CN110362529A - 一种能量粒子探测器信号处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量粒子探测器信号处理系统及方法，包括：前置放大器模块，将能量粒子探测器输出的电脉冲信号转换成电压再转换成电荷；模拟ASIC芯片，将电荷进行处理输出差分电流信号；调理电路，将模拟ASIC芯片输出的差分电流信号进行电流－电压转换；ADC模块，将调理电路输出的电压信号进行数字化；触发信号产生模块，将能量粒子探测器输出的电脉冲信号进行处理产生触发输出信号；标定模块，进行定期在轨标定；高压场电路，提供使各能量粒子探测器正常工作的偏置高压；DAC模块，用于产生不同幅度的电压信号；核心处理系统实现噪声去除、温度补偿、状态监测、高能粒子种类鉴别及系统在轨标定，并与载荷控制器进行数据通信。

Description

一种能量粒子探测器信号处理系统及方法

技术领域

本发明是关于一种应用于深空环境的能量粒子探测器信号处理系统及方法，涉及空间带电粒子探测技术领域。

背景技术

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。从20世纪90年代至今，国际上以发展新技术和获得科学发现为主要驱动力，催生了类地行星探测的新热潮，并由美国和俄罗斯两国扩展到了日本、欧洲及印度等国家。我国也于2016年正式立项，将首次实现类地行星环绕、着陆和巡视。

作为环绕器有效载荷之一的能量粒子探测器，将在巡视和环绕的过程中对反映空间环境情况的主要包括质子、电子、α粒子和重离子(2<Z≤26)的太阳粒子进行探测。因此，要求能量粒子探测器需要能对质子、电子、α粒子和重离子进行复合探测，即进行粒子种类的鉴别和粒子能量的测量，最终获得各类粒子的能谱。

为了实现多粒子种类的探测，该探测器系统采用了集成探测方案设计。由于被测能量粒子的能量范围很广，能量下限小于80keV，上限大于400MeV，其中，能量下限低于国外同类产品的技术指标。现有的信号处理系统兼顾了小信号测量，就难以同时兼顾大信号测量。要在一个探头上实现对不同种类、不同能量粒子的测量，需要信号处理系统既具有低噪声、高灵敏度；又具有大动态范围。低噪声、高灵敏度的特性，保证了信号处理系统对能量小于80keV的电子信号能正常放大和处理；大动态范围的特性，保证了信号处理系统在处理能量大于400MeV的重离子信号时不会出现饱和现象。

如何保证能量下限的测量覆盖、抑制噪声影响，同时兼顾大信号(10⁴的大动态范围)的测量是能量粒子探测器信号处理系统面临的挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够抑制噪声影响且兼顾大动态范围和高灵敏度测量需求的能量粒子探测器信号处理系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种能量粒子探测器信号处理系统，该系统包括：

前置放大器模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号转换成电压再转换成电荷；

模拟ASIC芯片，用于将所述前置放大器模块输出的电荷进行处理输出差分电流信号；

调理电路，用于将所述模拟ASIC芯片输出的差分电流信号进行电流－电压转换；

ADC模块，用于将所述调理电路输出的电压信号进行数字化；

触发信号产生模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号进行处理产生触发输出信号；

标定模块，用于进行在轨标定；

高压场电路，用于提供使各能量粒子探测器正常工作的偏置高压；

DAC模块，用于产生不同幅度的电压信号发送所述标定模块和高压场电路完成相应电压的配置；

核心处理系统，用于实现上述各器件的控制逻辑和参数设置，并接收所述ADC模块、触发信号产生模块和DAC模块的信号实现噪声去除、温度补偿、状态监测、在轨标定、粒子种类鉴别及能量等级划分，并与载荷控制器进行数据通信。

进一步地，所述核心处理系统包括通信主控制器、复位处理模块、自守时模块、触发判选模块、防闩锁控制模块、运行状态监测模块以及科学数据生成处理模块；

所述通信主控制器用于通过通信接口连接外部载荷控制器并与其进行信号交互，且所述通信主控制器分别与所述复位处理模块、自守时模块、防闩锁控制模块、科学数据生成处理模块、触发判选模块以及运行状态监测模块进行数据交互及状态控制，并对各器件的控制逻辑和参数进行设置；

