专利名称：：一种用于x射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置，是研究X射线脉冲星导航关键技术，如X射线探测器的标定、脉冲到达时间(T0A)、脉冲相位的测量、导航算法验证的重要实验装置。
背景技术：
：基于X射线脉冲星的自主导航方法是一种新型航天器自主导航技术，该技术通过探测深空脉冲星的X射线脉冲进行精确的位置计算，实现航天器高精度自主导航和运行管理，不受地球观测站和固定导航信标视线的限制。美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)、美国航空航天局(NASA)、欧洲宇航局(ESA)以及日本、欧盟等国家和组织纷纷拟定相关研究计划，开展理论方法研究、关键技术攻关、原理样机研制和飞行试验验证等方面的工作。近年来我国许多单位也开展了相关研究，中科院国家授时中心、中科院高能物理所、中国空间技术研究院、国防科技大学、西安电子科技大学等单位对X射线脉冲星自主导航方法做了一系列研究，并提出了我国发展X射线脉冲星自主导航的必要性和可行性。但是，现有的关于X射线脉冲星导航的研究仅是基于导航算法的研究，如中国发明专利"基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航系统与方法"(授权号CN100501331C)，以及关于脉冲星信号源的模拟发生系统，如中国专利"周期性射线信号发生系统"(申请号200810031475)，"一种脉冲星信号模拟器"(申请号200910023383)等，并没有一套完整的用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置以及模拟方法。由于X射线脉冲星辐射的软X射线强度非常弱，不能穿过大气层到达地面。因此为了研究X射线脉冲星导航的关键技术，如X射线探测器的标定、脉冲到达时间(T0A)、脉冲相位的测量、导航算法的验证等，搭建实验室地面模拟装置、构建实验平台具有重要的意义，为脉冲星导航的工程应用奠定基础。
发明内容本发明的目的是提供一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置，克服现有研究的不足，以实现X射线探测器的标定、X射线脉冲星脉冲到达时间(T0A)的测量、导航算法的验证，为脉冲星导航提供完整的实验装置、平台。本发明的技术解决方案是—种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法，其特殊之处在于包括以下步骤1X射线脉冲星模拟源产生至少三束不同空间位置的X射线脉冲；2将上述多束X射线脉冲入射至金属靶，所述金属靶为铝Al、钛Ti、铬Cr、铁Fe、铜Cu或钼Mo;3用X射线探测器接收金属靶产生的二次X射线标识谱；4用电子读出系统获得X射线探测器的多路输出信号，所述每路输出信号包含相应一个脉冲到达时间信息，该脉冲到达时间信息为二次X射线标识谱到达X射线探测器的时间TOA(timeofarrival);5数据采集系统将多个脉冲到达时间信息用标准时钟进行时间标记，根据导航算法，获得X射线探测器的空间位置信息。上述X射线探测器为气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器、CCD探测器或热量计探测器。上述X射线探测器还可以为真空状态下的MCP探测器。上述金属耙可在铝Al、钛Ti、铬Cr、铁Fe、铜Cu和钼Mo之间切换。—种用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置，包括X射线脉冲星模拟源、金属靶、X射线探测单元、电子读出系统、数据采集系统和标准时钟上述X射线脉冲星模拟源用于产生至少三束不同空间位置的X射线脉冲，其包括至少三个X射线产生器、相应的X射线斩波器及控制电路；上述金属靶放置在X射线脉冲的出射光路上；上述X射线探测单元用于接收金属靶产生的二次X射线标识谱；上述电子读出系统用于获得X射线探测单元的多路输出信号；所述每路输出信号中包含脉冲到达时间信息，该脉冲到达时间信息为二次X射线标识谱到达X射线探测器的时间T0A;上述数据采集系统用于将脉冲到达时间信息用标准时钟进行时间标记，并根据内置的导航算法获得X射线探测单元的空间位置信息；上述地面模拟装置还包括工作腔；所述金属靶和X射线探测单元放置在工作腔中；所述金属靶包括多个不同材料的靶材，所述多个靶材圆周分布在一个可绕金属靶自转轴旋转的圆盘上，所述金属靶自转轴的轴线与入射的多束X射线脉冲均有一个不大于90度的夹角a，所述金属靶自转轴端部伸出工作腔。