CN112751620A - 不同能量负载信号的x射线信号接收方法及装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供不同能量负载信号的X射线信号接收方法及装置和系统。所述接收方法，包括：确定N个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息，N为大于0的整数；基于N个能量段的X射线穿过N个X射线信号接收模块的屏蔽层后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵；接收来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，得到N个接收模块输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵；基于所述N*N权重因子矩阵和所述1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号。

Description

不同能量负载信号的X射线信号接收方法及装置和系统
技术领域
本申请涉及X射线通信领域，尤其涉及不同能量负载信号的X射线信号接收方法及装置和系统。
背景技术
X射线通信是一种以X射线作为载波进行信息传输的通信方式，由于X射线在真空环境中传输没有物理衰减，频率比射频高出几个数量级，因此其理论通信系统带宽可达40000Tbit/s。X射线通信技术最早由美国宇航局NASA戈达德空间飞行中心的KeithGendreau博士于2007年提出，并在NASA的一个600米真空传输管道中初步验证了其可行性。此外，中国科学院西安光学精密机械研究所赵宝升团队提出一种栅控X射线源，实现了优于20kbit/s的基于语音信号调制的X射线通信。
目前，X射线通信系统均基于强度调制/直接检测原理，即将二元数字信号加载于X射线脉冲序列上进行发射，接收端利用X射线探测器接收信号并通过判断单位时间内X射线脉冲有无来获得加载在射线脉冲序列上的信息。可以看出，当前的X射线通信方式都是利用X射线束的强度信息进行信息传递，无法发挥X射线通信频谱宽的优势，极大的限制了X射线通信速率的提升。想要充分利用X射线作为通信载波的优势，就需要充分利用X射线宽频谱的优势，将待传递信号分多路加载到X射线的不同能量上发射，同时在接收端通过探测器区分不同能量的X射线脉冲实现信息提取与解调。
目前已有的X射线通信系统的接收端方案中，都是基于强度调制/直接检测的原理进行信号接收，能量响应范围内的所有X射线会被探测器认为是同一信号，无法实现对不同能量X射线的区分。
发明内容
本申请实施例提供一种不同能量负载信号的X射线信号接收方法，包括：确定N个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息，N为大于0的整数；基于N个能量段的X射线穿过N个X射线信号接收模块的屏蔽层后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵；接收来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，得到N个接收模块输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵；基于所述N*N权重因子矩阵和所述1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号。
根据一些实施例，所述确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息之前，还包括：确定X射线通信所使用的X射线的能量范围；基于所述X射线的能量范围，将X射线划分为N个能量段。
根据一些实施例，所述确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息，包括：确定N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层后的透射系数。
根据一些实施例，所述基于N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵，包括：基于所述透射系数，确定N个能量段在各个接收模块下的权重因子；基于所述N个能量段在各个接收模块下的权重因子，确定接收模块的N个输出通道的权重因子矩阵。
6、根据一些实施例，所述基于所述N*N权重因子矩阵和所述1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号，包括：确定所述N*N权重因子矩阵的逆矩阵；基于所述N*N权重因子矩阵的逆矩阵和所述1*N信号强度矩阵，确定这一时隙内每个能量段所传输的信号强度；将所述每个能量段所传输的信号强度归一化处理，得到归一化信号强度；对所述归一化信号强度进行信号判决，得到这一时隙内每个能量段所传输的信号。
本申请实施例还提供一种不同能量负载信号的X射线信号接收装置，包括N个X射线信号接收模块和通信信号处理器，所述N个X射线信号接收模块布置于同一平面内，接收来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，所述X射线信号接收模块包括屏蔽层，所述屏蔽层用于屏蔽所述X射线；所述通信信号处理器用于确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息，基于N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵，基于来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，得到N个接收模块输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵，基于所述N*N权重因子矩阵和所述1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号。
根据一些实施例，所述X射线信号接收模块还包括X射线探测器和前置信号处理电路，所述X射线探测器用于接收来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线；所述前置信号处理电路用于进行X射线的信号放大、整形和获取X射线信号强度。
根据一些实施例，所述N个接收模块的X射线探测器对X射线的探测效率相同，所述N个X射线信号接收模块的屏蔽层为长方体，各所述屏蔽层的长度和宽度相同，厚度各不相同。
根据一些实施例，所述前置信号处理电路包括前放电路、滤波电路和脉冲高度判决电路，所述前放电路用于进行X射线的信号放大；所述滤波电路用于进行X射线的整形；所述脉冲高度判决电路用于获取X射线信号强度。
本申请实施例还提供一种不同能量负载信号的X射线信号接收系统，包括如上所述的不同能量负载信号的X射线信号接收装置。
