CN108490475B - 星上数据处理方法、系统及空间粒子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星上数据采集处理方法、系统以及空间粒子探测器，系统包括：电荷脉冲信号处理模块、脉冲幅度分析模块、控制模块和存储器；控制模块用于在空间粒子探测器的开门时间内，控制所述电荷脉冲信号处理模块、所述脉冲幅度分析模块和所述存储器，进行一个或多个所述粒子传感器形成的粒子事件所对应的事件数据帧的累计存储；在关门时间内，依据所述数据处理单元的指令对存储在所述存储器中事件数据帧进行统计，并将统计后的事件数据帧记录为计数值回传所述数据处理单元；所述存储器用于存储事件数据帧。本发明提高了空间粒子探测器星上数据采集处理的灵活性，减少了仪器的“死时间”。

Description

星上数据处理方法、系统及空间粒子探测器

技术领域

本发明属于空间粒子探测领域，特别是涉及一种新型空间粒子探测器的星上数据采集处理方法、系统以及空间粒子探测器。

背景技术

空间粒子探测器一般由粒子传感器、信号调理单元、数据处理单元和电源单元构成。粒子传感器可以将入射粒子在传感器中沉积的能量转换为微弱电信号；信号调理单元可以将该微弱电信号经过放大、整形、幅度甄别等处理后转换为可用于累积计数的数字信号，并在给定时间内完成数字信号的累积计数；数据处理单元实现对信号调理单元的控制，在信号调理完成累积计数后读取计数值并打包成科学数据下传到地面接收设备；电源单元则为空间粒子探测器的各个单元供电。

空间粒子探测器星上数据采集处理方法是指：将空间粒子入射传感器所产生的微弱信号，经过放大、整形、幅度甄别和符合反符合后进行一定时间的计数累计，从而形成某种空间辐射粒子的某个能量范围对应的计数值的过程。

早期，空间粒子探测器的星上数据采集处理方法采用图1所示的二元探测器质子望远镜的数据采集处理电路方框图来实现。如图1所示，具有一定能量的质子入射后，先穿透可抵挡低能粒子和入射光子的吸收片进入探测器D1。若入射质子能量足够高，则穿过探测器D1，进入甚至穿过探测器D2。该粒子在探测器D1和D2中沉积的能量形成相应的电荷脉冲，经过前放(前放主要功能为将电荷脉冲信号放大并转化为电压脉冲信号)和主放(主放的主要功能是放大和整形)的放大和整形后形成具有一定幅度的“钟形”电压脉冲信号。该“钟形”电压脉冲信号与甄别器的阈值电平进行比较，若“钟形”电压脉冲信号幅度高于阈值电平，则甄别器产生一个标准高度和宽度的高电平有效数字脉冲信号；若“钟形”电压脉冲信号幅度低于阈值电平，则甄别器不产生任何信号。假设符合电路的输入信号分别为V1和V2，则符合电路的逻辑关系为V1·V2，即当符合电路的两个输入信号均为高电平有效数字脉冲信号时，符合电路就输出一个标准的高电平有效数字脉冲信号，否则符合电路没有高电平有效信号输出。假设反符合电路的输入信号分别为V1和V2，则反符合电路的逻辑关系为V1·/V2，即当反符合电路的V1输入信号为高电平有效数字脉冲信号而V2输入信号为低电平时，反符合电路就输出一个标准的高电平有效数字脉冲信号，而当V2输入信号也为高电平有效数字脉冲信号时，反符合电路没有高电平有效信号输出。

就图1所示电路而言，当入射质子的能量大于等于10MeV时，该质子在探测器D1和D2中产生的电荷脉冲信号经过放大、整形后形成的“钟形”电压脉冲幅度均高于甄别器1和2的阈值电平，则甄别器1和2均产生标准的高电平有效数字脉冲信号，则符合电路输出一个标准的高电平有效数字脉冲信号给计数器1计数，实现10MeV质子计数值的递增。当入射质子的能量大于等于30MeV时,甄别器1和2均产生标准的高电平有效数字脉冲信号，则符合电路输出一个标准的高电平有效数字脉冲信号给计数器1计数，而主放2输出的钟形电压脉冲信号幅度低于甄别器3的阈值电平，则甄别器3的输出为低电平，则反符合电路输出一个标准的高电平有效数字脉冲信号给计数器2计数，从而实现30MeV质子计数值的递增。

从图1所示电路的工作过程可见，传统的空间粒子探测器星上数据采集处理方法对一个入射粒子形成的粒子事件的处理过程包括：放大、整形、脉冲幅度甄别、符合/反符合，到最后的计数器计数递增为止才完成对一个入射粒子事件的处理。不难看出，传统的星上数据采集处理方法中，在当前一个粒子事件未处理完毕时，空间粒子探测器一般不能响应另一个入射的粒子。也就是说，在空间粒子探测器完整处理一个粒子事件所需要的时间，即“死时间”，范围内，空间粒子探测器不能响应后续入射的粒子。