上述X射线探测单元包括多个不同种类的X射线探测器，所述多个X射线探测器分布在一个可绕探测器自转轴旋转的圆盘上，所述探测器自转轴的轴线与金属靶产生的二次X射线标识谱均有一个不大于90度的夹角13，所述探测器自转轴端部伸出工作腔。上述地面模拟装置还包括工作腔；所述金属靶和X射线探测单元放置在工作腔中；所述X射线探测单元包括多个不同种类的X射线探测器，所述多个X射线探测器分布在一个可绕探测器自转轴旋转的圆盘上，所述探测器自转轴的轴线与金属靶产生的二次X射线标识谱均有一个不大于90度的夹角13，所述探测器自转轴端部伸出工作腔。上述工作腔为真空腔，所述真空腔设置有输入窗，所述X射线脉冲星模拟源的X射线脉冲通过输入窗入射至金属靶上。上述工作腔和/或X射线脉冲星模拟源设置有移动装置。本发明所具有的有益效果1、本发明的X射线脉冲其能量、强度可调，斩波输出的射线脉冲频率及脉冲形状可调，方便模拟不同特征的X射线脉冲星，更接近于脉冲星辐射的真实X射线。2、本发明的入射至X射线探测器的X射线其特征谱线可根据金属靶材材料切换，从而模拟不同辐射能量的X射线脉冲星；且每种材料的特征谱线能量单一，能提高脉冲到达时间和导航算法的精度。3、本发明的X射线探测器可选用不同机理的探测器，以对各种X射线探测器的灵敏度、能量响应等特性参数进行标定。4、本发明的标准时钟提供精确的时标信息，使得脉冲到达时间测量和导航算法具有很高的精度。5、本发明的整套地面模拟装置与实际导航所用系统原理相同，因此为X射线脉冲星导航的关键技术研究提供了完整、便捷的实验平台。图1本发明的X射线脉冲星导航地面模拟装置示意图；图2本发明的金属靶材及X射线探测单元工作腔示意图；图3本发明的工作腔内部结构示意图；其中l-X射线脉冲星模拟源，2-X射线探测单元，3-电子读出系统，4-数据采集系统，41-标准时钟，5-输入窗，6-工作腔，7-金属靶，71-靶材，72-金属靶旋转手柄，73-金属靶自转轴，8-X射线探测单元，81-X射线探测器，82-探测单元旋转手柄，83-探测单元自转轴，91-X射线脉冲，92-二次X射线标识谱，11-探测器高压电极引线，12-真空系统接口法兰，13-真空测量规，14-观察窗。具体实施例方式—种用于X射线脉冲导航的地面模拟方法，包括以下步骤1产生至少三束不同空间位置的X射线脉冲；一般为三束，要求该三束X射线脉冲不在一条直线上；2将上述多数X射线脉冲入射至金属靶，所述金属靶为铝Al、钛Ti、铬Cr、铁Fe、铜Cu或钼Mo，并且可以在他们之间来回切换；保证能量单一，提高脉冲到达时间和导航算法的精度。3用X射线探测器接收金属靶产生的二次X射线标识谱；4用电子读出系统获得X射线探测器的多路输出信号，所述每路输出信号包含相应一个脉冲到达时间信息，该脉冲到达时间信息为二次X射线标识谱到达X射线探测器的时间T0A;(timeofarrival)5数据采集系统将多个脉冲到达时间信息用标准时钟进行时间标记，根据导航算法，获得X射线探测器的空间位置信息。当X射线探测器为气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器、CCD探测器或热量计探测器，可以为任意环境。当使用MCP探测器时就需要在真空环境下。如图1所示为本发明X射线脉冲星导航地面模拟装置示意图，包括X射线脉冲星模拟源1、金属靶7、X射线探测单元2、电子读出系统3、数据采集系统4、工作腔6和标准时钟41，X射线脉冲星模拟源包括至少三个X射线产生器、相应的X射线斩波器及控制电路，一般为三个；金属靶7放置在X射线脉冲的出射光路上；X射线探测单元2用于接收金属靶7产生的二次X射线标识谱；电子读出系统3用于获得X射线探测单元2的多路输出信号；数据采集系统4用于将多路输出信号中包含的脉冲到达时间信息用标准时钟进行时间标记，并根据内置的导航算法获得X射线探测单元的空间位置信息。真空系统接口法兰12用于与真空系统的连接；观察窗14用于观察真空腔体内的各个单元，便于各单元的安装和调节。金属耙包括多个不同材料的耙材，一般为铝Al、钛Ti、铬Cr、铁Fe、铜Cu或钼Mo六种金属，多个靶材71圆周分布在一个可绕金属靶自转轴旋转72的圆盘上，金属靶自转轴的轴线与入射的多束X射线脉冲均有一个不大于90度的夹角a，金属靶自转轴端部伸出工作腔，并可通过金属靶旋转手柄转动金属靶圆盘。