CN113126142A - 高能粒子探测器性能评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高能粒子探测器性能评估方法及系统。该方法包括：通过AP8计算高能质子的全向通量；使用数值模拟方法得到地磁场长周期变化导致的高能质子垂直截止刚度的长周期变化趋势；拟合得到截止刚度的长周期相对变化与时间的函数曲线关系；通过上述函数曲线关系，对AP8计算得到的粒子通量进行修正；通过数值计算得到卫星观测点的高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征；根据高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征，结合AP8模型得到的修正之后的全向通量，得到不同投掷角的高能粒子通量；获取电磁卫星高能粒子探测器探测到的粒子通量；使用上述获得的卫星观测和数值模型通量，对两者进行统计分析，得到包括其整体趋势、线性相关性、绝对偏差、标准差以及均方差大小的用于评价探测器性能的参量。本发明提供的高能粒子探测器性能评估方法及系统可以实现对粒子探测器在轨性能的有效评估。

Description

高能粒子探测器性能评估方法及系统
技术领域
本发明涉及高能粒子探测技术领域，特别是涉及一种高能粒子探测器性能评估方法及系统。
背景技术
近地空间高能粒子辐射作为地球物理场卫星探测的主要参量，其主要通过卫星搭载的高能粒子探测器实现对高能粒子的能量、通量、投掷角等开展测量。卫星发射之前，将对高能粒子探测器的性能进行地面标定试验，主要通过地面束线的方法对其能量线性、探测效率、几何因子等进行有效的验证。卫星入轨之后，需要对探测器性能进行定期评估，并进行必要的参数调整，以获得最佳的探测结果。但由于一般探测器不会搭载星上标定源，因此无法获得探测器探测位置的物理量真值。目前主要方法是使用数值模型与探测器探测结果比对、星地交叉比对以及不同卫星的不同探测器交叉比对等三种方法。
其中星地交叉通常使用地面中子台站的观测数据，通过反演得到高能粒子通量，此方法对地面台站的布局以及数量要求较高。由于地面台站和卫星处于不同的高度，同时其反演高能粒子通量的方法和过程影响最终结果，可能导致比测校验结果不理想。
对于不同卫星的高能粒子探测器的交叉对比。由于不同卫星的轨道高度、轨道倾角、探测器探测原理、探测能段范围、分辨率以及探测器指向等原因，要找到完全符合两者交叉的探测数据，相对困难。
鉴于上述两种方法存在的难题，目前主要方法为使用数值模型和卫星观测结果进行比对分析。数值模型由于是统计模型，相对星地交叉比测校验以及不同卫星的比测校验具有明显的优势。
但目前使用范围最广泛AP8模型，是美国于上世纪60年代开发的模型。众所周知，近地空间高能粒子通量与地球磁场结构有着重要的关系。由于地磁场具有长周期变化特征，尤其是近年来地磁变化明显加快(IGRF13模型提前发布)，使得地球磁场对高能粒子的屏蔽作用将发生明显变化，导致太阳/银河宇宙线进入磁层导致的背景高能粒子环境改变。因此需要对磁场变化导致的高能粒子截止刚度进行重新衡量，并对AP8模型进行一定的修正，这也是美国开发新模型的原因。
目前见于国外网站和期刊组织的AP9模型是美国最新开发的质子辐射环境模型，但由于美国技术封锁等原因，我们国内一直无法获取其程序。因此需要通过方法解决此问题。
地球内辐射带<100MeV的质子主要来源于太阳质子，>100MeV的质子主要来自于宇宙线反照中子产生，这种机制称为宇宙线反照中子源(CRAND)，包括太阳质子和银河宇宙线都可以称为宇宙线。因此宇宙线进入磁层对于内辐射带的动态变化具有重要作用。由于地球磁场的屏蔽作用，宇宙线粒子不能随意的进入地球磁层空间，而是具有能量和方向依赖性。
地磁截止刚度是定量衡量地球磁场对高能粒子屏蔽效应的参数，描述了高能粒子穿越地磁屏蔽效应到达指定观测点的带电粒子刚度阈值。高能粒子刚度作为描述高能粒子能量大小的物理量，其定义如下：R＝mvc/Ze，其中R表示粒子刚度，m为高能粒子质量，v为粒子速度，c为光速，Z为电荷数，e为元电荷电量。刚度在数值上等于单位单核的能量，单位为伏特。截止刚度表征到达给定观测点的最小刚度值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高能粒子探测器性能评估方法及系统，可以实现对粒子探测器在轨性能的有效评估。