空间粒子探测器星上数据采集处理电路不能总是处于对粒子事件的累计计数状态，否则计数器中的计数值无法被读取出来。通常空间粒子探测器有一个“开门时间”。在“开门”时刻，主放输出的信号被允许进入甄别器，进而触发后续的符合/反符合和计数操作。在“关门”时刻，主放输出的信号将被数据处理单元提供的控制信号屏蔽掉，使其无法触发后续电路工作。从“开门”到“关门”之间的时间间隔就是开门时间。在关门后，后面的数据处理单元就可以从计数器中读出计数值。在正常情况下，空间粒子探测器在一定开门时间内获取的某个能档粒子计数值与入射的该能档粒子通量成正比，则计数值可以反映粒子通量的变化。然而，如果空间粒子探测器的“死时间”太长，在空间粒子通量较高时仪器就容易出现“计数饱和”现象，即当入射粒子通量增大时，计数值不再随之变大，这样计数值就无法反映空间粒子通量的变化。因此，空间粒子探测器在开门时间范围内的“死时间”越短越好。

图1所示的空间粒子探测器星上数据采集处理电路属于早期设计，一般使用分立元器件(如分立的比较器芯片、简单组合逻辑电路芯片和计数器芯片)实现甄别、符合/反符合和计数等电路。我国二十世纪九十年代研制的空间粒子探测器一般采用上述星上数据采集处理电路设计，例如资源一号卫星星内粒子探测器和FY-1C卫星空间粒子成分监测器。这些仪器由于采用分立元器件实现星上数据采集处理电路，因此仪器的“死时间”通常比较大，一般在数十微秒到上百微秒的量级，且仪器的能量分辨率低。

随着对空间粒子探测器能量分辨率要求提高，脉冲幅度分析(Pulse HeightAnalysis，PHA)技术被应用到空间粒子探测器中。传统的星上数据采集处理电路中的甄别器电路被峰值检测电路和模数转换器(ADC)所取代。峰值检测电路可以检测到主放输出的“钟形”电压脉冲信号的峰值时刻并将该时刻的峰值电压信号保持一段时间。在这段时间内ADC将该峰值信号的模拟电压幅度转换为N-bit(N为ADC的二进制位数)的数字编码。主放输出的“钟形”电压脉冲信号的峰值电压代表了入射粒子的能量。假设脉冲幅度分析采用一个8-bit ADC，则可以将入射粒子的能量分为256个能档，因此脉冲幅度分析技术大大提高了空间粒子探测器的能量分辨率。脉冲幅度分析技术首先被用于地面放射源精细能谱分布的测量，又被称为多道分析系统。多道分析系统一般在ADC(N bit)后面连接一套计数器阵列电路。ADC输出的N-bit数字编码的十进制数值被称为“道数”。每一个道数都对应一个计数器，因此计数值阵列电路中共有2N个计数器。ADC输出的“道数”作为计数器阵列电路的输入信号，驱动该“道数”对应的计数器完成计数值递增操作。多道分析系统进行累积计数一段时间后，就可以获得放射源精细能谱分布数据。假设每个计数器的长度是16bits(即两个字节)，则一个采用8-bit ADC的多道分析系统获得一次能谱数据的数据量为512字节。当前的空间粒子探测器通常会同时测量多个方向入射的多个种类的粒子，若每个方向、每种粒子都用类似多道分析系统来观测精细能谱，则仪器一次采样产生的数据量是非常巨大的，因此一般将能道数量压缩到小于20个能档，以减小数据量。例如，ClusterII任务的中能电子成像谱仪(Imaging Electron Spectrometer,简称IES)就将8-bit ADC获得的256个道值压缩(或映射)到8个能档中，其数据处理电路如图2所示。ClusterII/IES用一个查找表(Look-Up Table，简称LUT)将8-bit ADC转换的256道压缩(或映射)到8个能档中。查找表LUT的输入信号是入射粒子事件的8-bit能量编码E和4-bit方向编码D(IES有9个方向)，其输出结果SCT和B确定了本次入射粒子事件的特定能量编码E和方向编码D对应的计数器阵列的地址，随后电子预处理控制(EPP control)将控制对应的计数器阵列完成加一操作。

总结ClusterII/IES的星上数据采集处理技术，其电路方框图如图3所示。传统星上数据采集处理技术中的“甄别器”、“符合/反符合电路”被“峰值检测”、“脉冲幅度分析”和“查找表”所取代。主放输出的“钟形”电压脉冲信号的幅度超过“触发器”设定的阈值电压后，“触发器”将产生一个启动信号。该启动信号被提供给时序控制电路，用于产生驱动后续电路的一系列时序信号。当数据处理单元(DPU)控制时序控制电路完成“关门”操作后，数据处理单元DPU从计数器阵列中读取各粒子、各方向和各能档计数值，打包后下传到地面。

