CN111221026B - 一种中性原子成像单元信号分析方法 - Google Patents

一种中性原子成像单元信号分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种中性原子成像单元信号分析方法，该方法包括：提供一中性原子成像单元，中性原子成像单元包括半导体探测器阵列以及间隔设置在探测器阵列前方的调制栅格；提供一中性原子源平面，中性原子源平面发出的能量中性原子经调制栅格后由探测器阵列接收，调制栅格在探测器阵列上形成投影；根据投影，获得探测器响应函数；计算中性原子成像单元所获得的数据信号；根据探测器响应函数以及数据信号，对中性原子发射源进行反演成像。该方法能够根据探测器获得的中性原子信息，例如中性原子在不同条带的计数等对中性原子发射源进行很好的反演，从而对中性原子发射源进行成像，获得中性原子发射源的强度和大小等。本发明的上述方法易于执行，反演结果准确。

Description

一种中性原子成像单元信号分析方法
技术领域
本申请涉及中性原子成像领域，具体涉及一种中性原子成像单元信号分析方法。
背景技术
整体观察和全球成像己成为有希望解决地球空间物理问题的重要的发展途径之一。由于环电流离子与地冕热粒子成分的电荷交换过程中会产生能量中性原子(ENA)，而ENA不受磁场束缚，可沿直线以最初的能量离子的速度离开源区。因此遥测ENA成像也为区分空间等离子体的时间和空间变化提供了新的机会。
由于现在低能的ENA探测器大多都是利用通道倍增器和微通道板加衍射过滤器做成的，而这些ENA探测器依然受到紫外辐射的严重影响，几乎没有得到有科学价值的近地空间低能ENA探测结果。
本申请的发明人在对中性原子成像进行研究的过程中，提出了采用半导体探测器阵列以及调制栅格组成的成像单元对中性原子进行探测，该成像单元可以不受紫外辐射的影响，得到更加精确的探测结果。但是对探测结果的分析仍然是以技术难题。急需一种能够有效分析成像单元的探测结果的分析方法。
发明内容
为了解决现有技术中ENA成像的上述问题，本发明提供一种中性原子成像单元信号分析方法，该方法能够根据探测器探测到的粒子信息，准确地获取中性原子发射源的信息。
根据本发明，提供一种中性原子成像单元信号分析方法，该方法包括以下步骤：
提供一中性原子成像单元，所述中性原子成像单元包括半导体探测器阵列以及间隔设置在所述半导体探测器阵列前方的调制栅格；
提供一中性原子源平面，中性原子平面发出的能量中性原子经所述调制栅格后由所述半导体探测器阵列接收，所述调制栅格在所述半导体探测器阵列上形成投影；根据所述投影，获得探测器响应函数；
计算所述中性原子成像单元所获得的数据信号；
根据所述探测器响应函数以及所述数据信号，对中性原子发射源进行成像。
可选地，提供一中性原子源平面还包括：
将所述中性原子源平面从-90°到90°划分成361份中性原子源，将每一份中性原子源作为一个角度中性原子源；
将由所述中性原子成像单元接收到的第j个角度中性原子源发出的中性原子与所述平面中性原子源的法线之间的夹角记为θj。
可选地，还包括将由所述中性原子成像单元接收到的第j个所述角度中性原子源发出的中性原子束视为平行中性原子束。
可选地，根据所述投影，获得探测器响应函数还包括以下步骤：
计算所述调制栅格在所述探测器阵列上的投影长度；
对所述投影长度进行归一化。
可选地，计算所述调制栅格在所述探测器阵列上的投影长度还包括以下步骤：
将所述调制栅格的栅格条纹进行编号，自左至右依次为1，2，……，i，……；
计算所述半导体探测器阵列中每一个探测器条带上所述调制栅格的每一个栅格条纹的投影长度lij。
可选地，对所述投影长度进行归一化，还包括以下步骤：
用所述探测器条带的宽度wstrip对所述探测器条带上的所述投影长度进行归一化，得到第i个栅格条纹在第j个角度中性原子源的中性原子束入射下在所述半导体探测器条带上的投影长度矩阵：Mij＝lijcos(θj)/wstrip；
根据所述投影长度矩阵得出探测器/栅格相应函数：M＝(Mij)。
可选地，该方法还包括：
对所述探测器阵列中的每一个探测器进行快速傅里叶变换。
可选地，计算所述中性原子成像单元所获得的数据信号还包括：
对自所述中性原子源平面发出的所述中性原子进行直线追踪正向投影；
计算由所述半导体探测器阵列的第i个探测器条带探测到的来自所述中性原子源平面的粒子的概率图：
Figure GDA0003216637780000021
根据所述概率图随机生成所述中性原子发射源到达所述半导体探测器阵列的粒子。
可选地，根据所述探测器响应函数以及所述数据信号，对中性原子发射源进行成像还包括：
对于到达第i个所述探测器条带上的每个粒子，利用矩阵m得到所述光源平面上的概率图；
将所述半导体探测器阵列探测到的所有粒子的概率求和，得到背向投影的源分布，其中矩阵m为用于背向投影的概率矩阵，并且m＝(mij)。
可选地，计算所述中性原子成像单元所获得的数据信号还包括：采用Geant模拟方法获得每个探测器条带探测到的粒子数量。
