CN110362006A - 应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，该系统包括控制装置根据不同粒子的能量等级进行数据组帧的填充，并根据载荷控制器发送的读取数据指令进行科学数据的传送，其中，数据组帧格式为：1)包头标识段；2)包信息段；3)能谱数据段；4)重离子原始数据段；5)工程参数段；6)触发计数段；7)分频比参数段；8)CRC校验码字段。本发明的数据读出系统可以携带足够的信息量，又能最大限度减少数据的传输量，从而有效解决公用传输带宽资源紧张的问题。

Description

应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统

技术领域

本发明涉及一种应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，涉及空间带电粒子探测技术领域。

背景技术

进入21世纪，人类的深空探测迎来了一个新纪元。类地行星探测一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。我国也于2016年立项，将通过首次发射任务实现类地行星环绕、着陆和巡视，对该深空类地行星进行全球性、综合性的环绕探测。

作为环绕器有效载荷之一的能量粒子探测器，将开展地球和类地行星之间转移轨道以及类地行星近地空间环境特征的探测研究，但是由于深空探测器和地球通信距离过于遥远，通信延时大。环绕器有效载荷数量较多，公用传输带宽资源紧张；这就需要能量粒子探测器具备一种高效的数据读出结构，使得既可以携带足够的信息量，又能最大限度减少数据的传输量，从而有效解决公用传输带宽资源紧张的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够携带足够信息量又能够减少数据传输量的应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，该系统包括：

控制装置根据不同粒子的能量等级进行数据组帧的填充，并根据载荷控制器发送的读取数据指令进行科学数据的传送，其中，数据组帧格式为：

1)包头标识段；

2)包信息段；

3)能谱数据段；

4)重离子原始数据段；

5)工程参数段；

6)触发计数段；

7)分频比参数段；

8)CRC校验码字段。

进一步地，重离子原始数据段为固定长度，用于存放重离子事件的原始科学数据，按照重离子事件数量，分为2种情况：

1)当重离子事件较少，甚至为零，不足以填满该数据段时，重离子原始数据段的剩余的空间全部填充其他粒子事件的原始科学数据；

2)当重离子事件较多，该数据段长度不够时，则采用压缩算法，对一个长达22字节的重离子原始数据只提取6字节数据，在定长的数据段中将事件存储量从23个增加至84个，大大提高了粒子信息的传输量。

进一步地，能谱数据段平均划分为电子能谱段、质子能谱段和α粒子能谱段，每段能谱段划分为18个子段，用于标识同一个粒子不同的能量等级，每个子段为2字节，形成一个16位计数器，用于存放预设固定周期内，对应能量等级的粒子事件数。

进一步地，工程参数段包括关键点温度和控制装置运行参数。

进一步地，触发计数段包括总触发计数、重离子触发计数、其他粒子触发计数和穿透粒子触发计数

进一步地，包信息段包括包类型、包内包含有包计数、时间戳信息

进一步地，该系统还包括：

控制装置发送触发信号到模拟ASIC芯片，模拟ASIC芯片采集各能量探测器的数据，并将其发送到ADC数字化电路模块；

ADC数字化电路模块将采集的各探测器信号进行模数转化后发送到控制装置，得到原始科学数据；

控制装置对原始科学数据依次进行本底噪声扣除和温度补偿；

控制装置基于ΔE-E原理采用数字化方法，对处理过的科学数据进行粒子鉴别，得到范围在0.1～300MeV范围内重离子、电子、质子和α粒子的鉴别结果，并获取对应粒子的能量等级。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的数据组帧格式具备包计数、包类型、时间戳以及CRC校验码等，便于地面应用系统验证数据包的连续性和正确性；

2、本发明在能谱数据段直接存储探测器在轨分析结果，分析结果包含粒子类型以及粒子能量范围，粒子类型包含深空中的主要粒子种类，能量范围按照对数坐标进行划分，可以覆盖全量程；通过离线数据解析数据包，可以直接得到粒子类型以及对应粒子的能谱，从而大大减少数据分析工作量，同时还最大限度减少数据的传输量，从而有效解决公用传输带宽资源紧张的问题；

3、本发明根据深空中重离子事件数，灵活安排重离子事件的数据结构(原始结构或压缩结构)：在事件数较少时，可以携带全部重离子事件的原始数据，剩余空间用其他粒子事件进行填充，作为地面的验证数据；当重离子事件较多时，以压缩结构存储尽可能多的重离子事件，提高数据段的利用率；

4、本发明通过总触发计数和分频比，可以推出在本采样周期内(4s)，总共有多少个触发计数，该计数和分频比相除，就可以知道实际的总触发计数，从而可以知道当前空间环境是否处于太阳粒子爆发状态还是普通状态；其次，也可以辅助验证粒子鉴别结果是否正确，如果鉴别计数高于总触发计数，则说明鉴别有误；

