CN109827870B - 一种基于x射线吸收的地面大气密度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，所述方法包括：将X射线源和SDD探测器同轴放置，沿轴线移动SDD探测器的位置，根据设置SSD探测器的通道数，获取能谱计数，并对其进行能量标定、量子效率标定、死时间标定、发散角标定，获得标定后的能谱计数；X射线源发出X射线光子，根据X射线光子在大气中传输的辐射衰减，利用X射线光子计数的泊松统计性质得到泊松统计极大似然估计；对标定后的能谱计数和泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，获得地面大气密度的估计值。

Description

一种基于X射线吸收的地面大气密度测量方法

技术领域

本发明涉及空间探测技术领域，特别涉及一种基于X射线吸收的地面大气密度测量方法。

背景技术

地球中高层大气是地球大气层的过渡区域，上受太阳活动影响，下受地球低层大气和地磁活动影响，中高层大气结构及其变化规律是重要的科学问题。中高层地面大气密度是中高层大气结构的重要参数，中高层地面大气密度的测量对于研究中高层大气结构及其变化规律具有重要意义。此外，对于在跨大气层飞行的航天器和航空器，中高层地面大气密度是其气动力、热设计的重要输入参数，对其测试、使用具有重要意义。但是，对于中高层地面大气密度的测量，目前的技术手段相对缺乏。传统的大气密度测量手段如地基激光雷达，其典型测量高度为几十千米量级，卫星原位测量的高度为几百千米量级。而中高层地面大气密度的测量则需要能够覆盖几十千米至一百千米这一高度范围，但是，目前的现有技术并不能达到几十千米至一百千米这一高度范围。

本发明专利针对X射线掩星技术的地面试验验证，提出了一种基于X射线吸收的大气密度测量方法，目前，现有技术中并没有涉及针对X射线掩星技术地面试验验证的地面大气密度测量的测量方法或者探测技术。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供了一种基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，该方法基于贝叶斯统计，得到地面大气密度的后验概率密度分布，不仅可以给出地面大气密度的最佳估计量，还可以给出地面大气密度的测量不确定度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，所述方法包括：

将X射线源和SDD探测器同轴放置，沿轴线移动SDD探测器的位置，根据设置SSD探测器的通道数，获取能谱计数，并对其进行能量标定、量子效率标定、死时间标定、发散角标定，获得标定后的能谱计数；X射线源发出X射线光子，根据X射线光子在大气中传输的辐射衰减，利用X射线光子计数的泊松统计性质得到泊松统计极大似然估计；对标定后的能谱计数和泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，获得地面大气密度的估计值。

作为上述方法的改进之一，所述方法具体包括：

步骤1)将X射线源和SDD探测器同轴放置，且二者之间的轴线距离范围为0-2m，分别记录X射线源和SDD探测器的坐标位置，并记为x₀和x₁，作为初始位置；

步骤2)沿步骤1)的轴线由近及远水平移动SDD探测器的位置，并依次记录每一次移动后的SDD探测器的位置坐标，记为x₂，x₃，…，x_n；其中，n为SDD探测器位置改变的次数；

步骤3)设置步骤2)中每一次移动后的SDD探测器的通道数，记录并保存每一次移动后的对应的能谱计数；

步骤4)对步骤3)中记录的能谱计数，选择两个特征峰进行能量标定，得到能量标定后的能谱计数；

步骤5)对步骤4)中的能量标定后的能谱计数进行死时间标定，得到死时间标定后的能谱计数；

步骤6)对步骤5)中的死时间标定后的能谱计数进行量子效率标定，得到量子效率标定后的能谱计数；

步骤7)对步骤6)中的量子效率标定后的能谱计数进行发散角标定，得到发散角标定后的能谱计数；

步骤8)X射线源发出X射线光子，根据X射线光子计数的泊松统计性质，得到泊松统计极大似然估计；

步骤9)对步骤6)中标定后的能谱计数和步骤7)中泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，获得地面大气密度的估计值。

