CN106643702B - 基于x射线的vlbi测量方法和系统以及地面验证装置 - Google Patents

基于x射线的vlbi测量方法和系统以及地面验证装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于X射线的VLBI测量方法和系统以及地面验证装置，在大大缩短基线距离的同时，可以实现对脉冲星角位置的精确测量。该测量系统包括两路平行设置的X射线单光子探测系统和用于对两路测量信号进行强度关联计算的自相关处理器，其中，每一路X射线单光子探测系统均包括依次设置的X射线聚焦光学模块、X射线单光子探测器、时间补偿电缆、前端电子学模块以及数据处理模块；这两路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器在光轴方向上的初始位置相差设定的位移，使得同一光源入射至两路X射线单光子探测器存在设定的光程差，通过所述时间补偿电缆的不同配置使得两路X射线单光子探测器输出信号的时序能够完成初始对准。

Description

基于X射线的VLBI测量方法和系统以及地面验证装置
技术领域
本发明涉及一种VLBI(甚长基线干涉)测量方法以及系统，可适用于X射线脉冲星的高精度角位置测量研究，另外还涉及相应的地面验证装置。
背景技术
要实现X射线脉冲星导航，必须首先确定将要用于导航的脉冲星自身的准确位置与坐标。即要首先确定脉冲源相对于探测器的角度位置。
目前对于脉冲星的角位置测量，主要以射电波段的VLBI(甚长基线干涉)技术为主。VLBI方法就是利用相隔两地的两架望远镜接收同一天体所发出的电磁波，继而对两束波进行干涉或者相关计算，其等效分辨率最高可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径望远镜。利用此方法，当前对于目标星体的角位置测量精度为亚毫角秒量级。
利用此种方法所测得的目标源角位置的精度与探测频率成正比，与探测直径成反比。由于X射线的频率是射电波段电磁波的1010倍，将VLBI技术应用于X射线波段，就可以在大大缩短基线距离的同时，极大地提高系统对于目标星体角位置的测量精度，可望达到1微角秒量级的角位置测量精度。同时，通过检测在探测端所形成的X射线干涉条纹，相关处理后可以对目标成像，也可将此技术用于空间成像领域。
但是，与射电波段和可见光相比，由于应用于X射线的光学元件研究进展非常缓慢，同时由于X射线频率极高的特点，使得X射线的聚焦、变向、成像等方面的难度很大，使得射电波段的VLBI理论方法与器件不能直接延伸到X射线波段。
发明内容
本发明提出了一种基于X射线的VLBI测量方法以及相应的系统(装置)，在大大缩短基线距离的同时，可以实现对脉冲星角位置的精确测量。
本发明的技术方案如下：
基于X射线的VLBI测量方法，主要包括以下环节：
设置平行的两路X射线单光子探测器，两路X射线单光子探测器在光轴方向上的初始位置相差设定的位移，使得同一光源入射至两路X射线单光子探测器存在设定的光程差；
采集每一路入射X射线的能量与到达时间信息，进而得到该路的X射线波动方程的频率与相位信息；对其中一路X射线单光子探测器进行延迟补偿，使两路X射线单光子探测器输出信号的时序完成初始对准(实际的对准设置只需要、也只可能达到粗对准)；
将初始对准后的两路数据进行强度关联计算，得出一个幅度随着延迟时间变化的余弦信号，即当延迟时间变化一个观测波长时，强度关联计算的输出值变化一个周期；
根据所述强度关联计算的输出值，得出延迟时间和延迟率；通过延迟时间即推算得到脉冲星的角度位置，延迟率则表征测得的角度位置的实际精度。
进一步的，可以多次调整两路X射线单光子探测器的相对位置，测量以及计算得出相应的延迟时间和延迟率；根据延迟时间的平均值推算得到脉冲星的角度位置，延迟率的平均值表征测得的角度位置的实际精度。
一种实现上述基于X射线的VLBI测量方法的测量系统，包括两路平行设置的X射线单光子探测系统和用于对两路测量信号进行强度关联计算的自相关处理器，其中，每一路X射线单光子探测系统均包括依次设置的X射线聚焦光学模块、X射线单光子探测器、时间补偿电缆、前端电子学模块以及数据处理模块；这两路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器在光轴方向上的初始位置相差设定的位移，使得同一光源入射至两路X射线单光子探测器存在设定的光程差，通过所述时间补偿电缆的不同配置使得两路X射线单光子探测器输出信号的时序能够完成初始对准。
进一步的，还可以设置原子钟，统一为两路前端电子学模块以及数据处理模块和自相关处理器提供稳定的频标和时刻信息。
进一步的，还可以在不同的(探测器)相对位置条件下进行多次测量，则两路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器中在光轴方向上的相对位置应当能够调制。具体的结构设计例如：其中一路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器安装于精密直线导轨上，以实现在光轴方向上相对位置的调制。
尽管脉冲星发出的X射线到达探测器端时是具有相干性的，但地面上无法直接测量接收X射线脉冲源发出的X射线信号，因此本发明还提出了以下基于X射线的VLBI地面验证装置，可在实验室对上述方法进行验证。
在两路X射线聚焦光学模块前端的入射光路上，依次设置有微焦斑脉冲星X射线源、光阑以及单晶硅反射镜，所述微焦斑脉冲星X射线源发出的X射线通过光阑后，以布拉格角入射到单晶硅反射镜表面，以单晶硅的截面作为反射面，出射的X射线方向与入射X射线以晶面法线对称，形成具有空间相干能力的两束X射线，分别进入两路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器。