可选地，根据所述探测器响应函数以及所述数据信号，对中性原子发射源进行成像：对所述半导体探测器阵列探测到的所有粒子的概率图求和，获得背向投影的源分布。
可选地，所述半导体探测器阵列中探测器条带数介于256条，所述探测器条带宽介于0.1mm～0.4mm，长度介于25mm～25mm，相邻所述探测器条带之间的间距介于0.02mm～0.05mm。
可选地，所述半导体探测器阵列中探测器条带数为256条，所述探测器条带宽为0.4mm，长度为20mm，相邻所述探测器条带之间的间距为0.05mm。
可选地，所述调制栅格的条纹间距在0.9mm～7.2mm范围内递增或者递减形成周期排列，所述调制栅格包括2个条纹周期。
可选地，所述半导体探测器阵列与所述调制栅格之间的间距为10mm～15mm。
如上所述，本发明的中性原子成像单元信号分析方法具有如下技术效果：能够根据探测器获得的中性原子信息，例如中性原子的个数等对中性原子发射源进行很好的反演，从而对中性原子发射源进行成像，获得中性原子发射源的强度和大小等。本发明的上述方法易于执行，反演结果准确。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明的中性原子成像单元信号分析方法的流程示意图。
图2显示为中性原子成像单元成像过程模拟示意图。
图3显示为图1所示的调制栅格的结构示意图。
图4a和图4b显示为算例1对应的物理空间(左侧)和频率空间(右侧)的响应函数。
图5a和图5b显示为算例1不同角度的7个点源(左)和不同角度点源(右)的背向投影结果。
图6显示为算例1的7个点源的背向投影结果。
图7显示为栅格厚度为0.0mm(理想情形)时，7个点源的背向投影结果。
图8a至图8d显示为栅格厚度为0.4、0.3、0.2和0.1mm时，7个点源的背向投影结果。
附图标记
100 中性原子成像单元
101 调制栅格
102 半导体探测器阵列
200 中性原子源平面
201 第一角度中性原子源
2010 第一角度中性原子源发出的中性原子束
202 第i角度中性原子源
2020 第i角度中性原子源发出的中性原子
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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。
实施例一
本实施例提供一种中性原子成像单元信号分析方法，如图1所示，上述中性原子成像单元信号分析方法包括如下步骤：
S101：提供一中性原子成像单元，所述中性原子成像单元包括半导体探测器阵列以及间隔设置在所述探测器阵列前方的调制栅格；本申请所采用的中性原子成像单元可以采用申请号为2018115484208的中国专利申请中所述的中性原子成像单元，作为参考，将该专利申请的内容包含于本申请中。
如图2所示，示意性示出了中性原子成像单元的成像过程的模拟示意图。其中中性原子成像单元100包括调制栅格101以及设置在调制栅格后方的半导体探测器阵列102。图3示出了其中的调制栅格的结构示意图，该调制栅格101由若干个板条形成狭缝，即栅格条纹。具体地，调制栅格101的具体参数如下表1所示。半导体探测器102阵列包括多个半导体探测器条带，本发明中半导体探测器阵列的具体参数同样如下表1所示。如图3所示，若干栅格条纹的条纹间距在0.9mm～7.2mm之间递增，并且呈周期排列，如图3所示，本发明所采用的调制栅格101包括两个栅格条纹周期，其中的栅格条纹从左到右编号为1，2，3，……，i，……。
表1调制栅格和半导体探测器阵列的参数列表
Figure GDA0003216637780000051
S102：提供一中性原子源平面，中性原子平面发出的能量中性原子经所述调制栅格后由所述半导体探测器阵列接收，所述调制栅格在所述半导体探测器阵列上形成投影；
S103：根据所述投影，获得探测器响应函数；
为了计算探测器、栅格组合的系统响应函数，在本实施例中，将中性原子源平面从-90°到90°划分成361份，每份的角宽度为0.5°。对于每个中性原子源角度j，将由所述中性原子成像单元接收到的第j个角度中性原子光源发出的中性原子束光与所述平面中性原子光源平面的法线之间的夹角记为θj，并且将同一个中性原子源发射的中性原子束视为平行中性原子束。然后计算每个探测器条带上每个栅格条纹i的相应投影长度。该角度中性原子源的观察区域等于投影长度lij乘以cos(θj)(等效面积)并用探测器条带宽度wstrip归一化：
Mij＝lijcos(θj)/wstrip (1)
因此，矩阵M＝(Mij)给出了探测器、栅格组合的系统响应函数；形式上讲，对于源S，我们可以根据D＝M·S得到探测器响应，其中，S是源平面361个角度划分范围分别对应的中性原子强度，是一个矢量；M是响应函数矩阵；D是探测器应该探测到的中性原子计数。
