基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng)研究

胡慧君 趙寶升 盛立志 鄢秋榮

1)(中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室，西安 710119)

2)(中國科學院研究生院，北京 100049)

基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng)研究

胡慧君趙寶升1)盛立志1)2)鄢秋榮1)2)

1)(中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室，西安 710119)

2)(中國科學院研究生院，北京 100049)

(2010年6月29日收到;2010年7月15日收到修改稿)

為進行X射線脈沖星導航的關(guān)鍵技術(shù)研究，搭建了基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng).地面模擬系統(tǒng)由模擬X射線脈沖源、基于微通道板的高靈敏X射線光子探測器、電荷靈敏前放和主放電路、時間測量單元、X射線脈沖輪廓構(gòu)造及X射線脈沖到達時間測量系統(tǒng)組成.該模擬系統(tǒng)可在地面模擬X射線脈沖星導航的星源的強度、周期及脈沖輪廓，實現(xiàn)對X射線脈沖星單光子到達時間的記錄，構(gòu)造X射線脈沖星脈沖輪廓，計算X射線脈沖到達時間.描述了基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng)的組成和工作原理，報道了基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng)的初步結(jié)果.

X射線脈沖星導航，微通道板光子探測器，脈沖輪廓

PACS:97.60.Gb，07.85.-m，07.05.Fb

1.引 言

1982年毫秒脈沖星PSRB1937+21的發(fā)現(xiàn)，證明毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)頻率非常穩(wěn)定，其頻率穩(wěn)定性足以和現(xiàn)代原子鐘相媲美，可作為一種天體鐘［1］，為空間飛行提供導航信標.基于X射線脈沖星的自主導航方法是一種新型航天器自主導航技術(shù)，該技術(shù)通過探測深空脈沖星的X射線脈沖進行精確的位置計算，實現(xiàn)航天器高精度自主導航和運行管理，不需要地面站的支持.2003年Sheikh等［2］初步論證了基于X射線脈沖星的航天器自主高精度軌道確定的可行性，掀起了X射線脈沖星導航研究的熱潮，2004年美國國防部國防高級研究計劃局(DARPA)啟動了“基于X射線源的自主導航定位”研究計劃.X射線脈沖星導航的關(guān)鍵技術(shù)之一是研制具有單光子分辨能力的X射線光子計數(shù)探測器.目前已知的X射線探測器有正比計數(shù)器、微通道板(MCP)、電荷耦合器件(CCD)及量熱計型X射線探測器.決定X射線脈沖星導航精度的因素是脈沖到達時間的測量誤差，而MCP相比于其他類型的探測器響應時間快，可達納秒量級，時間分辨率高，可達幾十皮秒量級，完全滿足X射線脈沖星導航系統(tǒng)的時間分辨需求.另外，對于在軌運行的探測器，使用壽命是值得考慮的一個重要因素.正比計數(shù)器由于真空中漏氣，CCD易被地球周圍的粒子流損壞，量熱計受所能攜帶的制冷劑的數(shù)量的限制，有效使用壽命受限，而MCP可避免這些不利因素，有效使用壽命較長［3］.再則，MCP探測器技術(shù)相對成熟、信噪比高、探測靈敏度高、背景噪聲低、速度快、動態(tài)范圍寬.因此，選用MCP探測器搭建了X射線脈沖星導航地面模擬系統(tǒng)，用以研究X射線脈沖星導航的關(guān)鍵技術(shù)，如X射線探測器的標定、脈沖相位的測量、脈沖到達時間(TOA)的確定及導航算法的驗證等.

本文詳細介紹了基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng)的組成和工作原理，報道了該模擬系統(tǒng)的初步實驗結(jié)果，對影響脈沖輪廓信噪比的因素進行了分析.

2.系統(tǒng)組成和工作原理

基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng)的組成如圖1所示.圖1(a)為系統(tǒng)原理圖，圖1(b)為實物圖，主要由X射線脈沖輻射源、X射線光子計數(shù)探測器、電子讀出系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理四部分組成.

