CN110297262A - 应用于深空探测器的δe-e数字化粒子鉴别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于深空探测器的ΔE‑E数字化粒子鉴别方法及装置，该方法具体为：1)获取各探测器能损通道ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3；2)利用多位乘法器和加法器IP核，对选择出的能损通道ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3数据分别进行线性坐标转换运算，使对应的通道的ADC码值转换成为能损：ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃；3)将ΔE₂和总能量E＝ΔE₁+ΔE₂+ΔE₃进行乘法运算，得到ΔE₂*E值；4)根据计算得到的ΔE₂*E值，和预先设定的不同粒子鉴别阈值进行比较，如果总能量值符合对应的阈值范围，则确定为该阈值范围对应的粒子；5)将对应粒子采用设定字节的码字进行标识。本发明拓宽了粒子鉴别种类和能量测量范围，提升能量测量精度。

Description

应用于深空探测器的ΔE-E数字化粒子鉴别方法及装置

技术领域

本发明是关于一种应用于深空探测器的ΔE-E数字化粒子鉴别方法及装置，涉及空间探测器的辐照探测技术领域。

背景技术

我国首次火星探测任务已于2016年1月得到国家批准立项，将通过一次发射任务实现火星环绕、着陆和巡视，对火星开展全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域巡视探测。作为环绕器有效载荷之一的能量粒子分析仪，其科学目标是：研究地火转移轨道以及火星空间的辐照环境，包括电子、质子、α粒子和重离子(Z≤26)的能谱、元素成分和通量的特征及其变化规律，并结合所获取粒子的时间信息绘制不同能量粒子辐射的空间分布图。

能量粒子分析仪可以采用能损-总能量法(ΔE-E)进行上述粒子鉴别，虽然该算法的优势在于粒子鉴别准确率高，但通常应用于离线数据计算中，过程复杂，需要分析大量原始数据。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于深空探测器的ΔE-E数字化粒子鉴别方法及装置，能够直接在轨完成对大量原始数据的分析、粒子鉴别以及能量范围划分。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种应用于深空探测器的ΔE-E数字化粒子鉴别方法，该深空探测器包括第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器，包括内容为：

1)获取第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器的能损通道ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3；

2)利用多位乘法器和加法器IP核，对选择出的能损通道ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3数据分别进行线性坐标转换运算，使对应的通道的ADC码值转换成为能损：ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃；

3)将ΔE₂和总能量E＝ΔE₁+ΔE₂+ΔE₃进行乘法运算，得到ΔE₂*E值；

4)根据计算得到的ΔE₂*E值，和预先设定的不同粒子鉴别阈值进行比较，如果总能量值符合对应的阈值范围，则确定为该阈值范围对应的粒子；

5)将对应粒子采用设定字节的码字进行标识。

进一步地，ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃的转换公式为：

ΔE_n＝a_nX_n+b_n

其中，a_n为转换系数，X_n为ΔADCn，b_n为常数项，ΔE_n为转换结果，n取值范围为1、2和3。

进一步地，可鉴别的粒子种类有重离子、高能电子、质子以及Alpha粒子，各个粒子的阈值范围为：

重离子：ΔE₂*E>1200；

α粒子：150<ΔE₂*E<＝1200||(ΔE₂*E<＝150&&ΔE₂>＝1)

质子：(20<ΔE₂*E<＝150)||(ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂>1)&&ΔE₂<1

电子：ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂<1&&ΔE₂>0.05。

进一步地，在获取每个探测器的能损通道的之前，还包括进行本地噪声去除和温度补偿的步骤。

进一步地，对数据缓存和乘法器进行三模冗余加固；对阈值、状态寄存器进行检错和纠错处理。

第二方面，本发明还提供一种应用于深空探测器的ΔE-E数字化粒子鉴别装置，该深空探测器包括第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器，还包括控制装置、模拟ASIC芯片和ADC模块：

所述控制装置用于控制所述模拟ASIC芯片通过所述第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器捕获有效粒子事件信号；所述ADC模块用于将有效粒子事件信号数字化发送到所述控制装置得到多路原始科学数据，所述控制装置对获取的原始科学数据进行处理在轨完成粒子鉴别。

进一步地，所述控制装置包括台基扣除模块、温度补偿模块、科学数据筛选模块、坐标转换运算处理模块、总能量处理模块和粒子鉴别处理模块；

所述台基扣除模块用于进行本地噪声去除；

所述温度补偿模块用于对温度敏感的探测器通道对应的科学数据进行归一化补偿；

所述科学数据筛选模块用于获取所述第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器的能损通道ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3；

所述坐标转换运算处理模块用于利用多位乘法器和加法器IP核，对选择出的ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3数据分别进行一次线性坐标转换运算，使对应的通道的ADC码值转换成为能损：ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃；