本申请提供的技术方案，能够实现不同能量负载信号的X射线的接收和区分，可以实现多路X射线信号同时发射与接收，增大了X射线通信信道容量，从而提高X射线通信的通信速度。并且能够快速区分不同能量的X射线信号，可以滤除目标能量之外的X射线本底噪声，达到减小信号噪声的效果，提高信噪比，降低误码率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，这些附图仅仅展示了本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施方案。
图1是本申请实施例提供的一种不同能量负载信号的X射线信号接收方法的流程示意图。
图2是本申请实施例提供的一种不同能量负载信号的X射线信号接收装置的功能框图。
图3是本申请实施例提供的一种X射线信号接收模块的功能框图。
图4是本申请实施例提供的一种不同能量负载信号的X射线信号接收系统的功能框图。
图5是本申请实施例提供的一种电子设备功能组成框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
图1是本申请实施例提供的一种不同能量负载信号的X射线信号接收方法的流程示意图。
在S110中，X射线信号接收模块确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息。
X射线通信系统包括X射线信号发射模块和X射线信号接收模块。X射线信号发射模块将需要传递的信息转换为二进制脉冲信号发射，X射线信号接收模块接收X射线脉冲信号，并将信号处理成二进制信号后传到解调端进行解调。
目前X射线通信系统均为单发单收，但X射线通信可以多发多收。
本申请技术方案实施的场景是多发多收。发射端N个X射线信号发射模块，每个发射模块均发送二进制脉冲信号1或0，但每个发射模块使用的X射线载波能量不同。接收端N个X射线信号接收模块，每个接收模块同时接收N个发射模块发射的X射线信号并进行信号处理。
N个X射线信号接收模块的屏蔽层为长方体，各屏蔽层的长度和宽度相同，厚度各不相同。
X射线信号接收模块确定X射线通信所使用的X射线的能量范围，基于X射线的能量范围，将X射线划按照相同间隔或不同间隔分为N个能量段，N为大于0的整数。
其中，X射线源所发射的光子的能量范围为Emin＜E＜Emax，该N个能窗的边界为[E0，En]，Emin≤E0＜En≤Emax。这些能量段可以等间隔划分，也可以不等间隔从E0到En划分为M个能量段，M为大于0的整数，N≥M，M个能量段包含于N个能量段范围内。
在S120中，基于N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵。
确定N个能量段的X射线穿过X射线信号接收模块的N个屏蔽层后的透射系数。基于透射系数，确定N个能量段在各个接收模块下的权重因子，基于N个能量段在各个X射线信号接收模块下的权重因子，确定接收模块的N个输出通道的权重因子矩阵。
具体而言，由仿真计算或实验数据，获得通信过程中所用N个能量段的X射线在穿过N个X射线信号接收模块的N个不同金属屏蔽体后的透射系数μ，其中，第i个能量段在第k个探测器下的透射系数为μki。
N个接收模块的X射线探测器对X射线的探测效率相同。
根据第i个能量段在第k个探测器下的透射系数μki，根据式(1)，获取N个能量段在各探测器下的权重因子aik。
Figure BDA0002843102510000061
基于N个能量段中的每个能量段的权重因子aik，获取X射线信号接收模块的N个输出通道的权重因子矩阵A。
在S130中，接收来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，得到N个接收模块输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵。
进行通信时，在一个时隙内，发射端N个发射模块将携带有信号的各个能量段X射线脉冲发射，X射线信号传输后到达接收端。X射线信号接收装置得到N个接收模块输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵Y。
Figure BDA0002843102510000071
在S140中，基于N*N权重因子矩阵和1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号。
确定N*N权重因子矩阵的逆矩阵，基于N*N权重因子矩阵的逆矩阵和1*N信号强度矩阵，确定这一时隙内每个能量段所传输的信号强度。将每个能量段所传输的信号强度归一化处理，得到归一化信号强度，对归一化信号强度进行信号判决，得到这一时隙内每个能量段所传输的信号。
具体而言，基于N*N权重因子矩阵A和探测到的1*N信号强度矩阵Y，根据公式X＝A-1··Y获取该时隙内每个能段所传输的信号X。
权重因子矩阵A求逆，得到逆矩阵A-1。
Figure BDA0002843102510000072
得到该时隙内每个能段所传输的信号强度X。
Figure BDA0002843102510000073
将获得的各能段X射线信号强度xi归一化，根据式(2)得到归一化信号强度si。
Figure BDA0002843102510000074
若si>0.5，则判定能量段i的信号为1；若si<0.5，则判定能量段i的信号为0，完成该时隙内信号判决，得到这一时隙内每个能量段所传输的信号。
图2是本申请实施例提供的一种不同能量负载信号的X射线信号接收装置的功能框图。
如图2所示，X射线信号接收装置包括N个X射线信号接收模块100和通信信号处理器200。
N个X射线信号接收模块100布置于同一平面内，接收来自X射线信号发射模块300的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，X射线信号接收模块100包括屏蔽层101，屏蔽层101用于屏蔽X射线。通信信号处理器200用于确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层101后的强度信息，基于N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层101后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵，基于来自X射线信号发射模块300的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，得到X射线信号接收模块输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵，基于N*N权重因子矩阵和1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号。
N个X射线信号接收模块100的屏蔽层101厚度各不相同，长宽均相同，实现探测到的强度信息的差异。
可选地，N个X射线信号接收模块100等距离布置于同一平面内，能够提高接收处理精度。
具体而言，X射线信号接收模块100还包括X射线探测器102和前置信号处理电路103。X射线探测器102用于接收来自X射线信号发射模块300的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，前置信号处理电路103用于进行X射线的信号放大、整形和获取X射线信号强度，如图3所示。
