CN117572487A - 大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法、设备及介质 - Google Patents

大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法、设备及介质，涉及切伦科夫望远镜阵列标定技术领域，包括模拟每个光子的出射信息，其中探测参数信息包括激光光源参数信息和望远镜参数信息；模拟每个光子在大气中的第一传播信息；计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值；将所有光子进行模拟，得到激光器出射脉冲在大气切伦科夫的整个激光事例的成像；得到第一成像强度参数和第二成像强度参数，最终得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数，进而对大气切伦科夫望远镜阵列进行标定。本发明的有益效果为使用激光可同时完成气溶胶消光系数和望远镜绝对增益的标定，有效地减少了现有标定方法误差大、无法确定是否考虑了所有误差的问题。

Description

大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法、设备及介质
技术领域
本发明涉及切伦科夫望远镜阵列标定技术领域，具体而言，涉及大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法、设备及介质。
背景技术
当高能带电的宇宙线粒子进入地球大气层中时，会与大气相互作用，引发宇宙线广延大气簇射，产生高能带电次级宇宙线粒子。在这个过程中，当带电的粒子的能量高于一定的能量时，会产生切伦科夫辐射，发出切伦科夫光。切伦科夫辐射由一个连续的波长谱组成，从紫外波段延伸到红外的部分。将大气作为量能计，通过切伦科夫辐射反演原初宇宙线粒子信息，是地面望远镜中一种重要的观测手段。WFCTA（Wide Field of view CherenkovTelescope Array，广角大气切伦科夫望远镜阵列）望远镜所测量到的总光子数Npe用于宇宙线能量测量， WFCTA望远镜所观测到的EAS（Extensive air shower，广延大气簇射）切伦科夫像的形状。原初宇宙线的能量是通过广角切仑科夫望远镜测量到的光子数来进行估算的，因此需要对望远镜接收到的光子数进行绝对的刻度。
在其他的地面宇宙线阵列中，采用了不同的方式进行望远镜增益系数的标定。例如：HEGRA（High Energy Gamma Ray Astronomy，高能伽马射线天文观测站）等实验[1][2]采用宇宙线数据来对望远镜增益系数进行标定，通过对比望远镜测得的宇宙线事例率与望远镜模拟中得出的事例率，从而得到整体的标定系数，这种方法的缺点在于模拟中的宇宙线事例率受到流强以及成分的影响很大，会带来较大的误差；若采用镜面反射率、入口滤波器的透射率、量子效率、光子-电子收集效率、光子倍增管（PMT）的放大器增益以及电子增益，这些因素的乘积虽然提供了整体绝对增益，但是这种方法的缺点之处在于：（i）无法确定是否考虑了所有影响，以及（ii）每个单独的部件都会引入一定的不确定性，并且因为系统组件之间的相互作用，没有很好的方法来估计这些误差的组合效应对整体绝对增益的影响。
文中涉及的参考文献如下：[1]G. Vacanti, P. Fleury, Y. Jiang, et al,Muon ring images with an atmospheric Cherenkov telescope, Astropart. Phys. 2(1) (1994) 1-11.
[2]T.B.Humenskya, for the VERITAS Collaboration, Calibration ofVERITAS Telescope1 via Muons,2005.arXiv:astro-ph/0507449v1.
发明内容
本发明的目的在于提供大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法、设备及介质，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，包括：
以宇宙射线探测装置的场地中心为坐标原点，设置探测参数信息，模拟每个光子的出射信息，其中探测参数信息包括激光光源参数信息和望远镜参数信息；
构建空气分子模型和气溶胶模型，并根据每个光子的出射信息与大气中的消光系数信息，模拟每个光子在大气中的第一传播信息，其中第一传播信息包括光子位置信息和传播方向信息，其中大气中的消光系数信息包括空气分子的消光系数和气溶胶的消光系数；
基于望远镜参数信息，得到每个光子在大气切伦科夫望远镜内的第二传播信息，其中第二传播信息包括光子传播到望远镜的相机上的位置信息和传播方向信息，并计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值；
对激光出射光的脉冲能量进行计算，求解得到激光器出射脉冲的所有光子，并基于单个光子的电信号数值，将所有光子进行模拟，得到激光器出射脉冲在大气切伦科夫的整个激光事例的成像；
根据整个激光事例的成像，设定两种大气切伦科夫望远镜的视场内激光径迹的微元成像强度的方案，分别得到第一成像强度参数和第二成像强度参数，并基于第一成像强度参数和第二成像强度参数，最终得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数，进而对大气切伦科夫望远镜阵列进行标定，其中两种成像强度方案分别为选取最优激光发射角度的方案和模拟设定大气中只有空气分子的方案。
优选地，所述模拟每个光子的出射信息，其中包括：
