一种X射线圆偏振测距方法技术

本发明专利技术公开了一种X射线圆偏振测距方法，所述方法利用圆偏振调制技术调制测距信号，采用斯托克斯矢量和Mueller矩阵对测距过程中各阶段的偏振信号进行数学建模；基于信号模型描述了调制和解调过程中的偏振状态的转变，进而说明了左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的检测和差分解调抑制噪声的原理；在接收站恢复测距码，通过再生测距码的措施来消减背景噪声提高信噪比。本发明专利技术中X射线的高能量、低传播损耗、高定向性的特点使其适合于自由空间中的测距，同时，圆偏振调制技术具有更强的抗干扰性能，适合于条件严酷的自由空间中的信息传输。

【技术实现步骤摘要】
一种X射线圆偏振测距方法
本专利技术涉及一种航空应用领域的测距方法，具体涉及一种X射线圆偏振测距方法。
技术介绍
测距技术作为深空探测活动的关键技术之一，在导航、相对定位、定轨、卫星星座配置等方面都有广泛应用。随着深空探测活动的开展，常规的测距技术由于其缺陷无法满足日益增长的探测需求。距离的测量一般是通过测量两个待测距离目标之间的测距信号的双向传播时间，然后换算为距离。早期的测距使用的是射频(RF)作为承载测距信号的媒介。射频测距法在近地和深空探测中都广泛的应用。不过此种方法需要的装置的体积比较大，功耗高，数据传输率较低。近几年普遍采用激光测距(LR，Laserranging)来克服射频测距的缺点。激光光束的能量集中，定向性好的特点利于测距的准确性的提高。同时，激光测距设备小、功耗低，适合远距离长时间的测距任务。然而，由于激光光束能量的约束和能量衰减的限制，激光的传播距离有限。另外，激光作为媒介传送测距信号使用的是光强度调制，而激光强度容易在传播过程受自由空间中的背景噪声的干扰，从而带来测距误差。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种新的测距方法——X射线圆偏振测距(X-rayPolarizedRanging，XCPolR)。X射线圆偏振测距方法利用X射线作为传输测距信息的媒介，高能量、低传播损耗以及高定向性等特点使得X射线适合于自由空间中的测距。同时，X射线测距中使用的是圆偏振调制技术，圆偏振调制利用光的固有属性——圆偏振状态来调制信息。与光强度调制相比，由于偏振状态在一定条件下非常稳定，使得偏振调制具有更强的抗干扰性能，而且发射机和接受机之间的相对旋转对于偏振状态的检测没有影响，这使得圆偏振调制法适合于条件多变的自由空间中传输。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种X射线圆偏振测距方法，所述方法包括如下步骤：步骤1，生成测距码；步骤2，将测距码被调制到X射线圆偏振信号上，形成X射线圆偏振调制信号，并在发射站发出，通过在自由空间信道中传播送往接收站；电磁波的偏振表征了在空间给定点上的电场强度矢量的取向随时间变化的特征，并且用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述。若端点的轨迹是直线，则称为线偏振波；若是圆，则称为圆偏振；若是椭圆，则称为是椭圆偏振。圆偏振调制的特征在于圆偏振存在左旋和右旋两种圆偏振状态，如果用左旋偏振状态表示′1′，右旋偏振状态表示′0′，不同的偏振状态的组合就表示了不同的信息；按时间顺序排列的一系列左旋和右旋偏振状态就可以用来表示测距信号，即测距信号被调制到X射线偏振信号上。圆偏振调制就是建立在圆偏振存在右旋和左旋偏振状态的原理之上。偏振状态是偏振光的固有属性，这种属性在一定条件之下不会发生改变，所以，偏振状态可以用来传送信息。