前置信号处理电路103包括前放电路、滤波电路和脉冲高度判决电路。其中，前放电路用于进行X射线的信号放大，滤波电路用于进行X射线的整形，脉冲高度判决电路用于获取X射线信号强度。
可选地，N个X射线信号接收模块100的X射线探测器102对X射线的探测效率相同，以保证不同探头之间的探测结果不受探测效率的影响。
图4是本申请实施例提供的一种不同能量负载信号的X射线信号接收系统的功能框图。
系统包括X射线信号发射模块300、X射线信号接收模块100和通信信号处理器200。
X射线信号发射模块300发射同一时隙内的合并各个能量段的X射线，X射线信号接收模块100的屏蔽层101对X射线进行屏蔽，X射线信号接收模块100接收通过屏蔽层的X射线后，与通信信号处理器200通信。通信信号处理器200用于确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层101后的强度信息，基于N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层101后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵，基于来自X射线信号发射模块300的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，得到N个X射线信号接收模块100输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵，基于N*N权重因子矩阵和1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号。
图5是本申请实施例提供的一种电子设备功能组成框图。
电子设备可以包括输出单元301、输入单元302、处理器303、存储器304、通讯接口305，以及内存单元306。
存储器304作为一种非暂态计算机可读存储器，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块。当一个或多个程序被一个或多个处理器303执行，使得一个或多个处理器303实现如上所述的方法。
存储器304可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据电子器件的使用所创建的数据等。此外，存储器304可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态性固态存储器件。在一些实施例中，存储器304可选包括相对于处理器303远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至电子设备。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本申请而非限制本申请的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种不同能量负载信号的X射线信号接收方法，包括：
确定N个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息，N为大于0的整数；
基于N个能量段的X射线穿过N个X射线信号接收模块的屏蔽层后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵；
接收来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，得到N个接收模块输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵；
基于所述N*N权重因子矩阵和所述1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号。
2.如权利要求1所述的接收方法，其中，所述确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息之前，还包括：
确定X射线通信所使用的X射线的能量范围；
基于所述X射线的能量范围，将X射线划分为N个能量段。
3.如权利要求2所述的接收方法，其中，所述确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息，包括：
确定N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层后的透射系数。
4.如权利要求3所述的接收方法，其中，所述基于N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵，包括：
基于所述透射系数，确定N个能量段在各个接收模块下的权重因子；
基于所述N个能量段在各个接收模块下的权重因子，确定接收模块的N个输出通道的权重因子矩阵。
5.如权利要求1所述的接收方法，其中，所述基于所述N*N权重因子矩阵和所述1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号，包括：
确定所述N*N权重因子矩阵的逆矩阵；
基于所述N*N权重因子矩阵的逆矩阵和所述1*N信号强度矩阵，确定这一时隙内每个能量段所传输的信号强度；
将所述每个能量段所传输的信号强度归一化处理，得到归一化信号强度；
对所述归一化信号强度进行信号判决，得到这一时隙内每个能量段所传输的信号。
6.一种不同能量负载信号的X射线信号接收装置，包括：
N个X射线信号接收模块，布置于同一平面内，接收来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，所述X射线信号接收模块包括屏蔽层，所述屏蔽层用于屏蔽所述X射线；
通信信号处理器，用于确定每个能量段的X射线在信道传输穿过不同厚度的屏蔽层后的强度信息，基于N个能量段的X射线穿过N个屏蔽层后的强度信息，得到N*N权重因子矩阵，基于来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线，得到N个接收模块输出的这一时隙内1*N信号强度矩阵，基于所述N*N权重因子矩阵和所述1*N信号强度矩阵，获取这一时隙内每个能量段所传输的信号。
7.如权利要求6所述的接收装置，其中，所述X射线信号接收模块还包括：
X射线探测器，用于接收来自发射端的同一时隙内的合并各个能量段的X射线；
前置信号处理电路，用于进行X射线的信号放大、整形和获取X射线信号强度。
8.如权利要求7所述的接收装置，其中，所述N个接收模块的X射线探测器对X射线的探测效率相同，所述N个X射线信号接收模块的屏蔽层为长方体，各所述屏蔽层的长度和宽度相同，厚度各不相同。
9.如权利要求7所述的接收装置，其中，所述前置信号处理电路包括：
前放电路，用于进行X射线的信号放大；
滤波电路，用于进行X射线的整形；
脉冲高度判决电路，用于获取X射线信号强度。
10.一种不同能量负载信号的X射线信号接收系统，包括如权利要求6至9之任一项所述的不同能量负载信号的X射线信号接收装置。
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