CN112212855A - 一种应用于x射线脉冲星导航终端的轻小型探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明采用轻小型调制编码光学系统和高集成度X射线像素传感器，设计一种应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，包括机壳以及从上至下依次设置在机壳内的滤光膜、调制编码光学系统、多像素型X射线传感器、优先读出电路和电子学模块，脉冲星辐射出的X射线光子穿过滤光膜后入射到调制编码光学系统进行调制编码，编码后的光子入射到多像素型X射线传感器将光子信号转换到电脉冲信号，优先读出电路将电脉冲信号的三维信息提取完成后传递给电子学模块，电子学模块将光子三维信息收集、打包传递给数据处理系统；采用该装置研制导航终端系统，在实现高信噪比提取光子信号的前提下，可有效降低整个终端载荷的体积重量，易于搭载到各种航天器平台；具有较高的实际应用和推广价值。

Description

一种应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器
技术领域
本发明属于X射线探测技术领域，具体涉及一种应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器。
背景技术
以北斗系统为牵引，分阶段构建亚太及全球覆盖的定位、导航、授时系统(positon-navigation-timing system，PNT)是我国重要的基础设施，从陆地到海洋、从地下到太空，其定位、导航、授时服务涉及日常生活的方方面面，对国民经济发展具有重要意义。2020年，北斗系统将实现覆盖全球的导航定位，这标志着我国将初步建成比较完善的PNT体系。但PNT系统现有技术手段服务的对象主要是地面用户和中低轨航天器，对于深空探测和星际飞行任务无能为力。利用X射线毫秒脉冲星进行航天器自主导航是填补当前PNT系统深空服务空白有效技术途径。与其它深空导航技术相比，X射线脉冲星自主导航，一方面可以将大大减轻地面测控系统的工作负担，减少测控站的数量，另一方面即使在地面测控系统完全瘫痪的恶劣环境下，也能完成航天器的导航，具有非常强自主生存能力。
X射线脉冲星导航是实现真正意义上的航天器高精度自主导航的可行途径，属于航天技术前沿研究领域，具有重要的战略意义。目前我国空间X射线探测技术具有一定的技术基础，但针对应用于X射线脉冲星导航的探测器技术，与美、欧、俄等航天大国相比，在探测灵敏度、轻量化、大面积集成等方面还存在较大差距。聚焦型脉冲星探测器以其本底小、具有大的光学增益等特点广泛用于大型天文望远镜中进行脉冲星探测、黑洞探测及其他致密物体观测。
近年来，随着镜头制备工艺及相关技术的发展，聚焦型光学系统和半导体探测器都得到了长足的发展。但是X射线脉冲星流量非常低，为了缩短观测时间，必须增大探测器的面积，面积增大后会产生体积和重量骤增问题，难以满足实际应用需求。
发明内容
本发明针对现有大面积X射线探测器系统笨重问题，瞄准最终脉冲星导航终端探测需求，提出一种应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，包括机壳以及从上至下依次设置在机壳内的滤光膜、调制编码光学系统、多像素型射线传感器、优先读出电路和电子学模块；
所述滤光膜的一面紧贴到调制编码光学系统的上表面，另一面通过金属压板压紧，多像素X射线传感器设置在调制编码光学系统下表面，优先读出电路与多像素X射线传感器紧贴在一起焊装到PCB板上，电子学模块装配到PCB板上，PCB板固定在机壳的底部。
进一步的，所述滤光膜为矩形，中间为衬底膜，上下两侧为金属膜，材质采用铍膜，膜厚度6-20um。
进一步的，所述滤光膜的面积大于多像素X射线传感器阵列的总面积。
进一步的，所述调制编码光学系统采用微孔器件，通过调节微孔单元的长径比限制探测器的视场角，根据MURA编码序列对微孔通透性进行选择性加工，实现对光子调制编码。
进一步的，所述调制编码光学系统的编码阵列为m×m，为实现大面积集成，可采用阵列拼接模式，其拼接阵列与多像素X射线传感器拼接阵列M×N相同。
进一步的，对微孔通透性进行选择性加工采用MURA的编码实现原理如下：
设存在一个素数L＝4m+1(m＝1，2，3，4…)，MURA的编码矩阵采用以下关系进行构造：
Figure BDA0002671266220000021
Figure BDA0002671266220000022
针对MURA的编码实现方式，其相应的精细平衡采样的实现方式如下：
Figure BDA0002671266220000023
公式(3)给出了基本形式的解码矩阵，其为解码矩阵基阵，其中Aij为编码矩阵。
进一步的，所述优先读出电路用于提取电脉冲信号幅值、到达时间和位置信息并传递给电子学模块，优先读出电路的电路单元阵列与多像素X射线传感器的像素阵列m×m相对应，利用超小寄生电容耦合技术将优先读出电路与多像素X射线传感器耦合为一体，降低探测器体积。