所述复位处理模块用于接收各硬件和通信主控器的复位指令，进行复位操作；

所述自守时模块用于获取所述通信主控制器发送的时间码，生成时间戳并向所述科学数据生成处理模块提供时间戳信息；同时根据自动标定条件判断自动标定是否启动，若满足自动标定条件，则输出标定使能信号控制所述标定模块进入标定模式；

所述运行状态监测模块用于获取各器件的温度、电流、电压以及各模块产生的工程参数，通过应答遥测轮询指令的方式，回传给载荷控制器；

所述防闩锁模块用于获取所述运行状态监测模块采集到的电流参数，根据所述通信主控制设置的自断电阈值进行判定并对所述模拟ASIC芯片的闩锁现象采取防护措施；

所述触发判选模块用于实时监测所述触发信号产生模块产生的多路触发信号，判选出有效触发信号，对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给所述科学数据生成处理模块；

所述科学数据生成处理模块用于接收所述触发判选模块的有效触发信号，控制所述模拟ASIC芯片和ADC模块，开始一次事件的处理过程：对能量粒子探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除和温度补偿，使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别和能量等级划分，缓存鉴别结果，事件处理结果由所述通信主控制器通过通信接口发送到载荷控制器。

进一步地，本地噪声扣除的具体过程为：通过在轨标定得到本底噪声数据，当有粒子事件时，能量粒子探测器信号经过处理和数字化后，输入到所述核心处理系统，所述科学数据生成处理模块将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，经过扣除后，得到有用信号，去除噪声信号。

进一步地，温度补偿的具体过程为：所述科学数据生成处理模块内存有不同温度下对应的ADC补偿码，通过100Hz的频率从所述运行状态监测模块读取所述模拟ASIC电路的温度以及所述通信主控器的温度数据，通过查表找到对应温度下的补偿值，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，表中的温度参数均来自于地面的环境试验。

进一步地，粒子鉴别采用数字化ΔE-E运算方法进行处理。

进一步地，能量等级划分的具体过程为：将每种能量粒子探测器可鉴别粒子的能量设计量程按照对数坐标分成18个能道，当能量粒子探测器捕获到有效宇宙粒子事件后，通过科学数据生成处理模块设置的数字化ΔE-E算法进行粒子鉴别和挡光片能损补偿，然后经过比较后填入到符合范围的能道中，每个能道设计有一个16位宽的计数器，粒子事件填入一次，则计数器+1，经过一定时间积累，即可得到粒子类型及对应能量的统计分布。

进一步地，所述核心处理系统采用固件FPGA。

第二方面，本发明还提供一种基于所述能量粒子探测器信号处理系统的信号处理方法，包括以下内容：

(1)能量粒子探测器进行加电，核心处理系统进行初始化操作，系统自动进入观测工作模式；

(2)通信主控制器控制核心处理系统的全部功能模块并行工作，同时循环监听外部通信接口，检查是否接收到载荷控制器上传指令，当监测到传送信号命令时，将信号回传给载荷控制器，其中，可接收4类指令，分别为配置指令①、读科学数据指令②、读状态参数指令③和校时指令④：

(3)触发判选模块自复位初始化后，实时监测触发信号产生模块输入的多路触发信号，判选出有效事件触发，然后对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给科学数据生成处理模块；

(4)科学数据生成处理模块接收到有效触发后，控制模拟ASIC芯片和ADC模块，开始一次事件的处理过程：对能量粒子探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除，温度补偿，使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别，挡光片能损补偿，能量等级划分，缓存鉴别结果；当通信主控制器接收到②指令时，通信主控制器读取缓存数据，然后添加校验码、打包，最后通过外部通信接口返回给载荷控制器；

(5)运行状态监测模块自复位初始化后，控制ADC模块循环采样能量粒子探测器硬件模块的温度、电流、电压以及工作状态参数，当收到正确③指令时，通信主控制器读取数据，组成应答指令回传给载荷控制器；

(6)自守时模块自复位初始化后，从0开始计时，向科学数据生成处理模块提供时间戳信息，同时判断自动标定启动时刻，若满足自动标定条件，则输出标定使能信号给标定模块进入标定工作模式，并转入步骤(7)；否则，继续计时；