圖1 基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng) (a)原理圖，(b)地面模擬系統(tǒng)實物圖

2.1.模擬X射線脈沖源

模擬X射線脈沖源主要由X射線球管、斬波器及相應的低壓、高壓電源組成.X射線球陰極接負高壓，陽極接地.燈絲附近裝有控制柵，使燈絲發(fā)出的熱電子在電場的作用下聚焦轟擊靶面.當燈絲通電加熱至高溫時，大量的熱電子產(chǎn)生，在極間高壓作用下高速轟擊靶面使其動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠埽訶射線的形式釋放.在X射線球管出口放置斬波器，在一定轉(zhuǎn)速下將連續(xù)光調(diào)制成一定頻率的周期性脈沖光.X射線球管產(chǎn)生能譜為1—10 keV的X射線，基本覆蓋了X射線脈沖星輻射的能譜范圍，斬波器將連續(xù)的X射線輻射調(diào)制為周期為1.5—300 ms脈沖輻射.

2.2.X射線光子計數(shù)探測器

圖2 基于MCP的光子計數(shù)探測器 (a)示意圖，(b)實物圖

圖3 軟X射線透過率曲線 (a)25 μm聚酰亞胺對軟X射線透過率曲線，(b)1 μm聚酰亞胺對軟X射線透過率曲線，(c)50 nm Al膜對軟X射線透過率曲線

圖2為基于MCP的光子計數(shù)探測器示意圖和基于MCP的光子計數(shù)探測器實物圖.基于MCP的X射線光子計數(shù)探測器由輸入窗、光電陰極、MCP和位敏陽極組成.由于X射線脈沖星輻射能譜集中在1—10 keV的軟X射線波段，常用的石英玻璃窗、鋁窗對軟X射線的透過率很低，為保證探測器的靈敏度滿足探測要求，必須選擇合適的輸入窗材料.文獻［4］報道了聚酰亞胺材料對1—10 keV的軟 X射線的透過率很高，且能有效地吸收1 keV以下的射線.目前選用了25 μm的聚酰亞胺材料作為輸入窗，其透過率如圖3(a)所示［5］.由圖3(a)可以看出，25 μm的聚酰亞胺對1—2 keV的X射線透過率不到0.3，而脈沖星的X射線輻射在1—2 keV范圍最強.為提高1—2 keV能譜范圍X射線的透過率，下一步考慮制作1 μm左右的聚酰亞胺輸入窗，其透過率如圖 3(b)所示［5］，在1—2 keV透過率為0.5—0.9之間.但是1 μm的聚酰亞胺在200 eV附近透過率較大，接近0.4.為能有效屏蔽掉這部分射線，可在聚酰亞胺上蒸鍍50 nm的Al膜，如圖3(c)所示［5］，其透過率在200 eV處接近0.X射線脈沖星導航的關(guān)鍵技術(shù)之一就是獲取高信噪比的X射線脈沖輪廓，以提高脈沖TOA的精度，這就要求探測器系統(tǒng)提供高信噪比輸出信號，對于基于MCP的X射線光子計數(shù)探測器，提高信噪比的關(guān)鍵技術(shù)之一就是高量子效率的光電陰極研制.采用CsI作為軟X射線的光電陰極，文獻［6］對CsI光電陰極與 Au光電陰極在軟X射線波段的量子效率進行了比較，在2—10 keV波段，Au光電陰極的量子效率在0.02—0.08之間，而平板 CsI光電陰極的量子效率大于1，在1—2之間，更利于提高信噪比，因此采用CsI作為軟 X射線光子計數(shù)探測器的光電陰極. MCP是一種大面陣的高空間分辨的電子倍增探測器，并具備非常高的時間分辨率.三塊“Z”型堆疊的MCP可提供106—107的電子增益，因此 MCP適于極微弱的X射線脈沖星脈沖輻射的探測.微通道板作為電子倍增系統(tǒng)，其渡越時間約1 ns，渡越時間彌散約15 ps，響應時間非常短，時間分辨率非常高，滿足X射線脈沖星導航光子計數(shù)探測器對時間響應和時間分辨率的要求.位敏陽極作為MCP輸出的二次倍增電子的接收電極，可同時獲取入射光子的二維位置信息和時間信息，不僅可以測量X射線脈沖的TOA，還可以同時獲取 X射線脈沖源的影像信息.