综上，本发明的数据读出系统可以携带足够的信息量，又能最大限度减少数据的传输量，从而有效解决公用传输带宽资源紧张的问题。

附图说明

图1为本发明能量粒子探测器硬件系统示意图；

图2为本发明控制装置原理示意图；

图3为本发明数据组帧格式的基本结构；

图4为本发明能量数据段结构；

图5为本发明重离子原始数据段结构(重离子事件较少)；

图6为本发明重离子原始数据段结构(重离子事件较多)；

图7为本发明FIFO_0内部结构以及相关的控制子模块。

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。

如图1所示，本发明提供的应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，包括以下内容：

1、控制装置发送触发信号到模拟ASIC芯片，模拟ASIC芯片采集各能量探测器的数据，并将其发送到ADC数字化电路模块，ADC数字化电路模块将采集的各探测器信号进行模数转化后发送到控制装置，得到原始科学数据；

2、控制装置对原始科学数据依次进行本底噪声扣除和温度补偿；

3、控制装置基于ΔE-E原理采用数字化方法，对经过步骤2处理过的科学数据进行粒子鉴别，得到范围在0.1～300MeV范围内重离子、电子、质子和α粒子的鉴别结果，并获取对应粒子的能量等级；

4、控制装置根据不同粒子的能量等级进行数据组帧的填充，并根据载荷控制器发送的读取数据指令完成科学数据的发送。

在一个优选的实施例中，控制装置可以采用FPGA，包括通信主控制器、触发模块、本底噪声处理模块、温度补偿模块、粒子鉴别及能级判选模块、科学数据填充处理模块和科学数据打包传送模块；

通信主控制器用于控制各模块的工作状态；

触发模块用于对在通信主控制器控制下对模拟ASIC芯片和ADC数字化电路进行有效触发，开始一次事件的处理过程；

本底噪声处理模块用于根据设置各通道的本底噪声数据，对所有通道的信号和对应通道的本底噪声进行相减，有信号的通道则剩下纯信号，没有信号的通道和本底噪声相减，近似为0，得到有用信号，去除噪声信号；

温度补偿模块根据设置的不同温度下对应的补偿值，对获取的模拟ASIC芯片及FPGA温度数据进行对应温度的补偿，如果当前温度低于标准温度，则差值加进原数值，如果高于标准温度，则从原数值中减去该差值；

粒子鉴别及能级判选模块用于对处理过的科学数据进行粒子鉴别，得到范围在0.1～300MeV范围内重离子、电子、质子和α粒子的鉴别结果，并获取对应粒子的能量等级，其中，能量等级根据设计指标要求的能量上限到下限的范围，采用对数坐标，将每种粒子的能级划分为18个能道范围，另外，粒子鉴别方法可以采用现有的各种方法，在此不再赘述。

科学数据填充处理模块用于对不同类型的粒子进行存储，具体地，载荷控制器分配给能量粒子探测器的应答数据带宽仅有1.3kbps，且上传的读科学数据指令周期为4s(以此为例，不限于此，可以根据实际需要进行确定)，因此，当能量粒子探测器接收到读数据指令后，每次只能回传649字节数据；如果鉴别为重离子，由于其稀缺性，则连同鉴别结果以及原始科学数据，缓存至FPGA内的缓存器FIFO_0中的重离子原始数据段；如果鉴别为其他粒子，则直接缓存鉴别结果和能量等级，至FPGA内的FIFO_0中对应的能谱数据段，丢弃原始数据。

如图3所示，科学数据填充处理模块的数据组帧格式设置为：

1)包头标识段；

2)包信息段，具体包括包类型、包内包含有包计数、时间戳等信息；

3)能谱数据段；如图4所示，能谱数据段平均划分为：电子能谱段、质子能谱段和α粒子能谱段，每段划分为18个子段，用于标识同一个粒子不同的能量等级，每个子段为2字节，形成一个16位计数器，用于存放4s固定周期内，对应能量等级的粒子事件数，本探测器主要鉴别4种粒子，分别是重离子、电子(e)、质子(p)和氦离子(α)，其中，前一种粒子只需要鉴别出粒子类型，但需要提供原始或压缩的数据；后三种粒子不但需要鉴别，还需要得知对应的能量等级，在本实施例中，每种粒子的能量等级划分为18个能道，每个能道中设计有一个16位的能道计数器，三种粒子共计54个能道，如果鉴别出是哪种粒子，则对应能道中的计数器+1；

4)重离子原始数据段；

5)工程参数段，包括关键点温度、关键FPGA运行参数，具体的关键点根据实际需要监测的器件进行确定，比如探测器、模拟ASIC芯片或FPGA的温度；

6)触发计数段，包括总触发计数、重离子触发计数、其他粒子触发计数、穿透粒子触发计数；

7)分频比参数段，用于存储在高事例率时，触发模块对于输入触发的分频接收比例参数；

8)CRC校验码字段，CRC校验码即循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check)，是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查(CRC)是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性，本实施例需要进行CRC校验范围如图3所示。