进一步的，所示电子学模块包括配电通信模块、时间采集模块、能量采集模块和地址采集模块组成，配电通信模块给多像素X射线传感器和优先读出电路配电，时间采集模块用于采集光子信号到达时间；能量采集模块采集光子信号的幅值高度，并根据幅值进行能量换算；地址采集模块采集光子信号的到达位置信息。
进一步的，所述多像素X射线传感器设置在距离调制编码光学系统下表面4-6cm处。
进一步的，所述机壳的截面为U型槽结构，机壳内设置有安装支架，安装支架满足滤光膜、调制编码光学系统、多像素X射线传感器、优先读出电路和电子学模块安装需求。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案提出的轻小型探测器，采用轻小型调制编码光学系统和高集成度X射线像素传感器进行设计，实现探测器的轻小型化；结构设计巧妙，体积小，采用该装置研制导航终端系统，在实现高信噪比提取光子信号的前提下，可有效降低整个终端载荷的体积重量，易于搭载到各种航天器平台；且该装置可实现X射线光子三维信息提取，可推广应用到粒子探测技术和整个光波段的单光子探测技术，具有较高的实际应用和推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例所述探测器的外形示意图；
图2为本发明实施例所述探测器的组成结构示意图；
图3为本发明实施例滤光膜结构示意图；
图4为本发明实施例调制编码光学系统的编码图案(M×M)示意图，白色格子表示通孔，黑色格子表示实心；
图5为本发明实施例多像素X射线传感器像素阵列示意图；
图6为本发明实施例电子学模块组成框图示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本方案采用轻小型调制编码光学系统和高集成度X射线像素传感器，构成一种应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，实现探测器的轻小型化。如图1所示，探测器外观呈现平板状，实现高信噪比提取光子信号的前提下，极大降低探测器体积和重量，易于搭载到各种航天器平台。
如图2所示，所述轻小型探测器包括机壳6以及从上至下依次设置在机壳6内的滤光膜1、调制编码光学系统2、多像素型X射线传感器3、优先读出电路4和电子学模块5，所述机壳6的截面为U型槽结构，机壳内设置有安装支架7，灵活的支架7满足滤光膜、调制编码光学系统、多像素X射线传感器、优先读出电路和电子学模块安装需求。
所述滤光膜1的一面紧贴到调制编码光学系统2的上表面，另一面用金属压板8把滤光膜1压紧，多像素X射线传感器3设置在距离调制编码光学系统2下表面4-6cm处，优先读出电路4与多像素X射线传感器3紧贴在一起焊装到PCB板上，电子学模块5装配到PCB板上，PCB板固定到机壳6的底部。
本实施例中，所述滤光膜1用来阻挡低能粒子、紫外光等干扰源，如图3所示，滤光膜1为矩形，中间为衬底膜10，上下两侧为金属膜9，材质采用铍膜，膜厚度6-20um，优选12um，其面积尺寸根据传感器的面积制备，要求滤光膜的面积大于多像素X射线传感器阵列的总面积。
所述调制编码光学系统2是一种微孔器件，具有一定的厚度，通过调节微孔单元的长径比限制探测器的视场角。根据MURA编码序列对微孔通透性进行选择性加工，实现对光子进行调制编码。调制编码光学系统编码阵列为m×m，为实现大面积集成，可采用阵列拼接模式，其拼接阵列与多像素X射线传感器拼接阵列M×N相同，编码阵列图案见示意图4。
其中，对微孔通透性进行选择性加工采用MURA的编码实现原理如下：
假设存在一个素数L＝4m+1(m＝1，2，3，4…)，MURA的编码矩阵采用以下关系进行构造：
Figure BDA0002671266220000041
Figure BDA0002671266220000042
针对MURA的编码实现方式，其相应的精细平衡采样(G解码)的实现方式如下：
Figure BDA0002671266220000043
公式(3)给出的是基本形式的解码矩阵，其为解码矩阵基阵，其中Aij为编码矩阵。
另外，本实施例中，每个多像素X射线传感器3均由m×m个像素构成，像素阵列示意图如图5所示，该传感器将入射到不同像素的X射线光子转换成电脉冲信号，并将信号传递给后端的优先读出电路，通常一个或者多个像素对应一个调制编码光学系统的编码位置。多像素X射线传感器采用M×N阵列拼接模式，实现不同探测面积的集成。
所述优先读出电路4用于提取电脉冲信号幅值、到达时间和位置信息并传递给下个模块，该电路采用事件驱动读出模式工作，电路单元阵列与传感器像素阵列m×m相对应，利用超小寄生电容耦合技术将优先读出电路4与多像素X射线传感器3耦合为一体，降低探测器体积。
具体的，所述优先读出电路包括像素电路、读出电路、地址编码电路、脉冲处理电路、译码电路、DAC及其偏置电路以及读出控制电路：像素电路用于对原始脉冲信号的放大和整形输出；读出电路接收单个像素的时间脉冲信息，并通过快速或门将其整合成所需的击中时间脉冲，同时读出电路中的地址读出模块则用于读取被击中点的位置信息；地址编码电路对输出信号的像素位置进行编码输出；脉冲处理电路位于像素列与像素列之间，接收像素电路输出的信号用于产生高电平有效的标记该次击中时间的脉冲信号；译码电路对地址进行译码寻址，产生对应的行地址和列地址用于行列选信号选择对应像素输出击中点的能量脉冲信息；DAC及其偏置电路为像素单元提供可配置的偏置电流，通过I2C接口串行输入数字信号，以实现对像素电路功能的外部可调；读出控制电路：接收模拟输入信号，并将其配置给相应的DAC用于给像素电路的相应位置提供电压或电流，保证像素中模拟前端电路正常工作，接受来自外界用户的指令，进行测试、屏蔽、全局复位等相关指令。