2.3.電子讀出系統(tǒng)

電子讀出系統(tǒng)由電荷靈敏前放與成形主放、峰值定時與保持電路和基于FPGA(field programmable gate array)的時間測量單元組成.從陽極輸出的信號是單個光電子脈沖，脈沖前沿約為4 μs，而后沿卻很慢，且幅值很小，約十幾個毫伏，這種信號不適合后續(xù)處理，需要通過電荷靈敏前放將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號［7］.電荷靈敏放大器的基本原理如圖4所示，其中A為集成運算放大器，Cf是反饋電容，Rf是反饋電阻，C為耦合電容，RD是探測器偏置電阻.假設(shè)從陽極輸出的電荷量為 QD，根據(jù)電路知識可知，輸出脈沖的幅值Vout為［8］

經(jīng)過電荷靈敏前放轉(zhuǎn)換得到的電壓信號，其前沿仍然很陡，且為消除電荷靈敏前放的脈沖堆積效應，仍需要采用極零相消和成形放大電路，對電荷靈敏前放輸出信號做進一步處理，使其為準高斯波形，便于后續(xù)采樣和處理.如圖5所示為位敏陽極輸出的原始信號和經(jīng)過電荷靈敏前放及成形主放處理后的信號波形圖.

圖4 電荷靈敏前放原理圖

圖5 原始信號及經(jīng)前放和成形主放處理后的波形圖 (a)陽極輸出原始信號波形圖，(b)經(jīng)前放和成形主放處理后的波形圖

圖6為峰值定時與保持電路的原理框圖.高速比較器1作為鑒別器，用以去除低于閾值的噪聲信號.高速比較器2，采樣保持芯片和單穩(wěn)態(tài)芯片完成峰值定時和保持功能，在輸入信號未到達峰值前，采樣保持芯片的輸出與輸入信號僅僅存在一個時間延遲，其輸出被饋入高速比較器2與輸入信號作比較，其功能與恒比定時器一致，只是這里的比例為1，定時點對應于輸入信號的峰值而已.當輸入信號到達峰值時，高速比較器2輸出的定時信號經(jīng)單穩(wěn)態(tài)芯片整形為一寬度為4 μs的脈沖信號，供后續(xù)的時間測量單元使用，同時單穩(wěn)態(tài)芯片輸出的控制信號1使采樣保持芯片的輸出保持峰值，控制信號2通過泄放電路來控制保持時間，供后續(xù)的位置解碼單元使用.圖7為峰值定時與保持電路的輸出信號波形圖.圖7(a)為輸入信號，圖7(b)為峰值保持信號，在輸入信號未到達峰值時與輸入信號一致，輸入信號到達峰值時，將峰值保持4 μs.圖7(c)為峰值定時信號，在輸入信號的峰值時刻輸出寬度為4 μs的脈沖信號，其上升沿與輸入信號的峰值時刻一致.基于FPGA的時間測量單元記錄每個峰值定時信號相對采集起點的時間，采集結(jié)束后轉(zhuǎn)化為X射線光子的絕對TOA.