设定激光发射装置的出光口处的光斑大小，以光子出射点的位置的坐标原点为均值，以光斑半径为方差得到第一正态分布公式，对第一正态分布公式进行抽样得到光子出射点的坐标位置；
设定激光发射装置的光斑发散度，以光子沿水平出射的方向为均值，以发散度除以2为方差得到第二正态分布公式，对第二正态分布公式进行抽样得到光子出射方向的坐标位置；
设定光子的波长以及方差得到第三正态分布公式，对第三正态分布公式进行抽样得到光子的波长；
设定光子的出光时间在0-7纳秒上服从均匀分布公式，对均匀分布公式进行抽样得到光子的出光时间；
将光子出射点的坐标位置、光子出射方向的坐标位置、光子的波长和光子的出光时间进行汇总，并将汇总得到的信息记作光子的出射信息。
优选地，所述气溶胶模型的构建过程，包括：
设定气溶胶模型的参数信息，将气溶胶模型的参数信息输入至预设的气溶胶模型中，得到气溶胶的散射系数随海拔变化的数值，并优化气溶胶模型，得到最终优化后的气溶胶模型，其中气溶胶模型的参数信息包括沿水平方向上的衰减长度的参数信息和垂直方向上气溶胶标高的参数信息。
优选地，所述根据每个光子的出射信息与大气中的消光系数信息，模拟每个光子在大气中的第一传播信息，其中第一传播信息包括光子位置信息和传播方向信息，其中大气中的消光系数信息包括空气分子的消光系数和气溶胶的消光系数，其中包括：
基于每个光子的出射信息，得到激光的传播长度，对激光的传播长度进行抽样，得到抽样结果，计算公式如下：
式中，为消光系数，/>为传播长度，/>则为光子的透过率，/>为数学常数，也为自然对数的底数；
判断抽样结果中的光子是否被散射，若是，则改变传播方向，计算公式如下：
式中，为服从[0,1]均匀分布的随机数，/>为通过瑞利散射相函数来模拟散射光子的散射方向；
将空气分子的消光系数带入抽样结果中，并根据光子的传播方向，设置第一光子传播距离，并判断每个光子是否能进入大气切伦科夫望远镜视场，若是，则将气溶胶的消光系数带入抽样结果中，并根据光子的传播方向，设置第二光子传播距离；并判断每个光子是否能进入大气切伦科夫望远镜视场，若是，则继续进行计算，若否，则继续进行抽样迭代，直到光子传播到大气层的边界，得到每个光子在大气中的第一传播信息，其中第一光子传播距离与第二光子传播距离相同。
优选地，所述基于望远镜参数信息，得到每个光子在大气切伦科夫望远镜内的第二传播信息，其中第二传播信息包括光子传播到望远镜的相机上的位置信息和传播方向信息，并计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值，其中包括：
根据大气中的消光系数信息，得到每个光子所携带的第一传播信息；
利用每个光子所携带的第一传播信息，得到第一传播情况；其中第一传播情况为判断每个光子是否穿过遮挡结构，若能，则继续进行计算，若否，则终止计算，其中遮挡结构包括大气切伦科夫望远镜的镜筒、相机支架和相机；
利用每个光子所携带的坐标信息和方向信息，得到第二传播情况；其中第二传播情况为判断每个光子能否进入大气切伦科夫望远镜的反射镜平面上，若能，计算反射后单个光子的方向是否能够到达相机上以及单个光子能够到达相机上的位置信息，若否，则终止计算；
根据第一传播情况、第二传播情况和通过大气切伦科夫望远镜的LED标定得到的成像探头的绝对增益，计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值。
优选地，所述对激光出射光的脉冲能量进行计算，求解得到激光器出射脉冲的所有光子，其中包括：
通过激光器获取到连续工作60分钟的第一脉冲能量；
计算得到第一脉冲能量的平均值和标准差，令脉冲中单个光子的能量服从以平均值为期望，标准差为方差的第四正态分布公式；
对第四正态分布公式进行抽样，得到脉冲中单个光子的能量值；
基于单个光子的能量值，求解脉冲中单个光子的个数，最终得到激光器出射脉冲的所有光子。
优选地，所述第一成像强度参数和第二成像强度参数的计算过程，其中包括：
选取最优激光发射角度，设计最优的出射方案，其中出射方案包括满足大气切伦科夫望远镜视场内的气溶胶散射强度小于传播路径上气溶胶的衰减的2%；
基于最优的出射方案，计算观测数据中散射位置处微元在大气切伦科夫望远镜中成像的强度，得到第一成像强度参数，计算公式如下：
式中，为实验中出光脉冲中光子的个数，/>为望远镜的增益，为散射位置处微元/>在望远镜中成像的强度，也就是第一成像强度参数，/>为数学常数，也为自然对数的底数，/>为传播路径上空气分子和气溶胶的消光系数，/>为散射位置处微元/>内空气分子的散射系数，/>为空气分子的散射概率，/>为散射位置处微元/>朝向望远镜的立体角；
设定模拟程序中的大气中只有空气分子，计算观测数据中散射位置处微元在大气切伦科夫望远镜中成像的强度，得到第二成像强度参数，计算公式如下：
式中，为模拟中设定激光脉冲能量的大小，/>为模拟程序中望远镜的增益，/>为数学常数，也为自然对数的底数，/>为传播路径上空气分子的消光系数，为散射位置处微元/>内空气分子的散射系数，/>为空气分子的散射概率，/>为散射位置处微元/>朝向望远镜的立体角，/>为模拟得到的望远镜接收到的激光信号强度，也就是第二成像强度参数。
优选地，所述基于第一成像强度参数和第二成像强度参数，最终得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数，其中包括：
将第一成像强度参数和第二成像强度参数进行相除并求解对数，得到成像强度参数，计算公式如下：
式中，和/>为激光的出射仰角和望远镜仰角，/>为实验中望远镜接收到的激光信号强度，/>为模拟得到的望远镜接收到的激光信号强度，/>为实验中出光脉冲中光子的个数，/>为模拟中设置的脉冲中光子的个数，/>为实验中望远镜实际的增益系数，/>为模拟中设置的望远镜增益系数，/>为激光传播路径中垂直方向上气溶胶的消光系数；