(7)标定模块接收到自动标定使能信号后，自动切入在轨标定工作模式；

(8)完成标定后，通信主控制器通过DAC模块控制标定模块输出固定幅度的电压脉冲，送入前置放大器模块的测试输入端，同时控制触发判选模块输出固定频率和数量的标定触发信号给科学数据生成处理模块，ADC模块采样在一个固定电压幅度下的原始科学数据，并缓存，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据；

(9)通信主控制器通过DAC模块控制标定模块按步进增加输出电压脉冲信号幅度，然后再次输入到科学数据生成处理模块，同时控制触发判选模块再次输出固定数量的触发信号给科学数据生成处理模块，使其得到另一个固定电压幅度下的原始科学数据并缓存，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据；

(10)通信主控制器按照预先设定的线性标定初始值、步进值和停止值，重复步骤(9)，直到标定模块输出值和停止值相等，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据，线性标定过程结束，结束后，通信主控制器控制标定模块从标定模式恢复到观测工作模式；

(11)能量粒子探测器运行期间，如果模拟ASIC芯片因强辐射而导致发生单粒子闩锁情况，防闩锁模块会根据状态运行参数判定并采取防护措施，解除该芯片的ASIC闩锁状态；

(12)能量粒子探测器运行期间，高压场控制模块根据运行状态参数采集到的多路探测器温度情况经DAC模块配置电压自适应微调高压输出值，从而补偿温度变化造成的数据误差。

进一步地，通信主控制器对四种指令的处理过程为：

当接收到正确①指令时，则控制对应功能模块和硬件完成配置任务，并设置寄存器的寄存配置参数，然后生成应答指令返回给载荷控制器；

当接收到正确②指令时，则从由科学数据生成处理模块填充的寄存器中读取科学数据，然后组成应答科学数据包返回给载荷控制器；

当接收到正确③指令时，则从由运行状态监测模块填充的寄存器中读取运行参数，然后组成状态参数应答包，返回给载荷控制器；

当接收到④指令时，接收星上时间，对本地时间进行一次校正，然后返回执行结果给载荷控制器；当接收到无效或者错误指令，则返回错误标志应答包给载荷控制器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明有效解决大动态范围、高灵敏度的测量需求；

2、本发明采用FPGA作为整个核心处理系统，利用FPGA的固件设计实现系统的控制；实现在轨ΔE-E粒子鉴别方法，可在轨分析原始的科学数据、完成粒子种类鉴别和能量道的划分，从而仅向地面回传必要的数据，解决了数据传输带宽的限制，节约了宝贵的通信资源；实现特色触发判选，将电子、质子、α粒子的通量测量数据和重离子数据回传，完成高计数率下的全带电粒子的能量测量；

综上，本发明能够完成粒子能量下限小于80keV，上限大于400MeV的电荷测量，可以广泛应用于包括电子、质子、α粒子和重离子(Z≤26)的能谱、元素种类和通量的特征及其变化规律的研究。

附图说明

图1为本发明的能量粒子探测器信号处理系统结构框图；

图2为本发明的核心处理系统的原理示意图；

图3为本发明的能量粒子探测器信号处理系统工作流程图。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的能量粒子探测器信号处理系统，包括前置放大器模块、触发信号产生模块、模拟ASIC芯片、调理电路、ADC模块、核心处理系统、标定模块、高压场电路、DAC模块和电源模块。

粒子入射到能量粒子探测器，能量粒子探测器产生电荷量与沉积能量成正比的电脉冲信号，其中，本实施例的能量粒子探测器包括有CsI探测器、Si探测器和反符合探测器。能量粒子探测器中的CsI探测器输出的电脉冲发送到前置放大器模块；能量粒子探测器中的Si探测器输出的电脉冲信号分为两路，一路发送到前置放大器模块，另一路发送到触发信号产生模块。能量粒子探测器中的反符合探测器输出的电脉冲信号发送到触发信号产生模块。