作为上述方法的改进之一，所述步骤4)具体包括：

选择已知的两个特征谱线，假设这两个已知的特征谱线的能量分别记为E₁、E₂，这两个已知的特征谱线的通道分别为C₁、C₂，那么根据公式(1)和(2)，对两个特征谱线进行能量标定，具体如下：

E₁＝k*C₁+b (1)

E₂＝k*C₂+b (2)

其中，k为一个通道对应的能量；b为能量参考点；

根据公式(1)、(2)，将特征谱线的通道转换为特征谱线的能量，根据特征谱线的能量，获得X射线能谱计数与该能量之间的一种线性函数关系，根据该函数关系，获得能量标定后的能谱计数。

作为上述方法的改进之一，所述步骤5)具体包括：

根据公式(3)，对步骤4)中的能量标定后的能谱计数进行死时间标定，得到死时间标定后的能谱计数E_m；

E_m＝E_i/(1-t_d) (3)

其中，E_i为步骤4)中能量标定后的能谱计数，即死时间标定前的能谱计数；t_d为死时间。

作为上述方法的改进之一，所述步骤6)具体包括：

根据公式(4)，对死时间标定后的能谱计数进行量子效率标定，得到量子效率标定后的能谱计数；

E_f＝E_m/η (4)

其中，E_m为死时间标定后的能谱计数；E_f为量子效率标定后的能谱计数；η为量子效率。

作为上述方法的改进之一，所述步骤7)具体包括：

由于SDD探测器的接收面积远小于SDD探测器与X射线源之间的距离，因此，根据公式(5)，对步骤6)中的死时间标定后的能谱计数进行发散角标定，获得发散角标定后的能谱计数：

其中，I_i为SDD探测器测量的标定后的能谱计数，即SDD探测器的发散角标定后的能谱计数；E_f为SDD探测器测量的量子效率标定后的能谱计数；r₀为SDD探测器的初始位置坐标；r_i为SDD探测器第i次测量的位置坐标。

作为上述方法的改进之一，所述步骤8)具体包括：

步骤8-1)X射线源发出X射线光子，根据比尔定律，得到X射线光子在大气中传输的辐射衰减I_Mi；

I_Mi＝I₀e^-τ (6)

其中，τ为光学厚度，I₀为SDD探测器距离X射线源的距离最近处的能谱计数；根据公式(6)，计算光学厚度τ；

其中，α为需要拟合的未知参数；L_i为SDD探测器和X射线源之间的距离；β_N2，β_O2，β_CO2，β_Ar分别对应为N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的体积份数；μ_N2，μ_O2，μ_CO2，μ_Ar分别为N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面；N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面是随着X射线光子的能量变化而变化的一种对应关系，其中，利用NIST数据库计算与X射线光子的能量对应的吸收截面，并将其存储为数据文件；在该数据文件中包括X射线光子的能量和N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面；其中，X射线光子的能量与N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面之间是一一对应关系；

步骤8-2)再根据获得的X射线光子在大气中传输的辐射衰减I_Mi；依据公式(8)和X射线光子计数的泊松统计性质，获得泊松统计极大似然估计lnL；

lnL＝∑_i(I_ilnI_Mi-I_Mi-lnI_i！) (8)

其中，I_i为SDD探测器的标定后的能谱计数；lnI_i！为I_i阶乘的对数。

作为上述方法的改进之一，所述步骤9)具体包括：

对步骤7)中标定后的能谱计数和步骤8)中泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，根据马尔科夫链蒙特卡洛算法，获得地面大气密度的估计值、地面大气密度的最优估计值和地面大气密度的测量不确定度。