另外，最好使微焦斑脉冲星X射线源、光阑、单晶硅反射镜以及所述测量系统中的X射线聚焦光学模块、X射线单光子探测器、精密直线导轨和时间补偿电缆均位于真空系统内。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过两路X射线单光子探测器分别采集到相应的入射X射线的能量和到达时间信息，进而得到X射线波动方程的频率与相位信息，就可以将VLBI的方法拓展到X射线波段，从而在大大缩短基线距离的同时，极大地提高系统对于目标星体角位置的测量精度。
本发明所提出的地面验证装置，可以直接在实验室内对基于X射线探测的角位置测量方法进行验证。通过微焦斑脉冲星X射线源与光路设计可以得到空间相干性良好的两束X射线。通过精密直线导轨可以实现两束X射线间光程差的任意调节。
本发明具有广泛的应用，基于该方法还可实现观测空间X射线源的坐标、角径、辐射强度、频谱和偏振等信息，同样适用于空间辐射源的成像研究领域。通过更换系统中的探测器类型，可以利用成像探测器直接探测两束X射线的干涉条纹，从而将此方法与装置应用到空间成像领域。具有极大的理论研究价值与发展前景，可望为X射线脉冲星导航提供脉冲星自身位置基准，同时为建立超高精度时空基准的战略发展需求奠定坚实的基础。
附图说明
图1是基于X射线的VLBI测量方法的原理图。
图2是X射线脉冲星角位置测量的整个地面验证系统的示意图。
附图标号说明：
1‐微焦斑脉冲星X射线源；2‐光阑；3‐单晶硅反射镜；4‐精密直线导轨；5‐X射线聚焦光学模块；6‐(高时间分辨、高能量分辨)X射线单光子探测器；7‐高精度时间补偿电缆；8‐前端电子学模块；9‐数据处理模块；10‐(进行强度关联计算的)自相关处理器；11‐氢原子钟；12‐超真空系统。
具体实施方式
如图2所示，整个地面验证系统包括微焦斑脉冲星X射线源1、光阑2、单晶硅反射镜3、用于调制探测器相对位置的精密直线导轨4、X射线聚焦光学模块5，对X射线进行接收的高时间分辨、高能量分辨X射线单光子探测器6、用于将数据流对准的高精度时间补偿电缆7、对探测器输出进行处理的前端电子学模块8、数据处理模块9，将两路输入信息进行强度关联运算的自相关处理器10以及向数据采集及处理系统提供高稳定频标和时刻信息的氢原子钟11。
其中，位于前端的微焦斑脉冲星X射线源1、光阑2和单晶硅反射镜3用于模拟空间环境，其他部分即为测量系统本身。具体说明如下：
微焦斑脉冲星X射线源1：用于产生空间相干性满足要求的X射线，用以模拟X射线脉冲星所发出的X射线。
单晶硅反射镜3：微焦斑X射线源产生的X射线通过两处光阑后，以布拉格角入射到单晶硅表面，以单晶硅的截面作为反射面，出射的X射线方向与入射X射线以晶面法线对称，从而改变了X射线的传播方向，且形成了具有空间相干能力的两束X射线。
X射线聚焦光学模块5：对两束X射线进行同相聚焦，在不改变入射X射线相位的条件下，将入射X射线聚焦到探测器端。
X射线单光子探测器6：具有高时间分辨与高能量分辨能力的单光子X射线探测器同时输出到达光子的能量信息与时刻信息。分别对应于X射线波动方程的频率与相位信息。
高精度时间补偿电缆7：为了将回放的两路数据流对准，必须对一路数据进行延迟补偿。延迟补偿值根据观测目标源的赤经、赤纬和探测器坐标的初始值、观测时刻等计算得到。
自相关处理器10：将经延迟和条纹旋转后的数据流进行互相关运算相关处理，根据相关处理获得的互相关数据，计算得到最佳的单通道和多通道延迟及延迟率观测值。除相关处理机外，还有通用计算机用以相关后的数据处理，即利用相关处理机输出的互相关数据，作进一步的数据处理。
氢原子钟11：其主要功能是向VLBI系统的接收机和数据采集系统提供高稳定的频标和时刻信息，氢原子钟的秒信号时刻是通过使用GPS时刻信号进行对比而获得的。
以下详细描述本发明的工作原理：
微焦斑脉冲星X射线源1产生的X射线通过两处光阑2后，以布拉格角入射到单晶硅反射镜3表面，以单晶硅反射镜3的截面作为反射面，出射的X射线方向与入射X射线以晶面法线对称，从而改变了X射线的传播方向，且形成了具有空间相干能力的两束X射线。
两束发射光经过光路传播后形成光程差，若X射线到达两个探测器的时间分别为t1和t2，则其时间差为τg，称为几何延迟，有：
L＝Cτg (1)
D·cosθ＝C·τg (2)
式中，C为电磁波传播速度，D是两个X射线探测器间的距离(已知量)。τg是X射线光子由Q点运动到P2点的时间，即延迟时间值。如图1所示，通过测算Q、P2两点间，即两个探测器之间的光子到达时间差值，根据式(2)即可得到发射源的角位置信息。
两束反射光经由X射线聚焦光学模块5同相聚焦后被两路X射线单光子探测器6接收。具有高时间分辨与高能量分辨能力的X射线单光子探测器6对两路输入信号分别进行能量筛选，选取一定能量(波长)范围内的“准单色”X射线，并对单个X射线光子的到达时间进行标记，提取出所测X射线的能量与到达时间信息，分别对应于X射线波动方程的频率与相位，形成数据流输出。
据观测目标源与探测器坐标的初始值、观测时刻值等参数计算得到一个延迟补偿值，通过高精度时间补偿电缆7，将两路数据流进行初始对准。
将初始对准后的两路数据流送入自相关处理器10中进行强度关联计算。相关器是对两路探测的信号进行相关处理，得到“干涉条纹”。实际上自相关处理器10输出的是一个幅度随着延迟时间τg变化的余弦信号，当延迟τg变化一个观测波长λ时，其相关器输出值变化一个周期，即把这种周期变化称为“干涉条纹”，该干涉条纹只由延迟时间τg与延迟率Δτ决定。即通过多次测量，可以得到延迟时间与延迟率的值。其中，通过延迟时间可以推算得到脉冲星的角度位置，而延迟率决定了所测得角位置的实际精度。