前置放大器模块用于将接收的电脉冲信号进行放大；

模拟ASIC芯片用于进行电荷测量，前置放大器模块输出的通过高精度电容转换的电荷信号，送入模拟ASIC芯片进行放大、成形和保持，最终输出差分电流信号，ASIC芯片的控制逻辑和参数配置通过核心处理系统进行设置。

触发信号产生模块将输入的电压信号，经成形放大、前沿甄别和脉冲整形处理后产生触发信号，并将触发信号发送到核心处理系统进行触发判选。

调理电路用于将模拟ASIC芯片输出的差分电流信号，进行电流－电压转换和放大，并将输出的电压信号发送给ADC模块。

ADC模块用于将调理电路输出的电压信号进行数字化，其中，ADC的所有控制逻辑和参数配置均由核心处理系统进行设置，ADC模块的输出数据通过并行接口输入核心处理系统中。

标定模块用于对进行定期在轨标定，其中，标定模块的具体控制逻辑和参数配置均由核心处理系统进行设置。

高压场电路用于提供使各能量粒子探测器正常工作的偏置高压，其中，高压场电路的控制逻辑和参数配置均由核心处理系统进行设置。

电源模块用于提供系统所需的低压电源，核心处理系统实现对该模块通断的控制逻辑。

DAC模块用于产生不同幅度的电压信号发送所述标定模块和高压场电路完成相应电压配置；核心处理系统实现对DAC模块的控制逻辑和参数配置，并向DAC模块发送数据。

核心处理系统用于接收触发信号产生模块、ADC模块和DAC模块信号，实现触发信号的逻辑判选，对数字化后的数据进行能谱运算，并将运算结果、原始数据以及全部遥测工程参数组成特定格式的应答包后通过RS422下传给载荷控制器。

上述的能量粒子探测器信号处理系统，优选地，如图2所示，核心处理系统可以采用通用FPGA可实现对能量离子探测器输出信号的采集、大量原始科学数据(指的是探测器输出信号经过模拟处理、ADC数字化后，在有效触发的激励下，缓存在FPGA内的未经过任何处理的原始数据，本实施例定义为原始科学数据)的在轨分析与处理；实现了高能粒子种类鉴别，通过回传鉴别结果，极大地压缩了回传数据量，节省了通信带宽；实现了在轨定期自动标定，从而便于地面人员了解能量粒子探测器的性能指标，在轨实时监测探测器及电子学硬件的运行情况，并定时回传温度、电流、以及错误状态等关键状态参数；实现了在轨对探测器温度敏感读出通道的数据进行自适应补偿，以及探测器高压场的电压调节；实现了对专用模拟ASIC芯片的防闩锁保护；实现与载荷控制器之间的数据通信。核心处理系统包括通信主控制器、复位处理模块、自守时模块、防闩锁控制模块、科学数据生成处理模块、触发判选模块以及运行状态监测模块。

通信主控制器用于通过通信接口连接外部的载荷控制器并与其进行信号交互，且通信主控制器分别与复位处理模块、自守时模块、防闩锁控制模块、科学数据生成处理模块、触发判选模块以及运行状态监测模块进行数据交互及状态控制，通信主控制器还可以控制核心处理系统中全部功能模块并行工作。

复位处理模块用于接收各硬件和通信主控器的复位指令，对系统进行复位操作。

自守时模块用于获取通信主控制发送的时间码，生成时间戳并向科学数据生成处理模块提供时间戳信息；同时根据自动标定条件判断自动标定是否启动，若满足自动标定条件，则输出标定使能信号，控制标定模块进入标定模式。自守时模块向标定模块发送轨自动标定的时机，设置30天为一个标定周期。当30天自标定信号由自守时模块产生并提供给标定模块，探测器系统在标定模块控制下自动切换到在轨标定工作模式，标定完成后，标定模块控制整个信号处理系统从标定模式自动恢复到观测工作模式。在轨标定工作模式包括噪声标定和电子学线性标定，噪声标定指的是探测器没有粒子信号输入时，采集得到的本底噪声信号：电子学线性标定指的是科学数据生成处理模块控制标定电路，输出不同幅度的标定电压信号给前置放大器模块，并在每个幅度下进行输出数据采集，这些数据均缓存在FPGA内的寄存器FIFO内，最后打包回传给载荷控制器，地面接收到这些数据后，经过分析和拟合，得到电子学线性指标。