偏振调制法正是X射线偏振测距技术的基础。步骤3，接收站对接收到的X射线圆偏振调制信号进行探测与转换，得到对应的电信号；步骤4，对步骤3中得出的电信号进行差分解调，得出测距信号；步骤5，利用恢复的测距信号相位对测距信号进行再生，并将该再生测距信号在接收站发射回发射站；步骤6，计算获取接收站发射测距信号和发射站接收返回的测距信号之间的双向时间延迟，并据此计算出需要测量的距离。需要说明的是，所述步骤1中，所述测距码使用国际空间数据系统咨询委员会(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems，CCSDS)推荐的T4B伪随机码。需要说明的是，所述步骤2的具体实现流程如下：步骤2.1，X轴和Y轴形成光矢量的振动平面，Z轴表示光的传播方向，则定义相互正交的电场强度矢量为Ex和Ey，所述电场强度矢量Ex和Ey可以表示为：其中，Ai(i＝x，y)表示电场强度矢量的振幅，φi(i＝x，y)是相位，ω是电矢量分量的角频率；总的电场矢量E是Ex和Ey的矢量和，即E＝Ex+Ey。步骤2.2，引入斯托克斯参数以描述偏振现象：斯托克斯参数表示如下：其中δ＝φx-φy，表示两个方向上的电场矢量的相位差；斯托克斯参数表示为矢量形式为：S(Ax，Ay，δ)＝[S0，S1，S2，S3]T；当δ＝0时，此时的偏振光称为是线偏振；当时，此时的偏振光是椭圆偏振；当时，此时的偏振光是圆偏振，有Ax＝Ay＝A，其中，当δ＝π/2+2nπ时，是左旋圆偏振状态；当δ＝-π/2+2nπ时，是右旋圆偏振状态，对应的斯托克斯矢量分别为2A2[1001]T和2A2[100-1]T；步骤2.3，二进制的测距信号表示为：其中t为时间，{ci}是测距码，i∈N，i＜M，M是测距码的长度，T为单个时隙的时间长度；g(·)为门函数，定义为：X射线圆偏振调制信号用斯托克斯矢量表示为：s(t)＝{Si(Ax，Ay，Ψ(r(t)))}，i∈N，i＜M其中，s(t)实际上为按时间顺序排列的呈现不同偏振状态的X射线时隙序列，每一个时隙的持续时间为T，包含特定的偏振状态；Ψ(k)用于确定偏振状态是左旋圆偏振还是右旋圆偏振；Ψ(k)被定义为步骤2.4，在圆偏振调制之后，X射线圆偏振调制信号s(t)在发射站发射，在自由空间信道中传播，传输到接收站。进一步地，步骤3中，所述圆偏振调制信号的探测与转换是基于斯托克斯矢量和Mueller矩阵进行描述的，具体包括如下步骤：步骤3.1，发射站发送的X射线圆偏振调制信号在自由空间传播一段时间后，接收站接收到的X射线圆偏振调制信号变为：s′(t)＝{Si(Ax，Ay，Ψ(r(t-τ′)))}，i∈N，i＜M；其中，τ′是单向传输时间延迟；步骤3.2，引入Mueller矩阵描述波片，波片是能使互相垂直的光矢量振动间产生附加相位差的光学器件；所述波片用Mueller矩阵表示为：其中，θ表示波片的透光轴与x轴之间的夹角；对于接收站接收的圆偏振光，δ＝Ψ(t-τ′)；对于四分之一波片来说，θ＝π/2，则四分之一波片的Mueller矩阵可以表示为步骤3.3，接收站接收到的X射线圆偏振调制信号通过所述四分之一波片，四分之一波片能使圆偏振光转化为直线偏振光；通过所述四分之一波片后的X射线圆偏振调制信号变为：L＝{S′i(Ax，Ay，Ψ(r(t-τ′)))}，i∈N，i＜M；其中：对于圆偏振光，有Ax＝Ay＝A和cos(Ψ)＝0，因此有：通过四分之一波片之后，圆偏振光转变成了沿±π/4方向上振动的线偏振光；左旋圆偏振光通过四分之一波片时，有Ψ＝π/2+2nπ，此时S′i＝[2A2，0，-2A2，0]T，左旋圆偏振光通过该四分之一波片后，光矢量的震动方向在第二和第四象限；类似的，右旋圆偏振光在通过该四分之一波片后，光矢量的振动方向在第一和第三象限。