目前，“脉冲幅度分析”+“查找表”+“计数器阵列”的星上数据采集处理技术在国际上已经成为空间粒子探测器的主流技术。国内一些新的空间粒子探测器也已开始采用这一技术。这一技术与传统的星上数据采集处理技术相比，虽然能量分辨率提高了，但是仍然有“死时间”长的缺点：例如前文提到的ClusterII/IES，仅从集成前放专用集成电路中读出全部9个方向通道的入射粒子能量编码(8bits)就需要47us(整个系统死时间在50～150us)；调整查找表LUT不方便：查找表LUT通常是写入时序控制电路或存入存储器EEPROM(电可擦可编程只读存储器)中的，当空间粒子探测器被发射入轨后，很难对查找表LUT进行重大调整。例如，ClusterII/IES虽然在仪器中存储的40个查找表LUT供仪器选择使用，但是这些查找表LUT存储的是在不同温度条件下的8个能档边界的映射值，并不能对仪器的能档数量和能量范围进行重大调整。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种星上数据采集处理方法、系统以及空间粒子探测器，用于解决现有的星上数据采集处理技术“死时间”长、查找表LUT调整复杂的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种星上数据采集处理系统，用于空间粒子探测器，所述星上数据采集处理系统包括：电荷脉冲信号处理模块、脉冲幅度分析模块、控制模块和存储器；其中，所述电荷脉冲信号处理模块与所述空间粒子探测器的一个或多个粒子传感器相连；所述控制模块分别与所述电荷脉冲信号处理模块、所述脉冲幅度分析模块、所述存储器和所述空间粒子探测器的数据处理单元相连；所述控制模块用于在所述空间粒子探测器的开门时间内，控制所述电荷脉冲信号处理模块、所述脉冲幅度分析模块和所述存储器，进行一个或多个所述粒子传感器形成的粒子事件所对应的事件数据帧的累计存储；在关门时间内，依据所述数据处理单元的指令对存储在所述存储器中事件数据帧进行统计，并将统计后的事件数据帧记录为计数值回传所述数据处理单元；所述存储器用于存储事件数据帧。

于本发明的一实施例中，所述电荷脉冲信号处理模块用于将一个或多个所述粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号进行处理，生成触发信号和峰值电压；所述脉冲幅度分析模块用于对所述峰值电压进行模数转换，生成对应的能量编码；所述控制模块还用于依据所述触发信号控制所述电荷脉冲信号处理模块、所述脉冲幅度分析模块和所述存储器，并将能量编码和粒子事件的其他辅助信息打包生成事件数据帧，存入所述存储器中。

于本发明的一实施例中，所述电荷脉冲信号处理模块包括：放大子模块、触发器和峰值检测子模块；所述放大子模块，用于将一个或多个所述粒子传感器放大整形成钟形电压脉冲信号；所述触发器，用于依据所述钟形电压脉冲信号的幅度生成所述触发信号；所述峰值检测子模块，用于采样和保持所述钟形电压脉冲信号的所述峰值电压。

于本发明的一实施例中，所述放大子模块包括前置放大器和主放大器；其中，所述前置放大器用于将一个或多个所述粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号放大并转化为电压脉冲信号；所述主放大器用于将所述电压脉冲信号放大整形成所述钟形电压脉冲信号。

于本发明的一实施例中，所述触发器将所述钟形电压脉冲信号与预设的幅度阈值电压进行比较，以生成所述触发信号。

于本发明的一实施例中，所述其他辅助信息包括符合/反符合信号编码和/或方向编码。

于本发明的一实施例中，所述存储器采用静态随机存取存储器，所述控制模块还用于依据所述数据处理单元的指令清空所述存储器中的事件数据帧。

本发明还公开了一种星上数据采集处理方法，用于空间粒子探测器，所述星上数据采集处理方法包括粒子事件累计存储过程和粒子事件统计读取过程；其中，在所述空间粒子探测器处于开门时间时，执行所述粒子事件累计存储过程，包括：将所述空间粒子探测器的一个或多个粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号进行处理，生成触发信号和峰值电压；根据所述触发信号对所述峰值电压进行模数转换，生成对应的能量编码；根据所述触发信号将能量编码和粒子事件的其他辅助信息打包生成事件数据帧，存入存储器中，以开始响应下一个粒子事件的所产生的事件数据帧；在所述空间粒子探测器处于关门时间时，执行所述粒子事件统计读取过程，包括：接收来自所述空间粒子探测器的数据处理单元的事件统计指令；依据所述事件统计指令，对存储器中存储的事件数据帧进行统计；将统计后的事件数据帧记录为计数值回传所述数据处理单元。

于本发明的一实施例中，所述将所述空间粒子探测器的一个或多个粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号进行处理，生成触发信号和峰值电压的步骤包括：将一个或多个所述粒子传感器放大整形成钟形电压脉冲信号；依据所述钟形电压脉冲信号的幅度生成所述触发信号；根据所述触发信号采样和保持所述钟形电压脉冲信号的所述峰值电压。