基于成像强度参数，将气溶胶沿倾斜路径上的消光系数修正到垂直方向，得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数。
第二方面，本申请还提供了一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法的步骤。
第三方面，本申请还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法的步骤。
本发明的有益效果为：
本发明将激光站址设置在与望远镜有一定的距离处，引导一束能量，进而指向精度高的激光穿过望远镜视场，通过对比激光出光脉冲的光子数与望远镜所接收到的光子总数，剔除大气对光子数的影响，得到望远镜的增益系数，用激光实现端到端的标定方法，可以有效提高望远镜标定的精度。
本发明使用蒙特卡罗直接模拟方法来模拟激光产生、传输与被望远镜接收的全过程，从而得到望远镜增益系数，并模拟了大量激光光子在大气中传播以及被望远镜捕获的过程，模拟了望远镜对不同发射角度的激光的探测过程，模拟研究了激光硬件设备和气溶胶模型等引入的误差大小，使用激光的方法，同时完成气溶胶消光系数和望远镜绝对增益的标定，有效地减少了现有标定方法误差过大的问题。
本发明可为所有以大气切伦科夫望远镜为探测手段的地面宇宙线实验提供建议，也可为正在建设的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法提供参考。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例中所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法流程示意图；
图2为本发明实施例中所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备结构示意图；
图3为本发明实施例中所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法的激光发射示意图；
图4为本发明实施例中所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法的激光器与光束示意图；
图5为本发明实施例中所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法的激光模拟中选择三个激光站点位置（L1、L2、L3）以及LHAASO（Large High Altitude Air ShowerObservatory，高海拔宇宙线观测站）阵列位置示意图。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1：
现有技术中切伦科夫光子产生后，沿着一定的方向继续在大气中传播。大气中的物质会对光子有一定的影响，改变光子的传播方向或者吸收光子，使得光子传播进入望远镜视场。广角大气切伦科夫望远镜阵列正是通过探测这些光子实现对宇宙线探测的。簇射中的切伦科夫光由多面反射镜组成的光学系统收集并反射聚焦到硅光电倍增管（SiliconPhotomultiplier，SiPM）阵列上，在SiPM阵列上形成切伦科夫光像。每台WFCT的光学系统有20面边长为六边形的球面子镜及5块相应的半子镜拼接而成，总集光面积为5m2。 每面反射镜的曲率半径为5.8m。 为了降低视场内光学系统像差引起的光斑能量分布的不一致性，通过光学优化，要求SiPM阵列至反射镜中心的距离为2.87m。 望远镜采用宽视场设计，其SiPM阵列共有1024个SiPM按照32×32的布局排列其SiPM阵列共有1024个SiPM按照32×32的布局排列。每个SiPM对应的视场约为0.5◦×0.5◦，单台望远镜的视场范围为16◦×16◦。通过信号的强度，可以反推出此次切伦科夫辐射产生光子的个数，结合一定的相互作用模型，从而反推出原初宇宙线的成分、能量等信息。广角大气切伦科夫望远镜所测量到的总光子数Npe用于宇宙线能量测量， 广角大气切伦科夫望远镜所观测到的广延大气簇射下的切伦科夫像的形状，包括像的长短轴比例以及像的质心到簇射到达方向的角距离，与广延大气簇射下的纵向发展到极大时的位置密切相关。原初宇宙线的能量是通过广角切仑科夫望远镜测量到的光子数来进行估算的，因此需要对望远镜接收到的光子数进行绝对的刻度。
然而，在其他的地面宇宙线阵列中，采用了不同的方式进行望远镜增益系数的标定都会有较大的误差，因此，我们需要发明适用于广角切伦科夫望远镜阵列的激光标定方法，并研究了在标定方法中激光硬件设备以及气溶胶模型等引入的误差大小，提高了望远镜标定的精度。如图3所示，图中左下角为激光器示意图，右下角为望远镜示意图，激光束出光仰角为，望远镜主轴仰角为/>，激光发出后脉冲经过/>后进入望远镜视场中发生散射，散射后方向/>朝向望远镜的光子传播/>后进入望远镜的视场，其中，L1为光子发生散射之前在大气中的传播路径，L2为光子发生散射之后传播进入望远镜的传播路径，/>为在散射路径上选取的微元，D为望远镜与激光站址之间的距离，H为散射点距地平面的高度。在蒙特克罗模拟中，需要解决的问题主要是紫外光源的模拟、大气中传输时光子的散射、光子在散射后散射方向的确定、望远镜对散射光子的接收的判断以及光子在望远镜内的传播，具体的标定方法如下：
本实施例提供了一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法。
参见图1，图中示出了本方法包括步骤S100、步骤S200、步骤S300、步骤S400和步骤S500。
S100、以宇宙射线探测装置的场地中心为坐标原点，设置探测参数信息，模拟每个光子的出射信息，其中探测参数信息包括激光光源参数信息和望远镜参数信息。
