射线源开启时，考虑光子计数器和探测器的噪声，则探测器的探测效率：
(2)对Crab源进行探测时，根据探测得到的数据Dα1～Dα5或Dβ1～Dβ5确定其中包含的有效信号，然后计算探测器的探测效率：
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法，其特征在于，包括：
步骤一、搭建射线源在轨标定系统：
所述射线源在轨标定系统包括：地面控制系统(1)、星载中央控制器(2)、光子计数器(3)、探测器(4)、探测器真空与温度控制系统(5)、转台(6)、真空门(7)、射线源(8)以及射线源真空与温度控制系统(9)；
其中，地面控制系统(1)与星载中央控制器(2)相连；星载中央控制器(2)分别与光子计数器(3)、探测器真空与温度控制系统(5)、转台(6)、真空门(7)、射线源(8)以及射线源真空与温度控制系统(9)相连；探测器(4)安装在探测器真空与温度控制系统(5)内，并与光子计数器(3)相连；探测器真空与温度控制系统(5)安装于转台(6)上；真空门(7)覆盖在探测器(4)的探测镜头上；射线源(8)安装在射线源真空与温度控制系统(9)内；
步骤二、射线源在轨标定系统的在轨噪声测试，具体包括如下步骤：
S201：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第1条指令，星载中央控制器(2)根据第1条指令控制探测器真空与温度控制系统(5)开始工作，当达到探测器(4)正常工作时所需要的环境条件后，执行S202；
S202：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第2条指令，星载中央控制器(2)根据第2条指令控制光子计数器(3)开始计数，光子计数器(3)将记录到的噪声A通过星载中央控制器(2)传到地面控制系统(1)，然后执行S203；
S203：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第3条指令，星载中央控制器(2)根据第3条指令控制探测器(4)开始工作，然后执行S204；
S204：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第4条指令，星载中央控制器(2)根据第4条指令控制光子计数器(3)开始重新计数，光子计数器(3)将记录到的噪声B通过星载中央控制器(2)传到地面控制系统(1)，然后执行S205；
S205:地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第5条指令，星载中央控制器(2)根据第5条指令控制真空门(7)打开，然后执行S206；
S206：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第6条指令，星载中央控制器(2)根据第6条指令控制转台(6)调整探测方向，使转台(6)上的探测器(4)对准射线源(8)；
S207：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第7条指令，星载中央控制器(2)根据第7条指令控制光子计数器(3)开始重新计数，光子计数器(3)将记录得到噪声C通过星载中央控制器(2)传到地面控制系统(1)，然后执行S208；
S208：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第8条指令，星载中央控制器(2)根据第8条指令控制转台(6)调整探测器(4)的探测方向，使探测器(4)对准太空中的Crab源，然后执行S209；
S209：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第9条指令，星载中央控制器(2)根据第9条指令控制光子计数器(3)开始重新计数，光子计数器(3)将记录得到的数据D通过星载中央控制器(2)传到地面控制系统(1)，然后执行S210；
S210：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送关闭指令，星载中央控制器(2)根据关闭指令控制光子计数器(3)、探测器(4)、探测器真空与温度控制系统(5)、转台(6)、射线源(8)以及射线源真空与温度控制系统(9)关闭；
步骤三、对射线源(8)进行探测，具体步骤如下：
S301：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第10条指令，星载中央控制器(2)根据第10条指令控制转台(6)调整探测器(4)的探测方向，使探测器(4)对准射线源(8)，然后执行S302；
S302：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第11条指令，星载中央控制器(2)根据第11条指令控制射线源真空与温度控制系统(9)开始工作，当达到射线源(8)正常工作时所需要的工作环境后，执行S303；
S303：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第12条指令，星载中央控制器(2)根据第12条指令控制射线源(8)开启，然后执行S304；
S304：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第13条指令，星载中央控制器(2)根据第13条指令控制探测器真空与温度控制系统(5)开始工作，当达到探测器(4)正常工作时所需要的工作环境后，执行S205；
S305：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第14条指令，星载中央控制器(2)根据第14条指令控制探测器(4)开始工作，然后执行S306；
S306：地面控制系统(1)向星载中央控制器(2)发送第15条指令，星载中央控制器(2)根据第15条指令控制光子计数器(3)开始计数，光子计数器(3)将记录得到的数据E通过星载中央控制器(2)传到地面控制系统(1)；
步骤四、探测器探测效率的标定：
地面控制系统(1)对记录到的噪声A、噪声B、噪声C、数据D和数据E，以及已知的射线源(8)的光子流量和Crab源的光子流量进行综合分析，实现探测器探测效率的标定。
2.如权利要求1所述的一种基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法，其特征在于，所述射线源(8)提供能量范围在1keV～10keV的光子流量。
3.如权利要求1所述的一种基于射线源在轨标定系统的探测器探测效率标定的方法，其特征在于，S208中所述Crab源用于记录数据D，其中记录数据D时的探测方法如下：
以探测器(4)探测镜头的法线通过Crab源中心时法线所在的直线为X坐标轴，然后依据左手螺旋定则确定空间直角坐标系OXYZ；令α表示探测器(4)探测时的水平角，定义为所述法线在XOZ平面内与Z坐标轴所成的角度，令β表示探测器(4)探测时的俯仰角，定义为所述法线在XOY平面内与Y坐标轴所成的角度；
调整探测器(4)的探测方向，光子计数器(3)记录水平角α为30°、45°、90°、135°和150°时的数据；调整探测器(4)的探测方向，光子计数器(3)记录俯仰角β为30°、45°、90°、135°和150°时的数据；
光子计数器(3)记录到的α和β所有角度上的数据即数据D。
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