所述总能量处理模块用于将ΔE₂和总能量E＝ΔE₁+ΔE₂+ΔE₃进行乘法运算，得到ΔE₂*E值；

所述粒子鉴别处理模块根据计算得到的ΔE₂*E值，和预先设定的不同粒子鉴别阈值进行比较，如果总能量值符合对应的阈值范围，则可以确定为该阈值范围对应的粒子。

进一步地，所述控制装置还包括看门狗控制模块，当连续出现多个粒子鉴别错误，或者运行状态异常，则启动所述看门狗控制模块对所述控制装置的各模块进行复位操作。

进一步地，ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃的转换公式为：

ΔE_n＝a_nX_n+b_n

其中，a_n为转换系数，X_n为ΔADCn，b_n为常数项，ΔE_n为转换结果，n取值范围为1、2和3。

进一步地，可鉴别的粒子种类有重离子、高能电子、质子以及Alpha粒子，各个粒子的阈值范围为：

重离子：ΔE₂*E>1200；

α粒子：150<ΔE₂*E<＝1200||(ΔE₂*E<＝150&&ΔE₂>＝1)

质子：(20<ΔE₂*E<＝150)||(ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂>1)&&ΔE₂<1

电子：ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂<1&&ΔE₂>0.05。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明实现对深空探测器在轨分析原始科学数据、完成粒子鉴别和能量道划分的任务，仅向地面回传相对少量的分析结果数据，从而有效提高卫星信道传输效率、降低地面分析人员的负担并降低地面支撑系统的运营成本；

2、本发明硬件系统采用14位高精度ADC，则每个探测器输入通道则会得到2个字节的原始科学数据，对于多输入通道系统而言，每个有效事件的数据传输量为2*N字节(其中N标识通道数)，而FPGA将鉴别后对应粒子用1字节的码字进行标识如，数据传输量只有1字节，向地面回传相对少量的分析结果数据；

综上，本发明相比于传统的鉴别方式，有效降低了电子学硬件的复杂程度，拓宽了粒子鉴别种类和能量测量范围，提升了能量测量精度，具有灵活、易于实现、成本低和可靠性高等特点，可以广泛应用于深空探测中。

附图说明

图1为本发明的ΔE-E数字粒子鉴别硬件原理示意图；

图2为本发明的ΔE-E数字化粒子鉴别方法在FPGA中实现原理图；

图3为本发明粒子鉴别方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的应用于深空探测器的ΔE-E数字化粒子鉴别方法，包括以下内容：

1、控制装置控制模拟ASIC芯片通过探测器捕获有效粒子事件信号，该信号经ADC数字化后输入到控制装置，从而得到多路原始科学数据；

如图1所示，具体地，当深空中有效粒子事件到来后，由复合探测器捕获该信号经模拟ASIC芯片采集进行放大、整形及峰保持，然后发送到ADC采样电路数字化后得到原始科学数据。复合探测器由多个不同类型探测器组成，其中本实施例包括3个能量探测器，3个能量探测器分别为第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器，共计11个通道，探测器信号输出通道安排为2-3-6，共计11路。

2、控制装置对获取的原始科学数据进行处理完成粒子鉴别。

3、缓存粒子鉴别分析结果，当载荷控制器发出读取请求时，控制装置将缓存的粒子结果添加CRC校验运算后回传给载荷控制器，下传至地面科学应用系统。

在一个优选的实施例中，如图2所示，控制装置可以采用FPGA，包括台基扣除模块、温度补偿模块、科学数据筛选模块、坐标转换运算处理模块、总能量处理模块和粒子鉴别处理模块，FPGA对原始科学数据进行处理完成粒子鉴别，具体过程为：

2.1)台基扣除模块用于进行本地噪声去除；

具体地，在深空环境中，考虑到温差大、高真空和强辐射等特点，为降低探测器以及电子学电路本底噪声对科学数据精度的影响，台基扣除模块用于对每一路探测通道的原始科学数据进行本底噪声扣除，本底噪声值可以通过地面验证试验得到。

2.2)温度补偿模块用于对温度敏感的探测器通道对应的科学数据进行归一化补偿运算；

即VchN^*＝VchN*A，其中，A为修正因子，VchN为探测器的第N通道对应的科学数据，VchN^*温度补偿值，最后将该补偿值和对应的通道ADC码值进行加减运算，使其达到标准温度20℃时的值，每个通道对应一个补偿公式。