本发明的优点在于：

本发明的方法能够对X射线掩星大气密度探测技术物理方法进行地面试验验证，能够给出地面大气密度以及地面大气密度的最佳估计量，还能够给出地面大气密度的测量不确定度。

附图说明

图1是本发明的一种基于X射线吸收的地面大气密度测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

为了便于理解，将本发明涉及的概念进行一个统一的描述。

X射线吸收：X射线只要在大气或空气中传播就会有吸收，因此，本发明是基于X射线吸收的一个地面大气密度测量方法。

X射线能谱计数是指X射线辐射计数随SDD探测器设置的通道数或能量的变化而变化的一种函数关系，即横坐标是X射线通道数或X射线能量，纵坐标是X射线辐射计数。

消光曲线是指与某一确定的X射线通道或能量相对应的X射线辐射计数随X射线源与SDD探测器之间的距离的变化而变化的一种函数关系；其中，该函数关系的横坐标是SDD探测器移动后的位置坐标，纵坐标是X射线辐射计数。

本发明提出了一种基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，所述方法包括：

将X射线源和SDD探测器同轴放置，沿轴线移动SDD探测器的位置，根据设置SSD探测器的通道数，获取能谱计数，并对其进行能量标定、量子效率标定、死时间标定、发散角标定，获得标定后的能谱计数；X射线源发出X射线光子，根据X射线光子在大气中传输的辐射衰减，利用X射线光子计数的泊松统计性质得到泊松统计极大似然估计；对标定后的能谱计数和泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，获得地面大气密度的估计值。

其中，如图1所示，所述方法具体包括：

步骤1)将X射线源和SDD探测器同轴放置，且二者之间的轴线距离范围为0.5-1m，该优选值保证了本系统的结构简洁紧凑，节约了硬件成本；分别记录X射线源和SDD探测器的坐标位置，并记为x₀和x₁，作为初始位置；

步骤2)沿步骤1)的轴线由近及远水平移动SDD探测器的位置，并依次记录每一次移动后的SDD探测器的位置坐标，记为x₂，x₃，…，x_n；其中，n为SDD探测器位置改变的次数；

步骤3)设置步骤2)中每一次移动后的SDD探测器的通道数，记录并保存每一次移动后的对应的能谱计数；

步骤4)对步骤3)中记录的能谱计数，选择两个特征峰进行能量标定，得到能量标定后的能谱计数；其中，所述步骤4)具体包括：

选择已知的两个特征谱线，假设这两个已知的特征谱线的能量分别记为E₁、E₂，这两个已知的特征谱线的通道分别为C₁、C₂，那么根据公式(1)和(2)，对两个特征谱线进行能量标定，具体如下：

E₁＝k*C₁+b (1)

E₂＝k*C₂+b (2)

其中，k为一个通道对应的能量；b为能量参考点；

可以得到k和b，由此确定每一个特征谱线的能量与其对应的消化曲线的一一对应关系，其中，特征谱线是指X射线能谱计数中与某一X射线通道或能量相对应的X射线辐射计数，若固定在与该特征谱线对应的X射线通道或能量，得到与该X射线通道或能量对应的X射线辐射计数随X射线源与SDD探测器之间的距离变化而变化的一种函数关系，即消光曲线；

根据公式(1)、(2)，将特征谱线的通道转换为特征谱线的能量，根据特征谱线的能量，获得X射线能谱计数与该能量之间的一种线性函数关系，根据该函数关系，获得能量标定后的能谱计数。

步骤5)对步骤4)中的能量标定后的能谱计数进行死时间标定，得到死时间标定后的能谱计数；其中，所述步骤5)具体包括：

根据公式(3)，对步骤4)中的能量标定后的能谱计数进行死时间标定，得到死时间标定后的能谱计数E_m；

E_m＝E_i/(1-t_d) (3)

其中，E_i为步骤4)中能量标定后的能谱计数，即死时间标定前的能谱计数；t_d为死时间。

步骤6)对步骤5)中的死时间标定后的能谱计数进行量子效率标定，得到量子效率标定后的能谱计数；

所述步骤6)具体包括：

根据公式(4)，对死时间标定后的能谱计数进行量子效率标定，得到量子效率标定后的能谱计数；

E_f＝E_m/η (4)