于本发明的一实施例中，所述依据所述钟形电压脉冲信号的幅度生成所述触发信号的步骤包括：将所述钟形电压脉冲信号的幅度与预设的幅度阈值电压进行比较：如果高于幅度阈值电压，则生成触发信号。

于本发明的一实施例中，所述事件统计指令包括事件统计条件；所述依据所述事件统计指令，对存储器中存储的事件数据帧进行统计的步骤包括：依据所述事件统计条件，遍历所述存储器中存储的事件数据帧，统计满足所述事件统计条件的事件数据帧。

于本发明的一实施例中，所述粒子事件统计读取过程还包括：依据所述数据处理单元的指令清空存储器中的事件数据帧。

于本发明的一实施例中，所述其他辅助信息包括符合/反符合信号编码和/或方向编码。

本发明还公开了一种空间探测器，包括：数据处理单元、如上所述的星上数据采集处理系统、一个或多个粒子探测器。

如上所述，本发明的一种星上数据采集处理方法、系统以及空间粒子探测器，具有以下有益效果：

1)本发明大大减小了仪器的“死时间”：在星上数据采集处理环节上，本发明在完成脉冲幅度分析后，直接将事件数据帧打包存入存储器，相对于现有技术，减少了操作环节，因此完成一个粒子事件的处理需要的时间就相应减小了。因此，在开门时间范围内，本发明的星上数据采集处理方法除了一个粒子事件所需时间短，则仪器的“死时间”变短。因此本发明提高了仪器的数据处理带宽，使仪器更适应粒子通量更高的辐射环境。并且根据实测结果，基于本发明星上数据采集处理方法的空间粒子探测器处理一个粒子事件的时间不超过8us，即仪器的“死时间”小于等于8us；

2)本发明提高了空间粒子探测器星上数据采集处理的灵活性：传统的空间粒子探测器星上数据采集处理方法是采用甄别器来确定获得的粒子能档边界，一旦甄别器的甄别阈值被设定，在星上就无法调整了。而目前常用的星上数据采集处理方法中采用查找表来确定粒子能档边界，虽然查找表可以被更新，但是仅能对不同工作条件下的能档边界做有限调整。而本发明的星上数据采集处理方法对粒子能档的设定是由数据处理单元来完成，在存储器中存储的粒子事件保存了从脉冲幅度分析模块的模数转换电路获得的完整N-bit能量编码。这样，根据仪器标定的结果，可以根据需要设定不同的能档上下边界。因此，本发明能档设定方式更加灵活，从而帮助空间粒子探测器轻松完成粒子能档的调整、地面和在轨的标定。

附图说明

图1显示为现有的二元探测器质子望远镜的数据采集处理电路方框图。

图2显示为中能电子成像谱仪的数据处理电路示意图。

图3显示为中能电子成像谱仪的数据处理电路方框示意图。

图4显示为本发明实施例公开的一种空间粒子探测器的原理结构示意图。

图5显示为本发明实施例公开的一种星上数据采集处理系统的原理结构示意图。

元件标号说明

100 粒子传感器

200 星上数据采集处理系统

210 电荷脉冲信号处理模块

211 放大子模块

212 峰值检测子模块

213 触发器

220 脉冲幅度分析模块

230 控制模块

240 存储器

300 数据处理单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅附图。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供的一种星上数据采集处理方法、系统以及空间粒子探测器，针对现有的空间粒子探测器星上数据采集处理技术中存在的技术问题，将空间粒子探测器的星上数据采集处理分成两个操作过程：第一个操作过程为粒子事件的累计存储过程；第二个操作过程为对累计存储的入射粒子事件的统计读取过程。并对累计存储过程进行了改进：在完成粒子事件的能量编码后，直接将能量编码与粒子时间的其他辅助信息进行打包并存入存储器，简化了粒子事件的处理过程，从而使得完成一个粒子事件的处理时间大大减小。

实施例1

本实施例公开了一种空间粒子探测器，如图4所示，包括：一个或多个粒子探测器100、星上数据采集处理系统200、数据处理单元300、电源单元400。其中，

星上数据采集处理系统200分别与一个或多个粒子探测器100、数据处理单元300相连接；电源单元400分别与一个或多个粒子探测器100、星上数据采集处理系统200、数据处理单元300相连接。

粒子探测器100用于将入射在其上的粒子转化为电荷脉冲信号。

星上数据采集处理系统200根据一个或多个粒子探测器100传递过来的电荷脉冲信号，对其进行放大、整形等处理后转换为可用于累计计数的事件数据帧，并在给定时间内完成事件数据帧的存储；并依据数据处理单元300的指令，对存储的事件数据帧按照事件统计条件进行统计，并作为计数值累积计数回传数据处理单元300。