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高能粒子探测器性能评估方法，所述方法包括：通过AP8计算高能质子的全向通量；使用数值模拟方法得到地磁场长周期变化导致的高能质子垂直截止刚度的长周期变化趋势；拟合得到截止刚度的长周期相对变化与时间的函数曲线关系；通过上述函数曲线关系，对AP8计算得到的粒子通量进行修正；通过数值计算得到卫星观测点的高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征；根据高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征，结合AP8模型得到的修正之后的全向通量，得到不同投掷角的高能粒子通量；获取电磁卫星高能粒子探测器探测到的粒子通量；使用上述获得的卫星观测和数值模型通量，对两者进行统计分析，得到包括其整体趋势、线性相关性、绝对偏差、标准差以及均方差大小的用于评价探测器性能的参量。
在一些实施方式中，由高能粒子垂直方向截止刚度的长周期变化得到其时间关系函数为：
Figure BDA0003024520820000031
其中，R为高能粒子刚度，
Figure BDA0003024520820000032
为位置矢量，t为时间。
在一些实施方式中，通过上述函数曲线关系，对AP8计算得到的粒子通量进行修正，包括：
Figure BDA0003024520820000033
其中，F为使用AP8模型给定的高能质子的全向通量，F′为修正后的全向通量，g为函数曲线关系。
在一些实施方式中，通过数值计算得到卫星观测点的高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征，包括：通过数值计算得到卫星观测点的高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征函数f(α)，其中，f(α)为对应投掷角α的高能质子通量。
在一些实施方式中，根据高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征，结合AP8模型得到的修正之后的全向通量，得到不同投掷角的高能粒子通量，包括：
Figure BDA0003024520820000041
其中，α为投掷角，f(α)为对应投掷角α的高能质子通量。
此外，本发明还提供了一种高能粒子探测器性能评估系统，所述系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的高能粒子探测器性能评估方法。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
可以实现对粒子探测器在轨性能的有效评估；有效地修正由于地磁场长周期变化导致的AP8模型在当前的不准确造成的粒子探测器和数值模型的不吻合现象；明显提高观测和数值模型的线性相关性；使观测和数值模型的均方差明显变小。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是高能粒子探测器性能评估方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本申请方法的具体步骤如下：
通过AP8计算高能质子的全向通量。
使用数值模拟方法得到地磁场长周期变化导致的高能质子垂直截止刚度的长周期变化趋势。
拟合得到截止刚度的长周期相对变化与时间的函数曲线关系。
通过上述函数曲线关系，对AP8计算得到的粒子通量进行修正。
通过数值计算得到卫星观测点的高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征。
根据高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征，结合AP8模型得到的修正之后的全向通量，得到不同投掷角的高能粒子通量。
获取电磁卫星高能粒子探测器探测到的粒子通量。
使用上述获得的卫星观测和数值模型通量，对两者进行统计分析，得到包括其整体趋势、线性相关性、绝对偏差、标准差以及均方差大小的用于评价探测器性能的参量。
高能粒子垂直方向截止刚度的长周期变化。
由于截止刚度对纬度的依赖性明显大于经度依赖性，但地磁场的变化的经度依赖性明显，因此为了对全球进行高精度的空间变化特征分析，我们使用纬度方向间隔1度，经度方向5(10)度对全球进行网格的划分。计算得到全球垂直方向截止刚度的时空演化特征。考虑长周期地磁场的变化，我们仅使用国际地磁参考场(IGRF)内源场作为背景场进行数值模拟计算。为了使研究结果具有最大的适用性，选取地磁平静期间进行研究。
由高能粒子垂直方向截止刚度的长周期变化得到其时间关系函数为
Figure BDA0003024520820000051
其中R为高能粒子刚度，