需要说明的是，以LHAASO场地中心为坐标原点，设定望远镜坐标与激光站址坐标；以正北为方位角0度，顺时针为正方向；设定激光束出光仰角为，设定望远镜主轴仰角为。
可以理解的是，设置望远镜结构参数信息：以望远镜镜筒口中心点为坐标原点，水平方向向右为X轴正方向，平行镜筒口向下为Y轴正方向，向望远镜镜筒内为Z轴正方向建立三维直角坐标系。设置望远镜镜筒口大小为2410、2470mm，设置成像探头的大小为922.9、946.2mm，反射镜到成像探头距离为2870mm，设置成像探头的三个支撑结构分别为1290、10、50mm，设置支撑结构位置分别为(-645,0,0)与(645,0,0)，宽度为5mm；设置LED支撑杆的Z轴坐标为370mm，宽度为50mm，高度为1350mm；设置每一块正六边形反射镜中心位置、镜沿方程与镜面方程。
可以理解的是，在本步骤S100中包括S101、S102、S103、S104和S105，其中：
需要说明的是，在激光出光口，建立三维坐标系。以水平方向为X轴，平行向上为Y轴正方向，向前传播为Z轴正方向。激光器与光束结构如图4所示，图中为光传播到距离/>处的光斑半径。
S101、设定激光发射装置的出光口处的光斑大小，以光子出射点的位置的坐标原点为均值，以光斑半径为方差得到第一正态分布公式，对第一正态分布公式进行抽样得到光子出射点的坐标位置；
需要说明的是，对光子产生的位置进行抽样，MNL氮分子激光器出光口处光斑大小为3.2×5.4mm，光子出射点的位置服从以(0,0,0)点为均值，以光斑半径为方差的标准正态分布，抽样获得光子出射点的坐标。
S102、设定激光发射装置的光斑发散度，以光子沿水平出射的方向为均值，以发散度除以2为方差得到第二正态分布公式，对第二正态分布公式进行抽样得到光子出射方向的坐标位置；
需要说明的是，对光子的出射方向进行抽样，MNL氮分子激光器光斑发散度为2.345×2.543mrad，以光子沿水平出射服从以(0,0,1)为方向的均值，以发散度/2为方差的正态分布，抽样得到光子出射方向与主光轴的夹角(，/>)，则光子的出射方向为（/>+/>,/>+/>）。
S103、设定光子的波长以及方差得到第三正态分布公式，对第三正态分布公式进行抽样得到光子的波长；
需要说明的是，对光子的波长进行抽样，光子的波长服从以337.1纳米为中心，0.35纳米为方差的正态分布，抽样得到光子的波长。
S104、设定光子的出光时间在0-7纳秒上服从均匀分布公式，对均匀分布公式进行抽样得到光子的出光时间；
需要说明的是，对光子的出光时间进行抽样，一个光脉宽的时长为7纳秒，光子的出光时间在0~7纳秒上服从均匀分布，抽样获得光子的出光时间。
S105、将光子出射点的坐标位置、光子出射方向的坐标位置、光子的波长和光子的出光时间进行汇总，并将汇总得到的信息记作光子的出射信息。
S200、构建空气分子模型和气溶胶模型，并根据每个光子的出射信息与大气中的消光系数信息，模拟每个光子在大气中的第一传播信息，其中第一传播信息包括光子位置信息和传播方向信息，其中大气中的消光系数信息包括空气分子的消光系数和气溶胶的消光系数。
可以理解的是，在本S200步骤中气溶胶模型的构建过程，包括：
设定气溶胶模型的参数信息，将气溶胶模型的参数信息输入至预设的气溶胶模型中，得到气溶胶的散射系数随海拔变化的数值，并优化气溶胶模型，得到最终优化后的气溶胶模型，其中气溶胶模型的参数信息包括沿水平方向上的衰减长度的参数信息和垂直方向上气溶胶标高的参数信息。
需要说明的是，在本S200步骤中包括S201、S202和S203，其中：
S201、基于每个光子的出射信息，得到激光的传播长度，对激光的传播长度进行抽样，得到抽样结果，计算公式如下：
式中，为消光系数，/>为传播长度，/>则为光子的透过率，/>为数学常数，也为自然对数的底数；
其中，对该公式两边求导，则可得：
式中，为对光子的透过率与传播长度求导，/>为消光系数，/>为传播长度，/>为数学常数，也为自然对数的底数；
该式表明，当一个光子传播的距离，有/>也就是/>的概率被散射，这也说明光子自由程为/>，散射概率密度函数/>为：
式中，为消光系数，/>为传播长度，/>为数学常数，也为自然对数的底数；
对上式抽样可得：
式中，为对完整传播路径上散射概率密度的积分，/>为消光系数，/>为传播长度，/>为数学常数，也为自然对数的底数；/>为随机数；
为服从[0,1]均匀分布的随机数，则当/>时，发生瑞利散射，发生瑞利散射后，通过瑞利散射相函数来模拟散射光子的散射方向，瑞利散射相函数可表示为：
式中，为散射光传播方向，/>为瑞利散射相函数，/>为通过瑞利散射相函数来模拟散射光子的散射方向。
S202、判断抽样结果中的光子是否被散射，若是，则改变传播方向，计算公式如下：
式中，/>为服从[0,1]均匀分布的随机数，/>为散射光传播方向，/>为通过瑞利散射相函数来模拟散射光子的散射方向；
S203、将空气分子的消光系数带入抽样结果中，并根据光子的传播方向，设置第一光子传播距离，并判断每个光子是否能进入大气切伦科夫望远镜视场，若是，则将气溶胶的消光系数带入抽样结果中，并根据光子的传播方向，设置第二光子传播距离；并判断每个光子是否能进入大气切伦科夫望远镜视场，若是，则继续进行计算，若否，则继续进行抽样迭代，直到光子传播到大气层的边界，得到每个光子在大气中的第一传播信息，其中第一光子传播距离与第二光子传播距离相同。
S300、基于望远镜参数信息，得到每个光子在大气切伦科夫望远镜内的第二传播信息，其中第二传播信息包括光子传播到望远镜的相机上的位置信息和传播方向信息，并计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值。
可以理解的是，在本步骤S300中包括S301、S302、S303和S304，其中：
S301、根据大气中的消光系数信息，得到每个光子所携带的第一传播信息；