运行状态监测模块用于读取系统中的温度、电流、电压等参数，以及各模块产生的工程参数，通过应答遥测轮询指令的方式，回传给载荷控制器，其中，工程参数包括模拟ASIC芯片的电流；触发判选模块的±15V电压；探测器表面、FPGA表面、ASIC表面等共计各路温度监测。

防闩锁模块用于通过获取运行状态监测模块采集到的电流参数，根据通信主控制设置的自断电阈值进行判定并对模拟ASIC芯片的闩锁现象采取防护措施。该模块实时监测模拟ASIC芯片电路的电流，一旦连续多次监测到电流值超过警戒阈值，则认为已经发生闩锁，该模块会控制硬件电路中的LDO电源，对除FPGA外的全部电路断电一段时间，然后再重新加电，ASIC电路经过重启初始化后，闩锁效应被消除。

触发判选模块用于实时监测触发信号产生模块产生的多路触发输出信号，判选出有效触发信号，然后对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给科学数据生成处理模块，优先级顺序是按照探测器的分类和作用而定，Si探测器产生的触发信号优先级最高，CsI探测器次之，反符合探测器则用于和前面两种探测器产生的触发信号进行符合，以排除“假事件”。同时触发判选模块还自己产生固定频率的触发信号，送给标定模块，启动标定过程，该触发信号称之为标定触发信号。

科学数据生成处理模块用于接收触发判选模块的有效触发信号，控制模拟ASIC芯片、ADC模块，开始一次事件的处理过程：对探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除和温度补偿，在轨标定、使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别和能量等级划分，缓存鉴别结果，事件处理结果由通信主控制器通过通信接口发送到载荷控制器。

具体地，本地噪声扣除的具体过程为：通过在轨标定后得到本底噪声数据，当有粒子事件时，探测器信号经过处理和数字化后，输入到科学数据生成处理模块，在科学数据生成处理模块内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，经过扣除后，得到有用信号，去除噪声信号。

具体地，温度补偿的具体过程为：该过程和高压场控制类似，即经过本地噪声扣除的科学数据输入到科学数据生成处理模块，该模块内存有不同温度下对应的ADC补偿码，通过100Hz的频率从运行状态监测模块读取模拟ASIC电路的温度以及FPGA温度数据，通过查找表，找到对应温度下的补偿值，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，表中的参数均来自于地面的环境试验。

具体地，挡光片能损补偿：在能量粒子探测器信号的输入窗，蒙有很薄的一层金属膜，用于保护内部的Si探测器，但在粒子入射时，会在该金属膜沉积一定的粒子能量。当进行粒子鉴别时，为了准确起见，需要将该部分损失的能量加到当前事例下得到总能量，通过查找表法进行补偿，表内数据通过地面数据计算和束流实验结果相结合得到。

具体地，粒子鉴别可以采用现有的数字化ΔE-E运算方法进行处理，在此不再赘述。

具体地，能量等级划分的具体过程为：将每种探测器可鉴别粒子的能量设计量程按照对数坐标分成18个能道，当能量粒子探测器捕获到有效宇宙粒子事件后，通过FPGA使用数字化ΔE-E算法进行粒子鉴别和挡光片能损补偿，然后经过比较后填入到符合范围的能道中，每个能道设计有一个16位宽的计数器，粒子事件填入一次，则计数器+1，经过一定时间积累，即可得到粒子类型及对应能量的统计分布。

上述的能量粒子探测器信号处理系统，优选地，高压场控制模块用于经DAC模块提供各个探测器正常工作的偏置高压，该模块通过DAC模块，按照4v/s的上升速率，不断向DAC模块输出配置值，直至达到目标值(降压过程反之亦然)。同时，为减小或消除由于温度变化引入的电压误差，高压场控制模块读取探测器当前温度值，利用查找表映射电压差的方式，自适应微调高压输出，使得高压输出误差保持在20℃下的误差值。