数据处理单元300用于对星上数据采集处理系统200进行控制，并在星上数据采集处理系统200完成累积计数后读取计数值，打包成科学数据下传到地面接收设备。

电源单元400用于为一个或多个粒子传感器100、星上数据采集处理系统200和数据处理单元300供电。

进一步地，本实施例的星上数据处理系统200的原理结构如图5所示，包括：电荷脉冲信号处理模块210、脉冲幅度分析模块220、控制模块230和存储器240。

电荷脉冲信号处理模块210分别与一个或多个粒子传感器100、脉冲幅度分析模块220和控制模块230相连，用于将一个或多个所述粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号进行处理，生成触发信号和峰值电压。

具体地，电荷脉冲信号处理模块210包括：放大子模块211、触发器213和峰值检测子模块212。放大子模块211与一个或多个粒子传感器100相连，触发器213分别与放大子模块211和控制模块230相连；峰值检测子模块212分别与放大子模块211、脉冲幅度分析模块220和控制模块230相连。其中，

放大子模块211用于将一个或多个粒子传感器100放大整形成钟形电压脉冲信号，并将钟形电压脉冲信号传递给触发器213和峰值检测子模块212。优选地，放大子模块211包括前置放大器和主放大器；前置放大器用于将一个或多个粒子传感器100形成的粒子事件的电荷脉冲信号放大并转化为电压脉冲信号；主放大器用于将电压脉冲信号进行放大整形，以生成钟形电压脉冲信号。

触发器213，用于根据放大子模块211所生成的钟形电压脉冲信号的幅度进行判断，从而生成触发信号。优选地，预设幅度阈值电压，将钟形电压脉冲信号的幅度与幅度阈值电压进行比较，当幅度高于幅度阈值电压时，生成对应的触发信号，并传递给控制模块230。

峰值检测子模块212用于采样和保持钟形电压脉冲信号的峰值电压。

在本发明的优选实施例中，电荷脉冲信号处理模块210采用专用集成电路ASIC来实现。

脉冲幅度分析模块220用于对峰值电压进行模数转换，生成对应的能量编码。其中，模数转换电路是本领域的常用电路，在此就不再赘述。能量编码为bit数字编码。

控制模块230用于控制星上数据采集处理系统200中的所有模块，在开门时间内，完成对一个或多个粒子传感器100形成的粒子事件所对应的事件数据帧的累计存储；在关门时间内依据数据处理单元300的指令对存储在存储器240中事件数据帧进行统计，并将统计后的事件数据帧记录为计数值回传数据处理单元300中。具体地，

在开门时间内，依据触发器213传递过来触发信号，生成对应的时序控制信号，并传送给峰值检测子模块212、脉冲幅度分析模块220和存储器240；并将从脉冲幅度分析模块220传递过来的能量编码与粒子事件的其他辅助信息进行打包，生成事件数据帧，存入所述存储器中。其他辅助信息包括但不限于：符合/反符合信号编码、和/或方向编码。

在关门时间内，接收来自于数据处理单元300的事件统计指令；依据事件统计指令，对存储器中存储的事件数据帧进行统计；并将统计后的事件数据帧记录为计数值回传给数据处理单元300。优选地，事件统计指令包括事件统计条件；依据事件统计条件，遍历存储器中存储的事件数据帧，统计满足事件统计条件的事件数据帧，再将统计后的事件数据帧记录为计数值回传给数据处理单元300。事件统计条件优选为粒子能档。需要说明的是，由于本发明的事件统计指令是由数据处理单元300所下达的，事件统计指令中的事件统计条件的设定是由数据处理单元300来完成的，因此，根据统计的结果，可以根据实际需要通过数据处理单元300灵活设定对应的事件统计条件，即设定不同的粒子能档的上下边界。

在本发明的优选实施例中，控制模块230采用现场可编程逻辑门阵列FPGA(Field－Programmable Gate Array)。

存储器240用于存储控制模块230所生成的事件数据帧。优选地，存储器240为静态随机存取存储器。控制模块230可以依据数据处理单元300的指令，清空存储器240中存储的事件数据帧。

此外，为了突出本发明的创新部分，本实施例中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元/模块引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的单元/模块。

实施例2

本实施例公开了一种用于空间粒子探测器的星上数据采集处理方法，包括：粒子事件累计存储过程和粒子事件统计读取过程。

粒子事件累计存储过程仅在开门时间内完成，具体不包括：

(1)粒子传感器根据入射在其上的粒子产生一个粒子事件；

(2)经过放大子模块，形成一个钟形电压脉冲信号；

(3)若钟形电压脉冲信号的幅度高于预设的幅度阈值电压，则触发器产生触发信号并提供给控制模块；

(4)控制模块接收到触发信号后，产生时序控制信号以控制峰值检测子模块，从而确定钟形电压脉冲的峰值位置，并完成峰值电压的采样和保持；

(5)控制模块的时序控制信号还控制脉冲幅度分析模块，从而完成对峰值电压的模数转换，以产生一个代表入射粒子能量的N-bit数字编码，并回传给控制模块；

(6)控制模块将粒子事件的能量编码(N-bit)和其他辅助信息(包括但不限于：符合/反符合信号编码、方向编码等)打包成事件数据帧，并将其顺序存入事件存储器。

当上述步骤完成后，一个粒子事件的累计存储过程完成，星上数据采集处理系统就可以开始响应下一个粒子产生的事件。

在“开门时间”内，星上数据采集处理系统只执行粒子事件的累计存储过程。因此，本实施例的星上数据采集处理方法可以减小星上数据采集处理系统在“开门时间”内的“死时间”。