2.3)科学数据筛选模块用于获取能损通道

科学数据筛选模块对补偿处理后的多路科学数据按照设定阈值窗口进行抽取，从第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器的多个通道中分别抽取出ADC码值最大且非饱和通路作为能损通道：ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3，由于对应三个能量探测器，高能粒子事件在每个探测器上都会沉积能损，因此，在每个探测器的输入通道中选出一个“ADC码值最大且非饱和通路”，因此本实施例有三个能损通道；其中，11路探测器输出信号输入到模拟ASIC芯片，该芯片共计32个输入通道，本例只使用其中11路，每个输入通道的量程范围是：-3fC～13pC，当探测器输入信号的电荷量≥13pC时，认为该通道饱和，即满量程，该信号被14位ADC量化后，根据实际测试，饱和值对应ADC码值为12000，由于饱和信号已经超出ASIC的线性测量范围，是无效信号，希望得到在量程范围内的有效信号，而且希望能量越大越好，比如有两个通道，得到的ADC码都在满量程范围内，那么就选ADC码值更大的那个通道，即为“ADC码值最大且非饱和通路”。

2.4)坐标转换运算处理模块用于利用多位乘法器和加法器IP核，对选择出的ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3数据分别进行一次线性坐标转换运算，使对应的通道的ADC码值转换成为能损：ΔE1，ΔE2和ΔE3；

具体地，利用多位乘法器和加法器IP核，对选择出的ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3分别进行一次线性坐标转换运算，使对应的通道的ADC码值转换成为能损：ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃，转换公式为：

ΔE_n＝a_nX_n+b_n

其中，a_n为转换系数，X_n为ΔADCn，b_n为常数项，ΔE_n为转换结果，n取值范围为1、2和3；

2.5)总能量处理模块用于将ΔE和总能量E＝ΔE₁+ΔE₂+ΔE₃进行乘法运算，得到ΔE*E值，由于当粒子依次穿过三块探测器时，第一Si探测器能损很小，可以忽略不计；第二Si探测器能损相比于CsI探测器很小，适合充当ΔE，故本实施例选用ΔE₂代表ΔE进行计算。

2.6)粒子鉴别处理模块根据计算得到的ΔE₂*E值，和预先设定的不同粒子鉴别阈值进行比较，如果总能量值符合对应的阈值范围，则可以确定为该阈值范围对应的粒子，可鉴别的粒子种类有重离子、高能电子、质子以及Alpha粒子，各个粒子的阈值范围为：

重离子：ΔE₂*E>1200；

α粒子：150<ΔE₂*E<＝1200||(ΔE₂*E<＝150&&ΔE₂>＝1)

质子：(20<ΔE₂*E<＝150)||(ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂>1)&&ΔE₂<1

电子：ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂<1&&ΔE₂>0.05；单位为MeV。

2.7)将对应粒子用1字节的码字进行标识，具体如表1所示。

表1

在一个优选的实施例中，为提高可靠性，本实施例的ΔE-E数字化粒子鉴别方法还采取以下措施：

(1)对数据缓存和乘法器进行三模冗余加固(TMR)，三模冗余加固对FPGA内的寄存器进行三备份，如果有其中一个寄存器发生翻转，就可用举手表决(三选二)的方法，依然能够得到正确结果；对阈值、状态寄存器进行检错和纠错(EDAC)，检错纠错即在FPGA内，对存储鉴别阈值的寄存器进行EDAC(Error Detection And Correction)方法，可采用FPGA支持的IP实现，本实施例采用现有IP实现，状态寄存器用于记录在工作过程中出现单粒子翻转次数，鉴别无效次数，鉴别无效指：得到的鉴别结果为任何粒子都不是，这种情况往往是由于在没有粒子事件时，本底噪声高于鉴别阈值造成的误判，还记录重离子事件数，e、p、he粒子的事件数，如果在探测过程出现单粒子翻转事件，则进行记录，连同寄存器纠错结果一并进行打包回传，其中，单粒子翻转是宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区，使器件逻辑状态翻转的现象，例如，一个寄存器中原来存储的为数据1，如果被高能粒子击中，有可能会变成0，如果该寄存器存储的是某个核心控制或状态信号，则会造成系统工作异常甚至奔溃，翻转的寄存器是可以恢复的，恢复方法为重新写入正确数据，刷掉错误值即可。

(2)设计看门狗控制模块，当连续出现多个粒子鉴别错误，或者运行状态异常，则启动看门狗控制模块对FPGA进行复位，看门狗控制模块用于监控FPGA中的所有功能模块，检测量来自于FPGA的状态寄存器的翻转错误计数，如果某模块额阈值翻转错误＞2次以上，看门狗控制模块则控制相应模块进行复位操作。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于深空探测器的ΔE-E数字化粒子鉴别方法，该深空探测器包括第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器，其特征在于包括内容为：

1)获取第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器的能损通道ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3；