如图3所示，本发明的能量粒子探测器信号处理系统工作过程为：

(1)能量粒子探测器进行加电，核心处理系统进行初始化操作，系统自动进入观测工作模式(即系统上电后的默认的常规工作模式，该模式占用系统运行的绝大部分时间)；

(2)通信主控制器接管系统控制权，使能FPGA固件中全部功能模块并行工作，同时循环监听外部通信接口，检查是否接收到载荷控制器上传指令。当监测到传送信号时，启动信号同步化、串行接收、按位校验、串转并、按字节校验、检查指令序列、指令解析、最后执行，并将执行结果通过指令应答方式回传给载荷控制器。该系统可接收4类指令，分别为配置指令①、读科学数据指令②、读状态参数指令③和校时指令④。除①为突发指令外，其余几类指令则按照固定时间顺序，依次由载荷控制器上传给本系统。

当接收到正确①指令时，则控制对应功能模块和硬件完成配置任务，并在FPGA内参数寄存块FIFO_1中寄存配置参数，然后生成应答指令返回给载荷控制器；

当接收到正确②指令时，则从由科学数据生成处理模块填充的寄存器FIFO_0中读取科学数据，然后组成应答科学数据包返回给载荷控制器；

当接收到正确③指令时，则从由运行状态监测模块填充的FIFO_1中读取运行参数，然后组成状态参数应答包，返回给载荷控制器；

当接收到④指令时，接收星上时间，对本地时间进行一次校正，然后返回执行结果给载荷控制器；当接收到无效或者错误指令，则返回错误标志应答包给载荷控制器。

(3)触发判选模块自复位初始化后，实时监测触发信号产生模块输入的多路触发信号，判选出有效事件触发，然后对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给科学数据生成处理模块；

(4)科学数据生成处理模块接收到有效触发后，控制模拟ASIC芯片、ADC模块，开始一次事件的处理过程：对探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除，温度补偿，使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别，挡光片能损补偿，能量等级划分，缓存鉴别结果；当通信主控制器接收到正确②指令时，通信主控制器读取缓存数据，然后添加校验码、打包，最后通过外部通信接口返回给载荷控制器；

(5)运行状态监测模块自复位初始化后，控制ADC模块循环采样探测器、硬件模块的温度、电流、电压，并且将FPGA固件模块产生的运行状态参数一起缓存在对应的寄存器块中，当收到正确③指令时，通信主控制器读取FIFO_1中的数据，组成应答指令回传给载荷控制器；

(6)自守时模块自复位初始化后，从0开始计时，向科学数据生成处理模块提供时间戳信息，同时判断自动标定启动时刻，若满足自动标定条件，则输出标定使能信号给标定模块，使其控制读出电路进入标定工作模式，并转入步骤(7)；否则，继续计时。为了提高时间精度，载荷控制器会定期通过④指令对本地时间进行一次校时。

(7)标定模块接收到自动标定使能信号后，自动切入在轨标定工作模式。在此工作模式下，首先进行本底噪声标定，科学数据生成处理模块启动，对噪声信号进行采样和数字化，并将原始数据送入FIFO_0进行缓存，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据；

(8)完成本底噪声标定后，通信主控制器通过DAC模块控制标定模块输出固定幅度的电压脉冲，送入能量粒子探测器信号处理系统前置放大器模块的测试输入端，同时控制触发判选模块输出固定频率和数量的标定触发信号给科学数据生成处理模块，采样ADC模块在一个固定电压幅度下的原始科学数据，并缓存至FIFO_0中，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据；

(9)通信主控制器通过DAC模块控制标定模块按步进增加输出电压脉冲信号幅度，然后再次输入到科学数据生成处理模块，同时控制触发判选模块再次输出固定数量的触发信号给科学数据生成处理模块，使其得到另一个固定电压幅度下的原始科学数据并缓存至FIFO_0中，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据；

(10)通信主控制器按照预先设定的线性标定初始值、步进值和停止值，重复步骤(9)，直到标定模块输出值和停止值相等，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据，线性标定过程结束，完成对电子学系统进行标定。结束后，通信主控制器控制标定模块从标定模式恢复到观测工作模式。

(11)能量粒子探测器运行期间，如果ASIC电路因强辐射而导致发生单粒子闩锁情况，则会导致ASIC工作异常，并降低其使用寿命，此时，防闩锁模块会根据状态运行参数判定并采取防护措施，解除该芯片的ASIC闩锁状态。