其中，E_m为死时间标定后的能谱计数；E_f为量子效率标定后的能谱计数；η为SDD探测器的量子效率。

步骤7)对步骤6)中的量子效率标定后的能谱计数进行发散角标定，得到发散角标定后的能谱计数；

所述步骤7)具体包括：

由于SDD探测器的接收面积远小于SDD探测器与X射线源之间的距离，因此，根据公式(5)，对步骤6)中的死时间标定后的能谱计数进行发散角标定，获得发散角标定后的能谱计数：

其中，I_i为SDD探测器测量的标定后的能谱计数，即SDD探测器的发散角标定后的能谱计数；E_f为SDD探测器测量的量子效率标定后的能谱计数；r₀为SDD探测器的初始位置坐标；r_i为SDD探测器第i次测量的位置坐标。

步骤8)X射线源发出X射线光子，根据X射线光子计数的泊松统计性质，得到泊松统计极大似然估计；

所述步骤8)具体包括：

步骤8-1)X射线源发出X射线光子，根据比尔定律，得到X射线光子在大气中传输的辐射衰减I_Mi；

I_Mi＝I₀e^-τ (6)

其中，τ为光学厚度；根据公式(6)，计算光学厚度τ；

其中，α为需要拟合的未知参数；L_i为SDD探测器和X射线源之间的距离；β_N2，β_O2，β_CO2，β_Ar分别对应为N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的体积份数；μ_N2，μ_O2，μ_CO2，μ_Ar分别为N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面；N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面是随着X射线光子的能量变化而变化的一种对应关系，其中，利用NIST数据库计算与X射线光子的能量对应的吸收截面，并将其存储为数据文件；在该数据文件中包括X射线光子的能量和N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面；其中，X射线光子的能量与N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面之间是一一对应关系；

步骤8-2)再根据获得的X射线光子在大气中传输的辐射衰减I_Mi；依据公式(8)和X射线光子计数的泊松统计性质，获得泊松统计极大似然估计lnL；

lnL＝∑_i(I_ilnI_Mi-I_Mi-lnI_i！) (8)

其中，I_i为SDD探测器测量的标定后的能谱计数，即SDD探测器的发散角标定后的能谱计数。

步骤9)对步骤6)中标定后的能谱计数和步骤7)中泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，获得地面大气密度。

所述步骤9)具体包括：

对步骤7)中标定后的能谱计数和步骤8)中泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，根据马尔科夫链蒙特卡洛算法，获得地面大气密度、地面大气密度最优估计和地面大气密度的测量不确定度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

将X射线源和SDD探测器同轴放置，沿轴线移动SDD探测器的位置，根据设置SDD探测器的通道数，获取能谱计数，并对其依次进行能量标定、死时间标定、量子效率标定和发散角标定，获得发散角标定后的能谱计数；X射线源发出X射线光子，根据X射线光子在大气中传输的辐射衰减，利用发散角标定后的能谱计数的泊松统计性质，得到泊松统计极大似然估计；对发散角标定后的能谱计数和泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，获得地面大气密度的估计值。

2.根据权利要求1所述的基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1)将X射线源和SDD探测器同轴放置，且二者之间的轴线距离范围为0-2m，分别记录X射线源和SDD探测器的坐标位置；

步骤2)沿步骤1)的轴线由近及远水平移动SDD探测器的位置，并依次记录每一次移动后的SDD探测器的位置坐标；

步骤3)设置步骤2)中每一次移动后的SDD探测器的通道数，记录并保存每一次移动后的对应的能谱计数；

步骤4)对步骤3)中记录的能谱计数，选择两个特征峰进行能量标定，得到能量标定后的能谱计数；

步骤5)对步骤4)中的能量标定后的能谱计数进行死时间标定，得到死时间标定后的能谱计数；

步骤6)对步骤5)中的死时间标定后的能谱计数进行量子效率标定，得到量子效率标定后的能谱计数；

步骤7)对步骤6)中的量子效率标定后的能谱计数进行发散角标定，得到发散角标定后的能谱计数；

步骤8)X射线源发出X射线光子，根据发散角标定后的能谱计数的泊松统计性质，得到泊松统计极大似然估计；

步骤9)对步骤7)中的发散角标定后的能谱计数和步骤8)中的泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，获得地面大气密度的估计值。