2)利用多位乘法器和加法器IP核，对选择出的能损通道ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3数据分别进行线性坐标转换运算，使对应的通道的ADC码值转换成为能损：ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃；

3)将ΔE₂和总能量E＝ΔE₁+ΔE₂+ΔE₃进行乘法运算，得到ΔE₂*E值；

4)根据计算得到的ΔE₂*E值，和预先设定的不同粒子鉴别阈值进行比较，如果总能量值符合对应的阈值范围，则确定为该阈值范围对应的粒子；

5)将对应粒子采用设定字节的码字进行标识。

2.根据权利要求1所述的ΔE-E数字化粒子鉴别方法，其特征在于，ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃的转换公式为：

ΔE_n＝a_nX_n+b_n

其中，a_n为转换系数，X_n为ΔADCn，b_n为常数项，ΔE_n为转换结果，n取值范围为1、2和3。

3.根据权利要求1所述的ΔE-E数字化粒子鉴别方法，其特征在于，可鉴别的粒子种类有重离子、高能电子、质子以及Alpha粒子，各个粒子的阈值范围为：

重离子：ΔE₂*E>1200；

α粒子：150<ΔE₂*E<＝1200||(ΔE₂*E<＝150&&ΔE₂>＝1)

质子：(20<ΔE₂*E<＝150)||(ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂>1)&&ΔE₂<1

电子：ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂<1&&ΔE₂>0.05。

4.根据权利要求1～3任一项所述的ΔE-E数字化粒子鉴别方法，其特征在于，在获取每个探测器的能损通道的之前，还包括进行本地噪声去除和温度补偿的步骤。

5.根据权利要求1～3任一项所述的ΔE-E数字化粒子鉴别方法，其特征在于，对数据缓存和乘法器进行三模冗余加固；对阈值、状态寄存器进行检错和纠错处理。

6.一种应用于深空探测器的ΔE-E数字化粒子鉴别装置，该深空探测器包括第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器，其特征在于，还包括控制装置、模拟ASIC芯片和ADC模块：

所述控制装置用于控制所述模拟ASIC芯片通过所述第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器捕获有效粒子事件信号；所述ADC模块用于将有效粒子事件信号数字化发送到所述控制装置得到多路原始科学数据，所述控制装置对获取的原始科学数据进行处理在轨完成粒子鉴别。

7.根据权利要求6所述的ΔE-E数字化粒子鉴别装置，其特征在于，所述控制装置包括台基扣除模块、温度补偿模块、科学数据筛选模块、坐标转换运算处理模块、总能量处理模块和粒子鉴别处理模块；

所述台基扣除模块用于进行本地噪声去除；

所述温度补偿模块用于对温度敏感的探测器通道对应的科学数据进行归一化补偿；

所述科学数据筛选模块用于获取所述第一Si探测器、第二Si探测器和CsI探测器的能损通道ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3；

所述坐标转换运算处理模块用于利用多位乘法器和加法器IP核，对选择出的ΔADC1、ΔADC2和ΔADC3数据分别进行一次线性坐标转换运算，使对应的通道的ADC码值转换成为能损：ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃；

所述总能量处理模块用于将ΔE₂和总能量E＝ΔE₁+ΔE₂+ΔE₃进行乘法运算，得到ΔE₂*E值；

所述粒子鉴别处理模块根据计算得到的ΔE₂*E值，和预先设定的不同粒子鉴别阈值进行比较，如果总能量值符合对应的阈值范围，则可以确定为该阈值范围对应的粒子。

8.根据权利要求7所述的ΔE-E数字化粒子鉴别装置，其特征在于，所述控制装置还包括看门狗控制模块，当连续出现多个粒子鉴别错误，或者运行状态异常，则启动所述看门狗控制模块对所述控制装置的各模块进行复位操作。

9.根据权利要求7或8所述的ΔE-E数字化粒子鉴别装置，其特征在于，ΔE₁，ΔE₂和ΔE₃的转换公式为：

ΔE_n＝a_nX_n+b_n

其中，a_n为转换系数，X_n为ΔADCn，b_n为常数项，ΔE_n为转换结果，n取值范围为1、2和3。

10.根据权利要求7或8所述的ΔE-E数字化粒子鉴别装置，其特征在于，可鉴别的粒子种类有重离子、高能电子、质子以及Alpha粒子，各个粒子的阈值范围为：

重离子：ΔE₂*E>1200；

α粒子：150<ΔE₂*E<＝1200||(ΔE₂*E<＝150&&ΔE₂>＝1)

质子：(20<ΔE₂*E<＝150)||(ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂>1)&&ΔE₂<1

电子：ΔE₂*E<＝20&&ΔE₂<1&&ΔE₂>0.05。