S302、利用每个光子所携带的第一传播信息，得到第一传播情况；其中第一传播情况为判断每个光子是否穿过遮挡结构，若能，则继续进行计算，若否，则终止计算，其中遮挡结构包括大气切伦科夫望远镜的镜筒、相机支架和相机；
S303、利用每个光子所携带的坐标信息和方向信息，得到第二传播情况；其中第二传播情况为判断每个光子能否进入大气切伦科夫望远镜的反射镜平面上，若能，计算反射后单个光子的方向是否能够到达相机上以及单个光子能够到达相机上的位置信息，若否，则终止计算；
S304、根据第一传播情况、第二传播情况和通过大气切伦科夫望远镜的LED标定得到的成像探头的绝对增益，计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值。
需要说明的是，根据光子的位置、方向信息，判断光子能否穿过相机的支撑结构、LED支撑结构与镜筒，到达望远镜的反射镜平面；并计算光子发生反射后能否进入相机。传播到反射镜平面的光子携带坐标与方向信息，其中，望远镜反射镜的曲率半径为5800mm，计算反射后光子的方向是否能够到达相机上以及到达相机上的具体位置情况，然后根据LED标定的成像探头的绝对增益，计算望远镜接收到的电信号的大小。
S400、对激光出射光的脉冲能量进行计算，求解得到激光器出射脉冲的所有光子，并基于单个光子的电信号数值，将所有光子进行模拟，得到激光器出射脉冲在大气切伦科夫的整个激光事例的成像。
可以理解的是，在本步骤S400中包括S401、S402、S403和S404，其中：
S401、通过激光器获取到连续工作60分钟的第一脉冲能量；
S402、计算得到第一脉冲能量的平均值和标准差，令脉冲中单个光子的能量服从以平均值为期望，标准差为方差的第四正态分布公式；
S403、对第四正态分布公式进行抽样，得到脉冲中单个光子的能量值；
S404、基于单个光子的能量值，求解脉冲中单个光子的个数，最终得到激光器出射脉冲的所有光子。
需要说明的是，监控激光器连续稳定工作60分钟的脉冲能量，计算得到60分钟激光脉冲能量的平均值与标准差，则单个脉冲中光子的能量服从以平均值为期望，标准差为方差的第四正态分布公式，之后通过得到单个脉冲中光子的能量后，计算得到单个脉冲中光子的个数，依次循环S401-S404，将此脉冲的所有光子进行模拟，最终得到这个脉冲发出的光子在相机上的位置与电信号大小，将电信号与相机上的位置做匹配，得到这个脉冲在望远镜上的成像，即大气切伦科夫的整个激光事例的成像。
在步骤S400之后，可以改变激光转台的位置以及距离望远镜阵列中心的距离，进行不同位置、不同角度的激光事例模拟。
在本实施例中，可以重复上述步骤，将激光转台与LHAASO场地阵列的相对位置所示进行排布，L1位于望远镜阵列的正南方，距离望远镜阵列中心距离342米，L2位于场地中心北偏南76°，距离望远镜阵列中心982米，L3位于场地中心北偏东30°，距离望远镜阵列中心514米，其中水切伦科夫探测器阵列位于LHAASO阵列中央，通过采集EAS的次级粒子在水中发出的切伦科夫辐射来探测宇宙线，而广角切伦科夫望远镜阵列位于水切伦科夫望远镜旁，可以与水切伦科夫探测器阵列实现联合触发。
对于三个激光站点位置选择，分别模拟不同的激光成像，激光的成像由32×32个方格组成，每个方格表示成像探头上的每一个像素点，每个像素点中记录有对应电信号的大小。例如：分别模拟了L1的激光在5号望远镜上的成像，激光方位角为-67°，仰角为30°，望远镜方位角为75°，仰角为45°；L1的激光在4号望远镜上的成像，激光方位角为-17°，仰角为30°，望远镜方位角为55°，仰角为45°；L2的激光在4号望远镜上的成像，激光方位角为87°，仰角为30°，望远镜方位角为55°，仰角为45°；L3的激光在4号望远镜上的成像，激光方位角为117°，仰角为30°，望远镜方位角为55°，仰角为45°。
综上，目的是为了在望远镜中形成散射高度、散射角等参数不同的激光成像，观察在哪些发射角度下，望远镜视场中气溶胶散射的贡献相较于传播路径上气溶胶的衰减可忽略，设计出符合这些条件的激光发射角度，同时在这些条件下观察望远镜视场内气溶胶的散射会对结果产生多大的影响，进而再做出判断。
基于上述三个激光站点位置选择，可以计算出射强度与出射角的关系：
散射位置处微元在望远镜中成像的强度记为ADC，则：
式中，N为到达望远镜镜筒处的光子数，为望远镜的增益系数。
把传播路径上空气分子和气溶胶的效应与散射位置处散射系数带入式中，则可得到
式中，/>为出射脉冲中的光子个数，/>为空气分子的光深，/>胶的光深，/>表示传播路径/>上气溶胶和空气分子对光子的衰减效应；/>为微元/>中空气分子的散射系数，/>为空气分子的散射相函数，/>，/>为散射后光子的朝向；/>为微元/>中气溶胶的散射系数，/>为气溶胶的散射相函数，/>，/>为散射后光子的朝向；/>为微元/>在望远镜视场中立体角大小；/>为望远镜的增益，ADC为散射位置处微元在望远镜中成像的强度。
S500、根据整个激光事例的成像，设定两种大气切伦科夫望远镜的视场内激光径迹的微元成像强度的方案，分别得到第一成像强度参数和第二成像强度参数，并基于第一成像强度参数和第二成像强度参数，最终得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数，进而对大气切伦科夫望远镜阵列进行标定，其中两种成像强度方案分别为选取最优激光发射角度的方案和模拟设定大气中只有空气分子的方案。
可以理解的是，在本步骤S500中包括S501、S502和S503，其中：
S501、选取最优激光发射角度，设计最优的出射方案，其中出射方案包括满足大气切伦科夫望远镜视场内的气溶胶散射强度小于传播路径上气溶胶的衰减的2%。
在本实施中，设置不同的激光出射角，以在望远镜上形成不同的激光事例，这些事例的散射高度以及散射角都各不相同，其中这些角度包括激光仰角与方位角，以及这些角度在望远镜上成像的散射高度与散射角，如下表1所示：