工作环境有两种—种是工作腔为普通的工作腔金属靶7与X射线探测单元2置于工作腔内。—种是工作腔为真空腔真空腔设置有输入窗5，金属靶7与X射线探测单元2置于真空腔内，X射线脉冲星模拟源1的X射线脉冲通过输入窗5入射至金属靶上。不管是普通工作腔，还是真空工作腔，X射线探测单元包括多个不同种类的X射线探测器，一般常使用的为6个，多个X射线探测器分布在一个可绕探测器自转轴旋转的圆盘上，探测器自转轴端部伸出工作腔，并可通过金属靶旋转手柄转动探测器圆盘，探测器自转轴的轴线与金属靶产生的二次X射线标识谱均有一个不大于90度的夹角13。此外，工作腔或/和X射线脉冲星模拟源还可以带有移动装置，例如移动车。本发明的工作过程X射线脉冲星模拟源包括至少三个X射线产生器、X射线斩波器及其相应控制电路，产生X射线脉冲，通过输入窗5入射至置于工作腔的金属靶上，金属靶上有六种不同的金属靶材，然后根据需要通过金属靶旋转机构72旋转靶材，产生单能的二次X射线标识谱，用X射线探测器一对一的接收金属靶7产生的单能二次X射线标识谱，X射线探测器81所需高压通过探测器电极引线ll由外部提供，其中X射线探测器也可以通过X射线探测单元旋转机构82根据需要进行旋转，之后用电子读出系统3获得X射线探测器的多路输出信号，其中每路输出信号包含相应一个脉冲到达时间信息，该脉冲到达时间信息为二次X射线标识谱到达X射线探测器的时间TOA;数据采集系统4将多个脉冲到达时间信息用标准时钟进行时间标记，根据导航算法，获得X射线探测器的空间位置信息，即导航应用时航天器的位置信息。本发明用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置，包括X射线脉冲星模拟源、耙材及探测器工作腔、X射线探测器、电子读出系统、数据采集系统、导航算法和标准时钟。X射线由X射线产生器发出，产生的X射线的能量和强度由控制电路控制，采用密封式W靶X射线管作为X射线产生器，其能量范围为120keV，阳极电流为5500iiA，射线经光学斩波器调制成为脉冲式X射线源，其频率和脉冲形状由斩波器控制电路调节，斩波器频率范围为4Hz5kHz，相应脉冲周期为0.2ms250ms。X射线从输入窗5进入靶材真空腔6，真空腔上有连接真空系统的接口法兰12和真空测量规13，真空腔6内设有金属靶盘7和X射线探测单元旋转机构82。金属靶盘上固定有六种不同的金属靶，入射X射线轰击金属靶后激发材料的X射线二次标识谱，不同材料的二次标识谱不同，但每种材料的标识谱唯一，因此每种材料产生的X射线是单一能量的，即该装置可以提供六种不同能量的X射线以模拟不同的脉冲星源，选用表1所示的六种金属材料，得到能量范围为1.5520keV的脉冲X射线。X射线探测单元旋转机构82上可放置不同机理的X射线探测器以进行不同种类探测器的灵敏度、能量响应等特性参数的标定和比较。探测器的高压通过电极引线11由外部高压电源提供。通过金属靶旋转机构72和X射线探测单元旋转机构82进行旋转切换不同的金属靶和不同的探测器。X射线探测器探测脉冲射线，输出信号由电子读出系统读出，电子读出系统3将探测器的输出信号放大、整形，并与标准时钟进行时间相关，完成单次事件计数，记录光子事件到达时间。经过一段时间积分后，通过相应的信号处理，便可重建整个微弱光辐射的计数_时间图像和坐标图像。数据采集系统4完成X射线脉冲轮廓构造、脉冲到达时间T0A确定及脉冲源位置信息解算，图像信息和时间信息可视化再现。表1为本发明所用的金属靶材及其相应的二次X射线标识谱波长。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法，其特征在于包括以下步骤1X射线脉冲星模拟源产生至少三束不同空间位置的X射线脉冲；2将上述多束X射线脉冲入射至金属靶，所述金属靶为铝Al、钛Ti、铬Cr、铁Fe、铜Cu或钼Mo；3用X射线探测器接收金属靶产生的二次X射线标识谱；4用电子读出系统获得X射线探测器的多路输出信号，所述每路输出信号包含相应一个脉冲到达时间信息，该脉冲到达时间信息为二次X射线标识谱到达X射线探测器的时间TOA；5数据采集系统将多个脉冲到达时间信息用标准时钟进行时间标记，根据导航算法，获得X射线探测器的空间位置信息。2.根据权利要求1所述的用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法，其特征在于所述X射线探测器为气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器、CCD探测器或热量计探测器。