Claims (8)

1.基于X射线的VLBI测量方法，其特征在于，包括以下环节：
设置平行的两路X射线单光子探测器，两路X射线单光子探测器在光轴方向上的初始位置相差设定的位移，使得同一光源入射至两路X射线单光子探测器存在设定的光程差；
采集每一路入射X射线的能量与到达时间信息，进而得到该路的X射线波动方程的频率与相位信息；对其中一路X射线单光子探测器进行延迟补偿，使两路X射线单光子探测器输出信号的时序完成初始对准；
将初始对准后的两路数据流送入自相关处理器中通过互相关运算进行强度关联计算，得出一个幅度随着延迟时间变化的余弦信号，即当延迟时间变化一个观测波长时，强度关联计算的输出值变化一个周期；
根据所述强度关联计算的输出值，得出延迟时间和延迟率；通过延迟时间即推算得到脉冲星的角度位置，延迟率则表征测得的角度位置的实际精度。
2.根据权利要求1所述的基于X射线的VLBI测量方法，其特征在于：多次调整两路X射线单光子探测器的相对位置，测量以及计算得出相应的延迟时间和延迟率；根据延迟时间的平均值推算得到脉冲星的角度位置，延迟率的平均值表征测得的角度位置的实际精度。
3.一种实现权利要求1所述基于X射线的VLBI测量方法的测量系统，其特征在于：包括两路平行设置的X射线单光子探测系统和用于对两路测量信号进行强度关联计算的自相关处理器，其中，每一路X射线单光子探测系统均包括依次设置的X射线聚焦光学模块、X射线单光子探测器、时间补偿电缆、前端电子学模块以及数据处理模块；这两路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器在光轴方向上的初始位置相差设定的位移，使得同一光源入射至两路X射线单光子探测器存在设定的光程差，通过所述时间补偿电缆的不同配置使得两路X射线单光子探测器输出信号的时序能够完成初始对准。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于：该测量系统还包括原子钟，统一为两路前端电子学模块以及数据处理模块和自相关处理器提供稳定的频标和时刻信息。
5.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于：两路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器中在光轴方向上的相对位置能够调制。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于：其中一路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器安装于精密直线导轨上，以实现在光轴方向上相对位置的调制。
7.一种基于权利要求6所述测量系统的地面验证装置，其特征在于：还包括在两路X射线聚焦光学模块前端的入射光路上依次设置的微焦斑脉冲星X射线源、光阑以及单晶硅反射镜，所述微焦斑脉冲星X射线源发出的X射线通过光阑后，以布拉格角入射到单晶硅反射镜表面，以单晶硅的截面作为反射面，出射的X射线方向与入射X射线以晶面法线对称，形成具有空间相干能力的两束X射线，分别进入两路X射线聚焦光学模块以及X射线单光子探测器。
8.根据权利要求7所述的地面验证装置，其特征在于：所述微焦斑脉冲星X射线源、光阑、单晶硅反射镜以及所述测量系统中的X射线聚焦光学模块、X射线单光子探测器、精密直线导轨和时间补偿电缆均设置于真空系统内。
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