在空间粒子探测器完成“关门操作”后，即空间粒子探测器处于关门时间时，进行粒子事件统计读取过程。粒子事件统计读取过程不需要增加新的电路，所有操作均根据数据处理单元控制星上数据采集处理系统的控制模块来完成。

粒子事件统计读取过程的处理步骤包括：

(1)数据处理单元向控制模块发送事件统计指令，其中，事件统计指令包括事件统计条件和启动统计操作的控制信号，事件统计条件包括但不限于待统计的粒子类型、待统计粒子入射方向和待统计能档上下边界等等；

(2)控制模块在接到数据处理单元的启动统计操作控制信号后，遍历存储器中存储的所有事件数据帧，并将符合统计条件的事件数据帧的数量记录下来，并作为计数值回传给数据处理单元；

进一步地，当空间粒子探测器包括多个粒子传感器时，数据处理单元会根据实际需要将所有情况的事件统计条件都发送给控制模块，并从控制模块获得回传的计数值；

此外，控制模块还会根据来自于数据处理单元的清空存储器指令，清除上次采样的事件数据帧，至此，本次粒子事件统计读取过程结束。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

不难发现，本实施例为与第一实施例相对应的方法实施例，本实施例可与第一实施例互相配合实施。第一实施例中提到的相关技术细节在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在第一实施例。

实施例3

本实施例提供了一种应用在导航卫星IGSO(倾斜地球同步轨道，InclinedGeosynchronous Satellite Orbit)试验星的中能电子探测器上的星上数据采集处理系统。该星上数据采集处理系统可以同时测量来自9个不同方向入射的中能电子，每个方向上可以测量能量范围从50keV到600keV共8个指数分布能档。

导航卫星IGSO试验型中能电子探测器的主要电路功能模块同样可以参考图4，可以划分为探头传感器(粒子传感器100)、信号调理单元(星上数据采集处理系统200)、数据处理单元300、电源单元400。

探头传感器包括9个传感器单元，每个单元对应一个中能电子入射方向，9个传感器单元可以覆盖180°张角范围。传感器用于将入射的中能电子形成电荷脉冲信号。

信号调理单元(Signal Conditioning Unit，SCU)即为本发明提出的星上数据采集处理系统，其电路原理如图5所示。采用了一个多路集成前置放大器专用集成电路ASIC(电荷脉冲信号处理模块)中的9个通道来分别连接9个传感器的输出端。每个ASIC通道包括一组前置放大器、主放大器、峰值检测子模块，可以将传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号进行放大整形成钟形电压脉冲信号，并对该电压脉冲信号进行峰值检测，最后在FPGA(控制模块)的控制下输出保持的峰值电压模拟量信号。ASIC的模拟信号输出端连接一个12bit的模数转换器(脉冲幅度分析模块)，12位模数转换器的有效数据为11位，最高位为符号位。该模数转换器在FPGA(控制模块)的控制下实现对粒子事件峰值的脉冲幅度分析。模数转换器输出粒子事件的能量编码(长度11bits)；ASIC同时输出的触发粒子事件的ASIC通道编码(即对应传感器的方向编码，长度4bits)。FPGA同时采集模数转换器输出的粒子事件的能量编码和ASIC输出的对应的传感器的方向编码，并打包成为2个字节长度的事件数据帧。随后FPGA将事件数据帧按顺序存入存储器中。存储器是一个128K字节的静态随机存取存储器(SRAM)。至此，信号调理单元就完成了对一个粒子事件的累计存储操作。

数据处理单元(Data Processing Unit，DPU)向信号调理单元发送启动计数的控制信号(即开门信号)，则信号调理单元进入对粒子事件的累计存储过程。当预定的开门时间(中能粒子探测器设定的默认开门时间是500ms)完成后，数据处理单元向信号调理单元发送停止计数控制信号(即关门信号)，则信号调理单元进入对“粒子事件”的统计读取过程。在中能电子探测器的具体应用中，根据地面标定结果，数据处理单元将顺序向信号调理单元发送72组不同的能档上下边界，经过统计后信号调理单元向数据处理单元返回72个计数值(包括9个方向，每个方向8个指数分布的能档的计数值)。随后数据处理单元完成对72个计数值的打包和向地面发送过程。在地面处理时，根据中能电子探测器采集的72个通道的计数值、系统开门时间(500ms)和每个方向每个能档的几何因子，就可以获得9个方向入射的中能电子的8个能档的电子微分通量。其中，几何因子是衡量仪器接收某个能量范围的入射粒子的效率的参数，一般可表示为G＝C/J，其中G为几何因子，C为该能档的单位时间计数值，J为某个能量的入射粒子的微分通量。