3.根据权利要求1所述的用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法，其特征在于所述X射线探测器为真空状态下的MCP探测器。4.根据权利要求1或2或3所述的用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法，其特征在于所述金属靶可在铝Al、钛Ti、铬Cr、铁Fe、铜Cu和钼Mo之间切换。5.—种用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置，包括X射线脉冲星模拟源、金属靶、X射线探测单元、电子读出系统、数据采集系统和标准时钟，所述X射线脉冲星模拟源用于产生至少三束不同空间位置的X射线脉冲，其包括至少三个X射线产生器、相应的X射线斩波器及控制电路；所述金属靶放置在X射线脉冲的出射光路上；所述X射线探测单元用于接收金属靶产生的二次X射线标识谱；所述电子读出系统用于获得X射线探测单元的多路输出信号；所述每路输出信号中包含脉冲到达时间信息，该脉冲到达时间信息为二次X射线标识谱到达X射线探测器的时间T0A;所述数据采集系统用于将脉冲到达时间信息用标准时钟进行时间标记，并根据内置的导航算法获得x射线探测单元的空间位置信息。6.根据权利要求5所述的用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置，其特征在于所述地面模拟装置还包括工作腔；所述金属靶和X射线探测单元放置在工作腔中；所述金属靶包括多个不同材料的靶材，所述多个靶材圆周分布在一个可绕金属靶自转轴旋转的圆盘上，所述金属靶自转轴的轴线与入射的多束X射线脉冲均有一个不大于90度的夹角a，所述金属靶自转轴端部伸出工作腔。7.根据权利要求6所述的用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置，其特征在于所述X射线探测单元包括多个不同种类的X射线探测器，所述多个X射线探测器分布在一个可绕探测器自转轴旋转的圆盘上，所述探测器自转轴的轴线与金属靶产生的二次X射线标识谱均有一个不大于90度的夹角13，所述探测器自转轴端部伸出工作腔。8.根据权利要求5所述的用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置，其特征在于所述地面模拟装置还包括工作腔；所述金属靶和X射线探测单元放置在工作腔中；所述X射线探测单元包括多个不同种类的X射线探测器，所述多个X射线探测器分布在一个可绕探测器自转轴旋转的圆盘上，所述探测器自转轴的轴线与金属靶产生的二次X射线标识谱均有一个不大于90度的夹角13，所述探测器自转轴端部伸出工作腔。9.根据权利要求6或7或8所述的用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置，其特征在于所述工作腔为真空腔，所述真空腔设置有输入窗，所述X射线脉冲星模拟源的X射线脉冲通过输入窗入射至金属靶上。10.根据权利要求9所述的用于X射线脉冲星导航的地面模拟装置，其特征在于所述工作腔和/或X射线脉冲星模拟源设置有移动装置。全文摘要本发明涉及一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置，其中方法包括以下步骤1)X射线脉冲星模拟源产生至少三束不同空间位置的X射线脉冲；2)将上述多束X射线脉冲入射至金属靶，所述金属靶为铝Al、钛Ti、铬Cr、铁Fe、铜Cu或钼Mo；3)用X射线探测器接收金属靶产生的二次X射线标识谱；4)用电子读出系统获得X射线探测器的多路输出信号，所述每路输出信号包含相应一个脉冲到达时间信息，该脉冲到达时间信息为二次X射线标识谱到达X射线探测器的时间TOA；本发明实现X射线探测器的标定、X射线脉冲星脉冲到达时间(TOA)的测量、导航算法的验证，为脉冲星导航提供完整的实验装置、平台。文档编号G01C21/24GK101782390SQ20101014083公开日2010年7月21日申请日期2010年4月7日优先权日2010年4月7日发明者盛立志,胡慧君,赛小锋,赵宝升,陈鼎申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所
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