(12)能量粒子探测器运行期间，高压场控制模块根据运行状态参数采集到的多路探测器温度情况经DAC模块配置电压自适应微调高压输出值，从而补偿温度变化造成的数据误差。

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 (9)

1.一种能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，该系统包括：

前置放大器模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号转换成电压再转换成电荷；

模拟ASIC芯片，用于将所述前置放大器模块输出的电荷进行处理输出差分电流信号；

调理电路，用于将所述模拟ASIC芯片输出的差分电流信号进行电流－电压转换；

ADC模块，用于将所述调理电路输出的电压信号进行数字化；

触发信号产生模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号进行处理产生触发输出信号；

标定模块，用于进行在轨标定；

高压场电路，用于提供使各能量粒子探测器正常工作的偏置高压；

DAC模块，用于产生不同幅度的电压信号发送所述标定模块和高压场电路完成相应电压配置；

核心处理系统，用于实现上述各器件的控制逻辑和参数设置，并接收所述ADC模块、触发信号产生模块和DAC模块的信号实现噪声去除、温度补偿、状态监测、在轨标定、粒子种类鉴别及能量等级划分，并与载荷控制器进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，所述核心处理系统包括通信主控制器、复位处理模块、自守时模块、触发判选模块、防闩锁控制模块、运行状态监测模块以及科学数据生成处理模块；

所述通信主控制器用于通过通信接口连接外部载荷控制器并与其进行信号交互，且所述通信主控制器分别与所述复位处理模块、自守时模块、防闩锁控制模块、科学数据生成处理模块、触发判选模块以及运行状态监测模块进行数据交互及状态控制，并对各器件的控制逻辑和参数进行设置；

所述复位处理模块用于接收各硬件和通信主控器的复位指令，进行复位操作；

所述自守时模块用于获取所述通信主控制器发送的时间码，生成时间戳并向所述科学数据生成处理模块提供时间戳信息；同时根据自动标定条件判断自动标定是否启动，若满足自动标定条件，则输出标定使能信号控制所述标定模块进入标定模式；

所述运行状态监测模块用于获取各器件的温度、电流、电压以及各模块产生的工程参数，通过应答遥测轮询指令的方式，回传给载荷控制器；

所述防闩锁模块用于获取所述运行状态监测模块采集到的电流参数，根据所述通信主控制设置的自断电阈值进行判定并对所述模拟ASIC芯片的闩锁现象采取防护措施；

所述触发判选模块用于实时监测所述触发信号产生模块产生的多路触发信号，判选出有效触发信号，对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给所述科学数据生成处理模块；

所述科学数据生成处理模块用于接收所述触发判选模块的有效触发信号，控制所述模拟ASIC芯片、ADC模块，开始一次事件的处理过程：对能量粒子探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除和温度补偿，使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别和能量等级划分，缓存鉴别结果，事件处理结果由所述通信主控制器通过通信接口发送到载荷控制器。

3.根据权利要求2所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，本地噪声扣除的具体过程为：通过在轨标定得到本底噪声数据，当有粒子事件时，能量粒子探测器信号经过处理和数字化后，输入到所述核心处理系统，所述科学数据生成处理模块将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，经过扣除后，得到有用信号，去除噪声信号。

4.根据权利要求2所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，温度补偿的具体过程为：所述科学数据生成处理模块内存有不同温度下对应的ADC补偿码，通过100Hz的频率从所述运行状态监测模块读取所述模拟ASIC电路的温度以及所述通信主控器的温度数据，通过查表找到对应温度下的补偿值，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，表中的温度参数均来自于地面的环境试验。

5.根据权利要求2所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，粒子鉴别采用数字化ΔE-E运算方法进行处理。

6.根据权利要求2所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，能量等级划分的具体过程为：将每种能量粒子探测器可鉴别粒子的能量设计量程按照对数坐标分成18个能道，当能量粒子探测器捕获到有效宇宙粒子事件后，通过科学数据生成处理模块设置的数字化ΔE-E算法进行粒子鉴别和挡光片能损补偿，然后经过比较后填入到符合范围的能道中，每个能道设计有一个16位宽的计数器，粒子事件填入一次，则计数器+1，经过一定时间积累，即可得到粒子类型及对应能量的统计分布。