圖6 峰值定時與保持電路原理框圖

圖7 峰值定時與保持電路的輸出信號波形圖 (a)輸入信號，(b)峰值保持信號，(c)峰值定時信號

2.4.數(shù)據(jù)處理

圖8 單光子輻射原始波形圖

數(shù)據(jù)處理單元主要完成X射線脈沖輪廓的構(gòu)造及脈沖TOA的計算.由于X射線脈沖星的X射線脈沖輻射非常微弱，短時間內(nèi)無法獲取X射線脈沖輪廓，為了得到X射線脈沖輪廓，必須進行長時間的采集.將足夠長時間采集得到的 X射線光子TOA數(shù)據(jù)按照脈沖周期分成M份，每一周期又均分成N份，每一份稱為一個Bin，一個Bin實際對應一個特定的相位，每個Bin內(nèi)可能有光子，也可能沒有光子，最后把M個周期中所有的Bin按照等相位原則疊加到一個周期中，統(tǒng)計疊加后每個 Bin中的光子數(shù)，就得到了 X射線脈沖輪廓［9］.當然對實際的X射線脈沖星，在構(gòu)造脈沖輪廓時還需要考慮達到時間轉(zhuǎn)換［10］及脈沖周期隨時間演化的影響［11］.把測量得到的X射線脈沖輪廓與已知的X射線脈沖輪廓預測模型相比較就可計算出X射線脈沖 TOA［12，13］.

3.結(jié)果和討論

實驗中，將X射線脈沖源調(diào)制周期為150 ms，主峰與次峰間隔為1/4周期，X射線源強度通過改變X射線發(fā)生器的控制電壓、電流及X射線源至探測器的距離來改變，通過示波器觀察光電脈沖信號，將其調(diào)至單光電子脈沖狀態(tài)，如圖8所示.單光子脈沖信號經(jīng)過電子讀出系統(tǒng)記錄每個單光子電脈沖信號TOA，最后通過X射線脈沖輪廓的構(gòu)造原理重現(xiàn)X射線脈沖輪廓.實驗分析了影響累積脈沖輪廓信噪比的三個因素.

3.1.累積時間

圖9為不同累積時間獲取的累積脈沖輪廓圖，讀出系統(tǒng)的采樣間隔為0.2 ms，Bin的大小為1 ms.可以看出隨著累積時間的增長，累積脈沖輪廓的波形趨于光滑，主次峰強度逐漸可以區(qū)分，噪聲的影響逐漸削弱，信噪比逐漸提高.X射線脈沖信號非常微弱，呈現(xiàn)單光子狀態(tài)，單個光子的到達時間是隨機事件，由于X射線脈沖信號具有周期性，大量的光子到達時間的統(tǒng)計分布是確定的，即特定相位占有光子的概率是確定的，但是噪聲光子的到達時間不滿足這樣的統(tǒng)計規(guī)律，因此只要經(jīng)過足夠長時間的積分，信號得以加強，噪聲相對得以抑制，就能獲取高信噪比累積脈沖輪廓.決定X射線脈沖星導航精度的關(guān)鍵技術(shù)之一就是脈沖到達時間的測量精度，而脈沖到達時間測量精度決定于累積脈沖輪廓的信噪比，如下所示［14］:其中Fx為X射線光子流量，A為探測器面積，Pf為脈沖信號輻射相對脈沖星總輻射的比值，Bx為X射線背景輻射流量，tobs為觀測時間長度，d為占空周期，可以表示為脈沖寬度W與脈沖周期P之比，即d=W/P，Npul為脈沖星輻射脈沖部分光子數(shù)，Nnon-pul為占空周期d內(nèi)脈沖星輻射非脈沖部分的光子數(shù)，NB為占空周期d內(nèi)背景輻射的光子數(shù).由(2)，(3)式可知導航定位測距誤差反比于累積脈沖輪廓的信噪比，而由(4)式可知累積脈沖輪廓的信噪比與累積時間成正比，為滿足特定的導航精度必須有足夠長的累積時間，但是累積時間也不能過長，累積時間過長會影響導航的實時性，因此累積時間的選取必須在精度和實時性間折中考慮.