表1 设置不同的激光出射角度
根据上述不同的事例，设置不同的气溶胶散射角模型，其中，在不同气溶胶散射模型中，散射概率随散射的光子出射角的分布情况也不同，并对设计出的4个角度进行模拟，得出当选择散射高度较高的激光事例时，气溶胶散射对结果的影响较小；当散射角在气溶胶散射比较弱的角度范围中，气溶胶散射对结果的影响比较小。基于此，在广角大气切伦科夫望远镜阵列的标定中，我们选择散射高度大于500m，散射角在100°到150°之间的激光事例进行标定。
S502、基于最优的出射方案，计算观测数据中散射位置处微元在大气切伦科夫望远镜中成像的强度，得到第一成像强度参数，计算公式如下：
式中，为实验中出光脉冲中光子的个数，/>为望远镜的增益，为散射位置处微元/>在望远镜中成像的强度，也就是第一成像强度参数，/>为数学常数，也为自然对数的底数，/>为传播路径上空气分子和气溶胶的消光系数，/>为散射位置处微元/>内空气分子的散射系数，/>为空气分子的散射概率，/>为散射位置处微元/>朝向望远镜的立体角；
S503、设定模拟程序中的大气中只有空气分子，计算观测数据中散射位置处微元在大气切伦科夫望远镜中成像的强度，得到第二成像强度参数，计算公式如下：
式中，为模拟中设定激光脉冲能量的大小，/>为模拟程序中望远镜的增益，/>为数学常数，也为自然对数的底数，/>为传播路径上空气分子的消光系数，为散射位置处微元/>内空气分子的散射系数，/>为空气分子的散射概率，/>为散射位置处微元/>朝向望远镜的立体角，/>为模拟得到的望远镜接收到的激光信号强度，也就是第二成像强度参数。
需要说明的是，在本步骤S500中还包括S504和S505，其中：
S504、将第一成像强度参数和第二成像强度参数进行相除并求解对数，得到成像强度参数，计算公式如下：
式中，和/>为激光的出射仰角和望远镜仰角，/>为实验中望远镜接收到的激光信号强度，/>为模拟得到的望远镜接收到的激光信号强度，/>为实验中出光脉冲中光子的个数，/>为模拟中设置的脉冲中光子的个数，/>为实验中望远镜实际的增益系数，/>为模拟中设置的望远镜增益系数；
式中，为激光传播路径中垂直方向上气溶胶的消光系数，/>为激光出光的仰角，为望远镜主光轴的仰角，/>为激光传播路径上消光系数。
式中，和/>为激光的出射仰角和望远镜仰角，/>为实验中望远镜接收到的激光信号强度，/>为模拟得到的望远镜接收到的激光信号强度，/>为实验中出光脉冲中光子的个数，/>为模拟中设置的脉冲中光子的个数，/>为实验中望远镜实际的增益系数，/>为模拟中设置的望远镜增益系数，/>为垂直方向上气溶胶的消光系数。
S505、基于成像强度参数，将气溶胶沿倾斜路径上的消光系数修正到垂直方向，得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数。
需要说明的是，可化为：
式中，b为截距，k为斜率， 是气溶胶在垂直方向上的消光系数，/>为自变量，/>为因变量，其中/>，/>和/>分别为将倾斜路径上的气溶胶的消光系数修正到垂直方向上的系数因子；
式中，b即为望远镜绝对增益系数，y为因变量，为实验中出光脉冲中光子的个数，/>为实验中望远镜实际的增益系数，/>为实验中望远镜接收到的激光信号强度，/>为模拟得到的望远镜接收到的激光信号强度，/>为模拟中设置的脉冲中光子的个数，/>为模拟中设置的望远镜增益系数。
实施例2：
对应于上面的方法实施例，本实施例中还提供了一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备，下文描述的一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备与上文描述的一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法可相互对应参照。
图2是根据示例性实施例示出的一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800的框图。如图2所示，该大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800包括：处理器801和存储器802。该大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800还包括多媒体组件803，I/O接口804，以及通信组件805中的一者或多者。
其中，处理器801用于控制该大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800的整体操作，以完成上述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法中的全部或部分步骤。存储器802用于存储各种类型的数据以支持在该大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800的操作，这些数据例如可以包括用于在该大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据，例如联系人数据、收发的消息、图片、音频、视频等等。该存储器802可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。多媒体组件803可以包括屏幕和音频组件。其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号。例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器802或通过通信组件805发送。