在本实施例的优选实施例中，还研究了上述响应函数在空间频率的性质。为了研究响应函数在空间频率的性质，在本发明中模仿Hurford等人(2002)的如下方程(2)，即：
Λ(Φ)＝T(1+a1cos(Φ-Ψ1)+a2cos(2(Φ-Ψ2))+…+aicos(3(Φ-Ψi))+…)(2)
该方程(2)是整个系统响应函数在以不同空间频率展开的表达式，也即对响应函数作空间傅里叶变换操作的数学描述，ai是不同频率对应的幅度，Ф代表空间角度，Ψi是不同频率对应的相位。
对于每个探测器，对每一行进行FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)变换，并保持空间周期小于角度分辨率最高(2.5°)的十倍25°。
本实施例对栅格厚度选为0.2mm，半导体探测器长比栅格内侧长度短0.02mm的中性原子成像单元进行响应函数的计算。
如图4a和4b所示，两组格栅周期完全被探测器覆盖，并且从角分辨率到数十角分辨率的空间周期可以很好地被不同探测器条带所记录反应。
S104：计算所述中性原子成像单元所获得的数据信号；
S105：根据所述探测器响应函数以及所述中性原子成像单元观测到的数据信号，对中性原子发射源进行成像。
在本实施例的一优选实施例中，采用直线追踪方法获得中性原子成像单元的数据信号。在该优选实施例中，将中性原子发射源平面从-30°分割成30个25个小格，每格的角宽度为2.5°。对于每个角度源j，在栅格顶部平面随机排列1000万个满足均匀分布的粒子，并将每个粒子轨道作为直线跟踪到探测器平面。如果一个粒子可以到达第i个探测器条带，那么矩阵
Figure GDA0003216637780000061
的(i，j)元素加1，然后我们利用
Figure GDA0003216637780000062
来计算指定源S的探测器响应。然后将探测器响应归一化为1以得到粒子到达每个探测器条带的概率，如下式所示：
Figure GDA0003216637780000071
m＝(mij)是用于背向投影的概率矩阵。
对于反向投影，根据上述概率图随机生成中性原子发射源(作为检验的未知源)到达半导体探测器某一条带的粒子。对于到达某一条带的每个粒子，我们可以利用矩阵m得到源平面上的概率图。在本实施例中，考虑不同计数(1，3，10，30，100，1000，5000，10000，50000)，并将所有探测到的粒子的概率图求和，得到背向投影的源分布。模拟结果中的图通过每个背向投影源分布之和来归一化，以便可以比较不同情况下的结果。
在本实施例的另一优选实施例中，使用Geant4来模拟探测器、栅格组合的系统响应。此时，假设粒子种类是20keV的H原子，并考虑不同入射角度。每次运行使用一百万个粒子。然后，每个探测器条带接收的粒子数量直接用于反向投影计算。直接利用每个探测器条带探测到的粒子数量，对所有探测到的粒子求其概率和，得到背向投影的源分布。模拟结果中的图也通过每个投影源分布总和来归一化。
图5a和图5b显示了中心和不同角度点源的背向投影结果。这里点源具有成像器角分辨率(2.5°)的空间分布。可以看出，该源可以被很好地重建，旁瓣强度与主瓣相比可以忽略。图6是7个点源(-30°，-20°，-10°，0°，10°，20°，30°)的背向投影结果。7个来源可以很好地分开。图7给出了栅格厚度为0.0mm(理想情形)时7个点源的反演结果。可以看出，在视场范围(±22.5°)内，7个点源的强度基本相同，可以被很好的反演得到。
在本实施例的优选实施例中，还考虑了栅格厚度对反演结果的影响，对包括不同厚度的调制栅格的中性原子成像单元进行反演。例如该优选实施例对栅格厚度分别为0.0mm(理想情形)、0.4mm、0.3mm、0.2mm和0.1mm的中性原子成像单元进行了反演计算，结果如图8a至图8d所示。由图可见，0.1mm(较好)或者0.2mm(效果相对较差)是合理的栅格厚度选择。
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，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (15)

1.一种中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一中性原子成像单元，所述中性原子成像单元包括半导体探测器阵列以及间隔设置在所述半导体探测器阵列前方的调制栅格；
提供一中性原子源平面，中性原子平面发出的能量中性原子经所述调制栅格后由所述半导体探测器阵列接收，所述调制栅格在所述半导体探测器阵列上形成投影；
根据所述投影，获得探测器响应函数；
计算所述中性原子成像单元所获得的数据信号；
根据所述探测器响应函数以及所述数据信号，对中性原子发射源进行成像。
2.根据权利要求1所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，提供一中性原子源平面还包括：