如图6所示，所示电子学模块5包括配电通信模块、时间采集模块、能量采集模块和地址采集模块组成，配电通信模块给多像素X射线传感器3和优先读出电路4配电，时间采集模块用于采集光子信号到达时间；能量采集模块采集光子信号的幅值高度，并根据幅值进行能量换算；地址采集模块采集光子信号的到达位置信息。
下面结合具体的工作过程对探测器的工作原理进行说明：
脉冲星辐射出的X射线光子穿过滤光膜1后入射到调制编码光学系统2，调制编码光学系统2对光子进行调制编码，编码后的光子入射到多像素型X射线传感器3，多像素型X射线传感器3将光子信号转换到电脉冲信号，优先读出电路4将电脉冲信号的三维信息提取完成后传递给电子学模块5，电子学模块5将光子三维信息收集、打包传递给数据处理系统。
本发明提出的轻小型探测器可以应用于空间X射线源科学观测、X射线脉冲星计时观测、X射线脉冲星导航探测、深空远距离X射线通信接收系统、近地空间超高速飞行器的黑障通信系统等领域，具有广泛的实际应用价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于，包括机壳(6)以及从上至下依次设置在机壳(6)内的滤光膜(1)、调制编码光学系统(2)、多像素型X射线传感器(3)、优先读出电路(4)和电子学模块(5)；
所述滤光膜(1)的一面紧贴到调制编码光学系统(2)的上表面，另一面通过金属压板(8)压紧，多像素X射线传感器(3)设置在调制编码光学系统(2)的下表面一定距离处，优先读出电路(4)与多像素X射线传感器(3)紧贴在一起焊装到一PCB板上，电子学模块(5)装配到PCB板上，PCB板固定在机壳(6)的底部。
2.根据权利要求1所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：所述滤光膜(1)为矩形，材质采用铍膜，膜厚度6-20um。
3.根据权利要求2所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：所述滤光膜(1)的面积大于多像素X射线传感器(3)阵列的总面积。
4.根据权利要求1所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：所述调制编码光学系统(2)采用微孔器件，根据MURA编码序列对微孔通透性进行选择性加工，实现对光子调制编码。
5.根据权利要求4所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：所述调制编码光学系统(2)的编码阵列为m×m，其拼接阵列与多像素X射线传感器拼接阵列M×N相同。
6.根据权利要求4所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：对微孔通透性进行选择性加工采用MURA的编码实现原理如下：
设存在一个素数L＝4m+1(m＝1，2，3，4…)，MURA的编码矩阵采用以下关系进行构造：
Figure FDA0002671266210000011
Figure FDA0002671266210000012
针对MURA的编码实现方式，其相应的精细平衡采样的实现方式如下：
Figure FDA0002671266210000013
公式(3)给出了基本形式的解码矩阵，其为解码矩阵基阵，其中Aij为编码矩阵。
7.根据权利要求1所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：所述优先读出电路(4)的电路单元阵列与多像素X射线传感器的像素阵列m×m相对应。
8.根据权利要求1所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：所示电子学模块(5)包括配电通信模块、时间采集模块、能量采集模块和地址采集模块组成，配电通信模块给多像素X射线传感器(3)和优先读出电路(4)配电，时间采集模块用于采集光子信号到达时间；能量采集模块采集光子信号的幅值高度，并根据幅值进行能量换算；地址采集模块采集光子信号的到达位置信息。
9.根据权利要求1所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：所述多像素X射线传感器(3)设置在距离调制编码光学系统(2)下表面4-6cm处。
10.根据权利要求1所述的应用于X射线脉冲星导航终端的轻小型探测器，其特征在于：所述机壳(6)的截面为U型槽结构，机壳内设置有安装支架(7)。
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