Figure BDA0003024520820000052
为位置矢量，t为时间。
利用垂直方向截止刚度长时间变化的函数曲线关系，对AP8模型进行修正。
假设使用AP8模型给定的高能质子的全向通量为F,进行时间修正之后关系为
Figure BDA0003024520820000061
高能粒子截止刚度的投掷角依赖性计算方法。
通常情况下，粒子投掷角分布满足关于90°对称的高斯分布形态，但初步研究表明，投掷角分布关于90°度存在一定偏差，因此为了使结果真实可靠，通过计算电磁卫星高能粒子探测器位置的高能质子截止刚度对应的投掷角分布特征，可以得到f(α)的函数形态。其中α为粒子投掷角，f(α)为对应投掷角α的高能质子通量。
结合AP8模型得到的修正之后的全向通量，得到不同投掷角的高能粒子通量。
AP8模型可以计算不同能量不同位置的高能质子通量，但其无法给出不同投掷角对应的高能质子通量。全向通量为投掷角的积分函数，满足如下关系
Figure BDA0003024520820000062
通过上述关系式子，可以得到对应能段和投掷角的高能质子通量。
通过选取地磁平静期间的高能粒子探测器探测数据，结合修正之后的AP8模型的结果。对两者进行统计分析，得到包括其整体趋势、线性相关性、绝对偏差、标准差以及均方差大小等用于评价探测器性能的参量。
本发明的目的在于，为解决现有使用AP8模型进行张衡一号卫星高能粒子探测器评估导致的偏差较大的现状。通过使用上述引进的技术创新方法：可以实现对粒子探测器在轨性能的有效评估；有效地修正由于地磁场长周期变化导致的AP8模型在当前的不准确造成的粒子探测器和数值模型的不吻合现象；明显提高观测和数值模型的线性相关性；使观测和数值模型的均方差明显变小。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高能粒子探测器性能评估方法，其特征在于，包括：
通过AP8计算高能质子的全向通量；
使用数值模拟方法得到地磁场长周期变化导致的高能质子垂直截止刚度的长周期变化趋势；
拟合得到截止刚度的长周期相对变化与时间的函数曲线关系；
通过上述函数曲线关系，对AP8计算得到的粒子通量进行修正；
通过数值计算得到卫星观测点的高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征；
根据高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征，结合AP8模型得到的修正之后的全向通量，得到不同投掷角的高能粒子通量；
获取电磁卫星高能粒子探测器探测到的粒子通量；
使用上述获得的卫星观测和数值模型通量，对两者进行统计分析，得到包括其整体趋势、线性相关性、绝对偏差、标准差以及均方差大小的用于评价探测器性能的参量。
2.根据权利要求1所述的高能粒子探测器性能评估方法，其特征在于，由高能粒子垂直方向截止刚度的长周期变化得到其时间关系函数为：
Figure FDA0003024520810000011
其中，R为高能粒子刚度，
Figure FDA0003024520810000012
为位置矢量，t为时间。
3.根据权利要求1所述的高能粒子探测器性能评估方法，其特征在于，通过上述函数曲线关系，对AP8计算得到的粒子通量进行修正，包括：
Figure FDA0003024520810000013
其中，F为使用AP8模型给定的高能质子的全向通量，F′为修正后的全向通量，g为函数曲线关系。
4.根据权利要求1所述的高能粒子探测器性能评估方法，其特征在于，通过数值计算得到卫星观测点的高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征，包括：
通过数值计算得到卫星观测点的高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征函数f(α)，其中，f(α)为对应投掷角α的高能质子通量。
5.根据权利要求1所述的高能粒子探测器性能评估方法，其特征在于，根据高能质子对应截止刚度的投掷角分布特征，结合AP8模型得到的修正之后的全向通量，得到不同投掷角的高能粒子通量，包括：
Figure FDA0003024520810000021
其中，α为投掷角，f(α)为对应投掷角α的高能质子通量。
6.一种高能粒子探测器性能评估方法系统，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至5任意一项所述的高能粒子探测器性能评估方法。
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