需要说明的是，根据统计的结果，可以根据实际需要通过数据处理单元灵活设定对应的事件统计条件，即设定不同的粒子能档的上下边界。FPGA可以根据数据处理单元设定的能档上下边界，统计得到能量编码在设定能档上下边界之间的粒子事件的总数，即设定能档的粒子计数值。在极限情况下，数据处理单元可以将能档上下边界依次设置为模数转换器的两个相邻道数(0和1、1和2、2和3、…、2N-1和2N，N为模数转换器的量化位数)，并依次统计获得相应的2N个计数值，则空间粒子探测器就成为一个2N道的多道分析仪。

电源单元主要包括二次电源模块和偏压电源模块。其中二次电源模块将供给中能电子探测器的一次电源+42V转换为各种集成电路工作需要的+5V电源，而偏压电源则需要从+5V电源通过DC/DC变换产生一个高压电源给传感器提供工作电压。

中能电子探测器的工作过程如下：

(1)数据处理单元向信号调理单元发送开门信号，使信号调理单元进入对粒子事件的累计存储过程；

(2)从不同方向入射的中能电子打到一个或多个传感器上产生电荷脉冲信号；

(3)电荷脉冲信号进入与其相连的集成前放专用集成电路ASIC的通道，经过前置放大器、主放大器后成为具有一定幅度的钟形电压脉冲信号，其中，峰值电压正比于入射电子能量；

(4)若钟形电压脉冲信号超过预先设定的噪声阈值电平(脉冲电压阈值)，则ASIC启动峰值检测子模块，对该信号的峰值电压进行采样和保持，同时ASIC产生一个触发信号(Triger)给FPGA；

(5)FPGA接到ASIC发出的触发信号后，将向ASIC提供一系列时序控制信号，从ASIC中读取出被触发的ASIC通道编号(即“粒子事件”的4位方向编码)，并控制ASIC向模数转换器输出被保持的粒子事件峰值电压模拟信号；

(6)模数转换器在FPGA的控制下完成对粒子事件峰值电压模拟信号的脉冲幅度分析，并将粒子事件峰值电压对应的11位能量编码提供给FPGA；

(7)FPGA将每个粒子事件对应的能量编码和方向编码打包为事件数据帧，并存入存储器；

(8)经过一定时间(开门时间，中能电子探测器的默认开门时间为500ms)的粒子事件累计计数后，数据处理单元向信号调理单元发出关门信号，则信号调理单元进入对粒子事件的统计读取过程；

(9)数据处理单元将顺序向信号调理单元发送72组不同的能档上下边界，经过统计后信号调理单元向数据处理单元返回72个计数值。随后数据处理单元完成对72个计数值的打包和向地面发送过程。

综上所述，本发明的一种星上数据采集处理方法、系统以及空间粒子探测器，具有以下有益效果：1)本发明大大减小了仪器的“死时间”：在星上数据采集处理环节上，本发明在完成脉冲幅度分析后，直接将事件数据帧打包存入存储器，相对于现有技术，减少了操作环节，因此完成一个粒子事件的处理需要的时间就相应减小了。因此，在开门时间范围内，本发明的星上数据采集处理方法除了一个粒子事件所需时间短，则仪器的“死时间”变短。因此本发明提高了仪器的数据处理带宽，使仪器更适应粒子通量更高的辐射环境。并且根据实测结果，基于本发明星上数据采集处理方法的空间粒子探测器处理一个粒子事件的时间不超过8us，即仪器的“死时间”小于等于8us；2)本发明提高了空间粒子探测器星上数据采集处理的灵活性：传统的空间粒子探测器星上数据采集处理方法是采用甄别器来确定获得的粒子能档边界，一旦甄别器的甄别阈值被设定，在星上就无法调整了。而目前常用的星上数据采集处理方法中采用查找表来确定粒子能档边界，虽然查找表可以被更新，但是仅能对不同工作条件下的能档边界做有限调整。而本发明的星上数据采集处理方法对粒子能档的设定是由数据处理单元来完成，在存储器中存储的粒子事件保存了从脉冲幅度分析模块的模数转换电路获得的完整N-bit能量编码。这样，根据仪器标定的结果，可以根据需要设定不同的能档上下边界。因此，本发明能档设定方式更加灵活，从而帮助空间粒子探测器轻松完成粒子能档的调整、地面和在轨的标定。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种星上数据采集处理系统，其特征在于，用于空间粒子探测器，所述星上数据采集处理系统包括：电荷脉冲信号处理模块、脉冲幅度分析模块、控制模块和存储器；其中，

所述电荷脉冲信号处理模块与所述空间粒子探测器的一个或多个粒子传感器相连；所述控制模块分别与所述电荷脉冲信号处理模块、所述脉冲幅度分析模块、所述存储器和所述空间粒子探测器的数据处理单元相连；