3.根据权利要求2所述的基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：

选择已知的两个特征谱线，假设这两个已知的特征谱线的能量分别记为E₁、E₂，这两个已知的特征谱线的通道分别为C₁、C₂，那么根据公式(1)和(2)，对两个特征谱线进行能量标定，得到k和b，具体如下：

E₁＝k*C₁+b (1)

E₂＝k*C₂+b (2)

其中，k为一个通道对应的能量；b为能量参考点；

根据公式(1)、(2)，将特征谱线的通道转换为特征谱线的能量，根据特征谱线的能量，获得X射线能谱计数与该能量之间的一种线性函数关系，根据该函数关系，获得能量标定后的能谱计数。

4.根据权利要求2所述的基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：

对步骤4)中的能量标定后的能谱计数进行死时间标定，得到死时间标定后的能谱计数E_m；

E_m＝E_i/(1-t_d) (3)

其中，E_i为步骤4)中能量标定后的能谱计数；t_d为死时间。

5.根据权利要求2所述的基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，其特征在于，所述步骤6)具体为：

对死时间标定后的能谱计数进行量子效率标定，得到量子效率标定后的能谱计数；

E_f＝E_m/η (4)

其中，E_m为死时间标定后的能谱计数；E_f为量子效率标定后的能谱计数；η为量子效率。

6.根据权利要求2所述的基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，其特征在于，所述步骤7)具体为：

对步骤6)中的量子效率标定后的能谱计数进行发散角标定，获得发散角标定后的能谱计数：

其中，I_i为SDD探测器的发散角标定后的能谱计数；E_f为SDD探测器测量的量子效率标定后的能谱计数；r₀为SDD探测器的初始位置坐标；r_i为SDD探测器第i次测量的位置坐标。

7.根据权利要求2所述的基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，其特征在于，所述步骤8)具体包括：

步骤8-1)X射线源发出X射线光子，根据比尔定律，得到X射线光子在大气中传输的辐射衰减I_Mi；

I_Mi＝I₀e^-τ (6)其中，I₀为SDD探测器距离X射线源的距离最近处的能谱计数；τ为光学厚度；根据公式(7 )，计算光学厚度τ；

其中，α为需要拟合的未知参数；L_i为SDD探测器和X射线源之间的距离；β_N2，β_O2，β_CO2，β_Ar分别对应为N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的体积份数；μ_N2，μ_O2，μ_CO2，μ_Ar分别为N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面；N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面是随着X射线光子的能量变化而变化的一种对应关系，其中，利用NIST数据库计算与X射线光子的能量对应的吸收截面，并将其存储为数据文件；在该数据文件中包括X射线光子的能量和N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面；其中，X射线光子的能量与N₂、O₂、CO₂、Ar四种气体成分的吸收截面之间是一一对应关系；

步骤8-2)根据获得的X射线光子在大气中传输的辐射衰减I_Mi；利用发散角标定后的能谱计数的泊松统计性质，计算泊松统计极大似然估计lnL；

lnL＝∑_i(I_ilnI_Mi-I_Mi-lnI_i！) (8)。

8.根据权利要求2所述的基于X射线吸收的地面大气密度测量方法，其特征在于，所述步骤9)具体为：

对步骤7)中发散角标定后的能谱计数和步骤8)中泊松统计极大似然估计进行贝叶斯估计，根据马尔科夫链蒙特卡洛算法，获得地面大气密度的估计值和地面大气密度的测量不确定度。

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