7.根据权利要求2～6任一项所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，所述核心处理系统采用固件FPGA。

8.一种基于权利要求2～7任一项所述能量粒子探测器信号处理系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下内容：

(1)能量粒子探测器进行加电，核心处理系统进行初始化操作，系统自动进入观测工作模式；

(2)通信主控制器控制核心处理系统的全部功能模块并行工作，同时循环监听外部通信接口，检查是否接收到载荷控制器上传指令，当监测到传送信号命令时，将信号回传给载荷控制器，其中，可接收4类指令，分别为配置指令①、读科学数据指令②、读状态参数指令③和校时指令④：

(3)触发判选模块自复位初始化后，实时监测触发信号产生模块输入的多路触发信号，判选出有效事件触发，然后对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给科学数据生成处理模块；

(4)科学数据生成处理模块接收到有效触发后，控制模拟ASIC芯片、ADC模块，开始一次事件的处理过程：对能量粒子探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除，温度补偿，使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别，挡光片能损补偿，能量等级划分，缓存鉴别结果；当通信主控制器接收到②指令时，通信主控制器读取缓存数据，然后添加校验码、打包，最后通过外部通信接口返回给载荷控制器；

(5)运行状态监测模块自复位初始化后，控制ADC模块循环采样能量粒子探测器硬件模块的温度、电流、电压以及工作状态参数，当收到正确③指令时，通信主控制器读取数据，组成应答指令回传给载荷控制器；

(6)自守时模块自复位初始化后，从0开始计时，向科学数据生成处理模块提供时间戳信息，同时判断自动标定启动时刻，若满足自动标定条件，则输出标定使能信号给标定模块进入标定工作模式，并转入步骤(7)；否则，继续计时；

(7)标定模块接收到自动标定使能信号后，自动切入在轨标定工作模式；

(8)完成标定后，通信主控制器通过DAC模块控制标定模块输出固定幅度的电压脉冲，送入前置放大器模块的测试输入端，同时控制触发判选模块输出固定频率和数量的标定触发信号给科学数据生成处理模块，ADC模块采样在一个固定电压幅度下的原始科学数据，并缓存，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据；

(9)通信主控制器通过DAC模块控制标定模块按步进增加输出电压脉冲信号幅度，然后再次输入到科学数据生成处理模块，同时控制触发判选模块再次输出固定数量的触发信号给科学数据生成处理模块，使其得到另一个固定电压幅度下的原始科学数据并缓存，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据；

(10)通信主控制器按照预先设定的线性标定初始值、步进值和停止值，重复步骤(9)，直到标定模块输出值和停止值相等，载荷控制器通过②指令定时读走缓存数据，线性标定过程结束，结束后，通信主控制器控制标定模块从标定模式恢复到观测工作模式；

(11)能量粒子探测器运行期间，如果模拟ASIC芯片因强辐射而导致发生单粒子闩锁情况，防闩锁模块会根据状态运行参数判定并采取防护措施，解除该芯片的ASIC闩锁状态；

(12)能量粒子探测器运行期间，高压场控制模块根据运行状态参数采集到的多路探测器温度情况经DAC模块配置电压自适应微调高压输出值，从而补偿温度变化造成的数据误差。

9.根据权利要求8所述的信号处理方法，其特征在于，通信主控制器对四种指令的处理过程为：

当接收到正确①指令时，则控制对应功能模块和硬件完成配置任务，并设置寄存器的寄存配置参数，然后生成应答指令返回给载荷控制器；

当接收到正确②指令时，则从由科学数据生成处理模块填充的寄存器中读取科学数据，然后组成应答科学数据包返回给载荷控制器；

当接收到正确③指令时，则从由运行状态监测模块填充的寄存器中读取运行参数，然后组成状态参数应答包，返回给载荷控制器；

当接收到④指令时，接收星上时间，对本地时间进行一次校正，然后返回执行结果给载荷控制器；当接收到无效或者错误指令，则返回错误标志应答包给载荷控制器。