音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。I/O接口804为处理器801和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘、鼠标或按钮等。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。通信组件805用于该大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如Wi-Fi、蓝牙、近场通信(Near FieldCommunication，简称NFC)、2G、3G或4G，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件805可以包括：Wi-Fi模块、蓝牙模块或NFC模块。
在一示例性实施例中，大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital SignalProcessing Device，简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法。
在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器802，上述程序指令可由大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备800的处理器801执行以完成上述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法。
实施例3：
相应于上面的方法实施例，本实施例中还提供了一种可读存储介质，下文描述的一种可读存储介质与上文描述的一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法可相互对应参照。
可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法的步骤。
该可读存储介质具体可以为U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的可读存储介质。
综上所述，本发明可为所有的以大气切伦科夫望远镜为探测手段的地面宇宙线实验提供建议，也可为正在建设的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法提供参考。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，其特征在于，包括：
以宇宙射线探测装置的场地中心为坐标原点，设置探测参数信息，模拟每个光子的出射信息，其中探测参数信息包括激光光源参数信息和望远镜参数信息；
构建空气分子模型和气溶胶模型，并根据每个光子的出射信息与大气中的消光系数信息，模拟每个光子在大气中的第一传播信息，其中第一传播信息包括光子位置信息和传播方向信息，其中大气中的消光系数信息包括空气分子的消光系数和气溶胶的消光系数；
基于望远镜参数信息，得到每个光子在大气切伦科夫望远镜内的第二传播信息，其中第二传播信息包括光子传播到望远镜的相机上的位置信息和传播方向信息，并计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值；
对激光出射光的脉冲能量进行计算，求解得到激光器出射脉冲的所有光子，并基于单个光子的电信号数值，将所有光子进行模拟，得到激光器出射脉冲在大气切伦科夫的整个激光事例的成像；
根据整个激光事例的成像，设定两种大气切伦科夫望远镜的视场内激光径迹的微元成像强度的方案，分别得到第一成像强度参数和第二成像强度参数，并基于第一成像强度参数和第二成像强度参数，最终得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数，进而对大气切伦科夫望远镜阵列进行标定，其中两种成像强度方案分别为选取最优激光发射角度的方案和模拟设定大气中只有空气分子的方案。
2.根据权利要求1所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，其特征在于，所述模拟每个光子的出射信息，其中包括：
设定激光发射装置的出光口处的光斑大小，以光子出射点的位置的坐标原点为均值，以光斑半径为方差得到第一正态分布公式，对第一正态分布公式进行抽样得到光子出射点的坐标位置；
设定激光发射装置的光斑发散度，以光子沿水平出射的方向为均值，以发散度除以2为方差得到第二正态分布公式，对第二正态分布公式进行抽样得到光子出射方向的坐标位置；
设定光子的波长以及方差得到第三正态分布公式，对第三正态分布公式进行抽样得到光子的波长；
设定光子的出光时间在0-7纳秒上服从均匀分布公式，对均匀分布公式进行抽样得到光子的出光时间；
将光子出射点的坐标位置、光子出射方向的坐标位置、光子的波长和光子的出光时间进行汇总，并将汇总得到的信息记作光子的出射信息。
3.根据权利要求1所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，其特征在于，所述气溶胶模型的构建过程，包括：
设定气溶胶模型的参数信息，将气溶胶模型的参数信息输入至预设的气溶胶模型中，得到气溶胶的散射系数随海拔变化的数值，并优化气溶胶模型，得到最终优化后的气溶胶模型，其中气溶胶模型的参数信息包括沿水平方向上的衰减长度的参数信息和垂直方向上气溶胶标高的参数信息。
4.根据权利要求1所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，其特征在于，所述根据每个光子的出射信息与大气中的消光系数信息，模拟每个光子在大气中的第一传播信息，其中第一传播信息包括光子位置信息和传播方向信息，其中大气中的消光系数信息包括空气分子的消光系数和气溶胶的消光系数，其中包括：