在一个优选的实施例中，如图5所示，重离子原始数据段为固定长度，用于存放重离子事件的原始科学数据，按照重离子事件数量，分为2种情况：

1)当重离子事件较少，甚至为零，不足以填满该数据段时，重离子原始数据段的剩余的空间全部填充其他粒子事件的原始科学数据，地面数据分析人员结合能谱数据段和重离子原始数据段，能够对其他粒子事件进行简要分析，也可以对在轨粒子鉴别算法进行长期跟踪验证；

本实施例探测器有11个探测输入通道(以此为例，不限于此)，每个输入通道用14位ADC数字化后成为2字节数据，每次收到一个有效触发后，会启动一次采集，采集所有通道上的数据，即为22字节的原始数据，这22字节原始数据将根据粒子鉴别结果，存储在FIFO_0对应缓存中，如图7所示。在数据帧中，受限于数据帧的有限空间，重离子原始数据段共计508字节，因此，最多只能存放23个事件的原始数据，当重离子事件超过这个数目时，就需要采用压缩方式，将每个事件由22字节压缩为6字节，从而508字节的空间可以存放最多84个事件，较少和较多的界定为23，当重离子事件少于23个时，就不能补充满508字节的重离子数据段，此时，为了不浪费，剩余空间可以继续存放除重离子外的其他粒子原始事件，其目的可以用来验证在轨鉴别的算法是否正确，而鉴别的结果在“事件对应表”字段中填充，由于重离子事件数未定，则可填充的其他粒子事件数也是变长的，因此在最开始还需要添字段“e/p/he事件数”，以表明在剩余空间中填充了多少完整的其他粒子事件，当刚好满23个重离子事件时，“e/p/he事件数”内容为0。

2)当重离子事件较多，该数据段长度不够时，则科学数据填充处理模块采用压缩算法，对一个长达22字节的重离子原始数据只提取6字节数据(每类探测器只选择一个能量值最大的输入通道，共有3类能量探测器)，在定长的数据段中将事件存储量从23个增加至84个，大大提高了粒子信息的传输量。

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 (7)

1.一种应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，其特征在于，该系统包括：

控制装置根据不同粒子的能量等级进行数据组帧的填充，并根据载荷控制器发送的读取数据指令进行科学数据的传送，其中，数据组帧格式为：

1)包头标识段；

2)包信息段；

3)能谱数据段；

4)重离子原始数据段；

5)工程参数段；

6)触发计数段；

7)分频比参数段；

8)CRC校验码字段。

2.根据权利要求1所述的应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，其特征在于，重离子原始数据段为固定长度，用于存放重离子事件的原始科学数据，按照重离子事件数量，分为2种情况：

1)当重离子事件较少，甚至为零，不足以填满该数据段时，重离子原始数据段的剩余的空间全部填充其他粒子事件的原始科学数据；

2)当重离子事件较多，该数据段长度不够时，则采用压缩算法，对一个长达22字节的重离子原始数据只提取6字节数据，在定长的数据段中将事件存储量从23个增加至84个，大大提高了粒子信息的传输量。

3.根据权利要求1所述的应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，其特征在于，能谱数据段平均划分为电子能谱段、质子能谱段和α粒子能谱段，每段能谱段划分为18个子段，用于标识同一个粒子不同的能量等级，每个子段为2字节，形成一个16位计数器，用于存放预设固定周期内，对应能量等级的粒子事件数。

4.根据权利要求1～3任一项所述的应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，其特征在于，工程参数段包括关键点温度和控制装置运行参数。

5.根据权利要求1～3任一项所述的应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，其特征在于，触发计数段包括总触发计数、重离子触发计数、其他粒子触发计数和穿透粒子触发计数。

6.根据权利要求1～3任一项所述的应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，其特征在于，包信息段包括包类型、包内包含有包计数、时间戳信息。

7.根据权利要求1～3任一项所述的应用于深空能量粒子探测器的数据读出系统，其特征在于，该系统还包括：

控制装置发送触发信号到模拟ASIC芯片，模拟ASIC芯片采集各能量探测器的数据，并将其发送到ADC数字化电路模块；

ADC数字化电路模块将采集的各探测器信号进行模数转化后发送到控制装置，得到原始科学数据；

控制装置对原始科学数据依次进行本底噪声扣除和温度补偿；

控制装置基于ΔE-E原理采用数字化方法，对处理过的科学数据进行粒子鉴别，得到范围在0.1～300MeV范围内重离子、电子、质子和α粒子的鉴别结果，并获取对应粒子的能量等级。