所述控制模块用于在所述空间粒子探测器的开门时间内，控制所述电荷脉冲信号处理模块、所述脉冲幅度分析模块和所述存储器，进行一个或多个所述粒子传感器形成的粒子事件所对应的事件数据帧的累计存储；在关门时间内，依据所述数据处理单元的指令对存储在所述存储器中事件数据帧进行统计，并将统计后的事件数据帧记录为计数值回传所述数据处理单元；

所述存储器用于存储事件数据帧。

2.根据权利要求1所述的星上数据采集处理系统，其特征在于：

所述电荷脉冲信号处理模块用于将一个或多个所述粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号进行处理，生成触发信号和峰值电压；

所述脉冲幅度分析模块用于对所述峰值电压进行模数转换，生成对应的能量编码；

所述控制模块还用于依据所述触发信号控制所述电荷脉冲信号处理模块、所述脉冲幅度分析模块和所述存储器，并将能量编码和粒子事件的其他辅助信息打包生成事件数据帧，存入所述存储器中。

3.根据权利要求2所述的星上数据采集处理系统，其特征在于：所述电荷脉冲信号处理模块包括：放大子模块、触发器和峰值检测子模块；

所述放大子模块，用于将一个或多个所述粒子传感器放大整形成钟形电压脉冲信号；

所述触发器，用于依据所述钟形电压脉冲信号的幅度生成所述触发信号；

所述峰值检测子模块，用于采样和保持所述钟形电压脉冲信号的所述峰值电压。

4.根据权利要求3所述的星上数据采集处理系统，其特征在于：所述放大子模块包括前置放大器和主放大器；其中，

所述前置放大器用于将一个或多个所述粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号放大并转化为电压脉冲信号；

所述主放大器用于将所述电压脉冲信号放大整形成所述钟形电压脉冲信号。

5.根据权利要求3所述的星上数据采集处理系统，其特征在于：所述触发器将所述钟形电压脉冲信号与预设的幅度阈值电压进行比较，以生成所述触发信号。

6.根据权利要求2所述的星上数据采集处理系统，其特征在于：所述其他辅助信息包括符合/反符合信号编码和/或方向编码。

7.根据权利要求1所述的星上数据采集处理系统，其特征在于：所述存储器采用静态随机存取存储器，所述控制模块还用于依据所述数据处理单元的指令清空所述存储器中的事件数据帧。

8.一种星上数据采集处理方法，用于空间粒子探测器，其特征在于：所述星上数据采集处理方法包括粒子事件累计存储过程和粒子事件统计读取过程；其中，

在所述空间粒子探测器处于开门时间时，执行所述粒子事件累计存储过程，包括：

将所述空间粒子探测器的一个或多个粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号进行处理，生成触发信号和峰值电压；

根据所述触发信号对所述峰值电压进行模数转换，生成对应的能量编码；

根据所述触发信号将能量编码和粒子事件的其他辅助信息打包生成事件数据帧，存入存储器中，以开始响应下一个粒子事件的所产生的事件数据帧；

在所述空间粒子探测器处于关门时间时，执行所述粒子事件统计读取过程，包括：

接收来自所述空间粒子探测器的数据处理单元的事件统计指令；

依据所述事件统计指令，对存储器中存储的事件数据帧进行统计；

将统计后的事件数据帧记录为计数值回传所述数据处理单元。

9.根据权利要求8所述的星上数据采集处理方法，其特征在于：所述将所述空间粒子探测器的一个或多个粒子传感器形成的粒子事件的电荷脉冲信号进行处理，生成触发信号和峰值电压的步骤包括：

将一个或多个所述粒子传感器放大整形成钟形电压脉冲信号；

依据所述钟形电压脉冲信号的幅度生成所述触发信号；

根据所述触发信号采样和保持所述钟形电压脉冲信号的所述峰值电压。

10.根据权利要求9所述的星上数据采集处理方法，其特征在于：所述依据所述钟形电压脉冲信号的幅度生成所述触发信号的步骤包括：将所述钟形电压脉冲信号的幅度与预设的幅度阈值电压进行比较：如果高于幅度阈值电压，则生成触发信号。

11.根据权利要求9所述的星上数据采集处理方法，其特征在于：所述事件统计指令包括事件统计条件；所述依据所述事件统计指令，对存储器中存储的事件数据帧进行统计的步骤包括：依据所述事件统计条件，遍历所述存储器中存储的事件数据帧，统计满足所述事件统计条件的事件数据帧。

12.根据权利要求9所述的星上数据采集处理方法，其特征在于：所述粒子事件统计读取过程还包括：依据所述数据处理单元的指令清空存储器中的事件数据帧。

13.根据权利要求9所述的星上数据采集处理方法，其特征在于：所述其他辅助信息包括符合/反符合信号编码和/或方向编码。

14.一种空间探测器，其特征在于：包括：数据处理单元、如权利要求1-7中任意一项所述的星上数据采集处理系统、一个或多个粒子探测器。