基于每个光子的出射信息，得到激光的传播长度，对激光的传播长度进行抽样，得到抽样结果，计算公式如下：
式中，/>为消光系数，/>为传播长度，/>则为光子的透过率，/>为数学常数，也为自然对数的底数；
判断抽样结果中的光子是否被散射，若是，则改变传播方向，计算公式如下：
式中，/>为服从[0,1]均匀分布的随机数，/>为通过瑞利散射相函数来模拟散射光子的散射方向；
将空气分子的消光系数带入抽样结果中，并根据光子的传播方向，设置第一光子传播距离，并判断每个光子是否能进入大气切伦科夫望远镜视场，若是，则将气溶胶的消光系数带入抽样结果中，并根据光子的传播方向，设置第二光子传播距离；并判断每个光子是否能进入大气切伦科夫望远镜视场，若是，则继续进行计算，若否，则继续进行抽样迭代，直到光子传播到大气层的边界，得到每个光子在大气中的第一传播信息，其中第一光子传播距离与第二光子传播距离相同。
5.根据权利要求1所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，其特征在于，所述基于望远镜参数信息，得到每个光子在大气切伦科夫望远镜内的第二传播信息，其中第二传播信息包括光子传播到望远镜的相机上的位置信息和传播方向信息，并计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值，其中包括：
根据大气中的消光系数信息，得到每个光子所携带的第一传播信息；
利用每个光子所携带的第一传播信息，得到第一传播情况；其中第一传播情况为判断每个光子是否穿过遮挡结构，若能，则继续进行计算，若否，则终止计算，其中遮挡结构包括大气切伦科夫望远镜的镜筒、相机支架和相机；
利用每个光子所携带的坐标信息和方向信息，得到第二传播情况；其中第二传播情况为判断每个光子能否进入大气切伦科夫望远镜的反射镜平面上，若能，计算反射后单个光子的方向是否能够到达相机上以及单个光子能够到达相机上的位置信息，若否，则终止计算；
根据第一传播情况、第二传播情况和通过大气切伦科夫望远镜的LED标定得到的成像探头的绝对增益，计算大气切伦科夫望远镜接收到的单个光子的电信号数值。
6.根据权利要求1所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，其特征在于，所述对激光出射光的脉冲能量进行计算，求解得到激光器出射脉冲的所有光子，其中包括：
通过激光器获取到连续工作60分钟的第一脉冲能量；
计算得到第一脉冲能量的平均值和标准差，令脉冲中单个光子的能量服从以平均值为期望，标准差为方差的第四正态分布公式；
对第四正态分布公式进行抽样，得到脉冲中单个光子的能量值；
基于单个光子的能量值，求解脉冲中单个光子的个数，最终得到激光器出射脉冲的所有光子。
7.根据权利要求1所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，其特征在于，所述第一成像强度参数和第二成像强度参数的计算过程，其中包括：
选取最优激光发射角度，设计最优的出射方案，其中出射方案包括满足大气切伦科夫望远镜视场内的气溶胶散射强度小于传播路径上气溶胶的衰减的2%；
基于最优的出射方案，计算观测数据中散射位置处微元在大气切伦科夫望远镜中成像的强度，得到第一成像强度参数，计算公式如下：
式中，/>为实验中出光脉冲中光子的个数，/>为望远镜的增益，/>为散射位置处微元/>在望远镜中成像的强度，也就是第一成像强度参数，/>为数学常数，也为自然对数的底数，为传播路径上空气分子和气溶胶的消光系数，/>为散射位置处微元/>内空气分子的散射系数，/>为空气分子的散射概率，/>为散射位置处微元/>朝向望远镜的立体角；
设定模拟程序中的大气中只有空气分子，计算观测数据中散射位置处微元在大气切伦科夫望远镜中成像的强度，得到第二成像强度参数，计算公式如下：
式中，/>为模拟中设定激光脉冲能量的大小，/>为模拟程序中望远镜的增益，/>为数学常数，也为自然对数的底数，/>为传播路径上空气分子的消光系数，/>为散射位置处微元/>内空气分子的散射系数，/>为空气分子的散射概率，/>为散射位置处微元/>朝向望远镜的立体角，/>为模拟得到的望远镜接收到的激光信号强度，也就是第二成像强度参数。
8.根据权利要求1所述的大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法，其特征在于，所述基于第一成像强度参数和第二成像强度参数，最终得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数，其中包括：
将第一成像强度参数和第二成像强度参数进行相除并求解对数，得到成像强度参数，计算公式如下：
式中，/>和/>为激光的出射仰角和望远镜仰角，/>为实验中望远镜接收到的激光信号强度，/>为模拟得到的望远镜接收到的激光信号强度，/>为实验中出光脉冲中光子的个数，/>为模拟中设置的脉冲中光子的个数，/>为实验中望远镜实际的增益系数，/>为模拟中设置的望远镜增益系数，/>为激光传播路径中垂直方向上气溶胶的消光系数；
基于成像强度参数，将气溶胶沿倾斜路径上的消光系数修正到垂直方向，得到大气切伦科夫望远镜的绝对增益系数。
9.一种大气切伦科夫望远镜阵列的标定设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于：所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述大气切伦科夫望远镜阵列的标定方法。
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