圖9 不同積分時間的累積脈沖輪廓圖 (a)累積時間15 s，(b)累積時間150 s，(c)累積時間450 s

3.2.Bin的大小

圖10為不同 Bin大小的累積脈沖輪廓圖，采樣間隔均為0.2 ms，累積時間均為450 s.三圖相比較，圖10(a)中脈沖輪廓波形毛刺現(xiàn)象嚴重，波形曲線不光滑，信噪比低;圖10(c)雖然波形相對比較光滑，但是卻丟失了脈沖輪廓的部分細節(jié)信息;圖10(b)累積脈沖輪廓的效果較好.由此可見，在構(gòu)造X射線脈沖輪廓時，Bin存在一個最佳值，如果Bin太小，一個 Bin內(nèi)信號光子的數(shù)目相對減小，噪聲光子的影響相對增強，信噪比下降，如果Bin太大，獲得的數(shù)據(jù)點就會減少，脈沖輪廓的細節(jié)就會丟失.

圖10 不同Bin大小時的累積脈沖輪廓圖 (a)Bin大小為0.5 ms，(b)Bin大小為2 ms，(c)Bin大小為5 ms

3.3.采樣間隔

圖11為將電子讀出系統(tǒng)的時間分辨設(shè)置為不同值時獲取的累積脈沖輪廓圖，積分時間均為450 s.可以看到隨著讀出系統(tǒng)時間間隔的增大，累積脈沖輪廓的信噪比下降，主峰高度依次為 450， 180，98，次峰高度依次為350，120，68.電子讀出系統(tǒng)時間間隔增大，就會丟失部分光子信息，使整個探測系統(tǒng)的探測效率降低，進而降低累積脈沖輪廓的信噪比.因此，X射線脈沖光子計數(shù)探測系統(tǒng)必須具有足夠高的時間分辨能力，以提高系統(tǒng)的探測效率.

圖11 不同采樣間隔時的累積脈沖輪廓圖 (a)采樣間隔為0.6 ms，(b)采樣間隔為1 ms

4.結(jié) 論

搭建了基于X射線脈沖星導航的地面模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了X射線脈沖星輻射源的模擬，X射線單光子計數(shù)探測，完成了X射線脈沖輪廓的構(gòu)造，依據(jù)TOA算法可實現(xiàn)X射線脈沖到達時間的測量.分析了影響累積脈沖輪廓信噪比的三個因素:累積時間、Bin的大小及采樣間隔.為滿足特定導航精度要求，必須選擇合適的累積時間及Bin的大小，減小采樣間隔以提高系統(tǒng)對單光子事件探測效率.該系統(tǒng)對于開展X射線脈沖星導航核心技術(shù)攻關(guān)和相關(guān)理論研究具有重要意義.下一步將對X射線探測器的靈敏度進行標定，降低探測系統(tǒng)的噪聲，提高探測器的靈敏度，改進電子讀出系統(tǒng)方案，提高時間分辨率.

感謝中國科學院國家授時中心的陳鼎、楊廷高、蔡紅兵，中國科學院西安光學精密機械研究所光電子學研究室賽小鋒、韋永林、劉永安、陳寶梅等同志的大力支持與指導.

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［14］Sheikh S I，Pines D J 2006 Journal of Guidance，Control，and Dynamics 29 49

PACS:97.60.Gb，07.85.-m，07.05.Fb

A simulation experiment system for X-ray pulsar based navigation

Hu Hui-JunZhao Bao-Sheng1)Sheng Li-Zhi1)2)Yan Qiu-Rong1)2)
1)(State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics，Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Xi’an 710119，China)
2)(Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

29 June 2010;revised manuscript

15 July 2010)

A simulation experiment system for X-ray pulsar based navigation is setup in order to study the key technologies of X-ray pulsar navigation.The system consists of X-ray pulsar source generator，super sensitive X-ray photon counting detector，charge sensitive amplifier，shaping amplifier，time measurement，X-ray pulse profile reconstruction and pulse time of arrival(TOA)measurement.The system can simulate the X-ray pulsar source with different intensities，period and pulse profile.The TOA of individual X-ray photon is recorded，the pulse profile is reconstructed with these data.And by comparing the measured pulse profile with the standard pulse profile of the X-ray pulsar source generator，the pulse TOA is calculated.The construction and the principle of the simulation experiment system are introduced and experiment results are presented.

pulsar navigation，micro-channel plate photon counting detector，pulsar profile