将所述中性原子源平面从-90°到90°划分成361份中性原子源，将每一份中性原子源作为一个角度中性原子源；
将由所述中性原子成像单元接收到的第j个角度中性原子源发出的中性原子束与所述中性原子源平面的法线之间的夹角记为θj。
3.根据权利要求2所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，还包括将由所述中性原子成像单元接收到的第j个所述角度中性原子源发出的中性原子束视为平行中性原子束。
4.根据权利要求2所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，根据所述投影，获得探测器响应函数还包括以下步骤：
计算所述调制栅格在所述探测器阵列上的投影长度；
对所述投影长度进行归一化。
5.根据权利要求4所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，计算所述调制栅格在所述探测器阵列上的投影长度还包括以下步骤：
将所述调制栅格的栅格条纹进行编号，自左至右依次为1，2，……，i，……；
计算所述半导体探测器阵列中每一个探测器条带上所述调制栅格的每一个栅格条纹的投影长度lij。
6.根据权利要求5所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，对所述投影长度进行归一化，还包括以下步骤：
用所述半导体探测器条带的宽度wstrip对所述半导体探测器条带上的所述投影长度进行归一化，得到第i个栅格条纹在第j个角度中性原子源的中性原子束的入射下在所述半导体探测器条带上的投影长度矩阵：Mij＝lijcos(θj)/wstrip；
根据所述投影长度矩阵得出探测器、栅格组合的系统响应函数，所述系统响应函数由响应函数矩阵M表示：M＝(Mij)。
7.根据权利要求1所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，还包括：
对所述半导体探测器阵列中的每一个半导体探测器进行快速傅里叶变换。
8.根据权利要求6所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，计算所述中性原子成像单元所获得的数据信号还包括：
对自所述中性原子源平面发出的所述中性原子进行直线追踪正向投影；
计算由所述半导体探测器阵列的第i个探测器条带探测到的来自所述中性原子源平面的粒子的概率：
Figure FDA0003216637770000021
根据所述概率随机生成所述中性原子发射源到达所述半导体探测器阵列的粒子。
9.根据权利要求8所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，根据所述探测器响应函数以及所述数据信号，对中性原子发射源进行成像还包括：
对于到达第i个所述半导体探测器条带上的所有粒子，利用矩阵m得到所述中性原子发射源的概率图；
将所述半导体探测器阵列探测到的所有粒子的概率求和，得到背向投影的所述中性原子发射源分布，其中矩阵m为用于背向投影的概率矩阵，并且m＝(mij)。
10.根据权利要求1所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，计算所述中性原子成像单元所获得的数据信号还包括：采用Geant模拟方法获得每个探测器条带探测到的粒子数量。
11.根据权利要求10所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，根据所述探测器响应函数以及所述数据信号，对中性原子发射源进行成像还包括：对所述半导体探测器阵列探测到的所有粒子的概率图求和，获得背向投影的源分布。
12.根据权利要求1所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，所述半导体探测器阵列中探测器条带数为256条，所述探测器条带宽介于0.1mm～0.4mm，长度介于25mm～25mm，相邻所述探测器条带之间的间距介于0.02mm～0.05mm。
13.根据权利要求1所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，所述半导体探测器阵列中探测器条带数为256条，所述探测器条带宽为0.4mm，长度为20mm，相邻所述探测器条带之间的间距为0.05mm。
14.根据权利要求1所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，所述调制栅格的条纹间距在0.9mm～7.2mm范围内递增或者递减形成周期排列，所述调制栅格包括2～8个条纹周期。
15.根据权利要求1所述的中性原子成像单元信号分析方法，其特征在于，所述半导体探测器阵列与所述调制栅格之间的间距介于10mm～15mm。
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