步骤3.4，通过偏振光分光器，两个相互正交的线偏振光被分开进入通道l1和l2，沿第二和第四象限振动的线偏振光进入通道l1，沿第一和第三象限振动的线偏振光进入通道l2；线偏振光在进入通过后，采用光学偏振片滤除杂散光；由于当光学偏振片的透射方向与线偏振光的振动方向一致时，在滤除杂散光的同时不会改变信号光的偏振性质，现引入所述光学偏振片的Mueller矩阵来表示被偏振光分光器分开进入通道后的线偏振光的信号形式：所述光学偏振片的Mueller矩阵表示为：其中，是所述光学偏振片的透光轴方向和X轴方向之间的夹角；对于通道l1来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种X射线圆偏振测距方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，生成测距码；步骤2，利用X射线圆偏振调制将测距码调制到X射线信号上，形成X射线圆偏振调制信号，并从发射站发出，通过在自由空间信道中传播送往接收站；步骤3，接收站对接收到的X射线圆偏振调制信号进行探测与转换，得到对应的电信号；步骤4，对步骤3中的电信号进行差分解调得到测距信号；步骤5，利用恢复的测距信号相位对测距信号进行再生，并将该测距信号从接收站发射回发射站；步骤6，计算获取接收站发射测距信号和发射站接收返回的测距信号之间的双向时间延迟，并据此计算出需要测量的距离。

【技术特征摘要】
1.一种X射线圆偏振测距方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，生成测距码；步骤2，利用X射线圆偏振调制将测距码调制到X射线信号上，形成X射线圆偏振调制信号，并从发射站发出，通过在自由空间信道中传播送往接收站；步骤3，接收站对接收到的X射线圆偏振调制信号进行探测与转换，得到对应的电信号；步骤4，对步骤3中的电信号进行差分解调得到测距信号；步骤5，利用恢复的测距信号相位对测距信号进行再生，并将该测距信号从接收站发射回发射站；步骤6，计算获取接收站发射测距信号和发射站接收返回的测距信号之间的双向时间延迟，并据此计算出需要测量的距离。2.根据权利要求1所述的一种X射线圆偏振测距方法，其特征在于，所述步骤1中，所述测距码使用T4B伪随机码。3.根据权利要求1所述的一种X射线圆偏振测距方法，其特征在于，所述步骤2包括具体步骤如下：步骤2.1，X轴和Y轴形成光矢量的振动平面，Z轴表示光的传播方向，则定义相互正交的电场强度矢量为Ex和Ey，所述电场强度矢量Ex和Ey可以表示为：其中，Ai(i＝x,y)表示电场强度矢量的振幅，φi(i＝x,y)是相位，ω是电矢量分量的角频率，t为时间；总的电场强度E是Ex和Ey的矢量和，即E＝Ex+Ey；步骤2.2，引入斯托克斯参数以描述偏振现象：斯托克斯参数表示如下：其中δ＝φx-φy，表示两个方向上的电场矢量的相位差；斯托克斯参数表示为矢量形式如下：S(Ax,Ay,δ)＝[S0,S1,S2,S3]T；对于圆偏振光，有和Ax＝Ay＝A，其中当δ＝π/2+2nπ时，是左旋圆偏振状态，对应的斯托克斯矢量为2A2[1001]T；当δ＝-π/2+2nπ时，是右旋圆偏振状态，对应的斯托克斯矢量为2A2[100-1]T；步骤2.3，二进制的测距信号表示为：其中t为时间，{ci}是测距码，i∈N,i＜M，M是测距码的长度，T为单个时隙的时间长度；g(·)为门函数，定义为：X射线圆偏振调制信号用斯托克斯参数表示为：s(t)＝{Si(Ax,Ay,Ψ(r(t)))},i∈N,i＜M其中，s(t)实际上为按时间顺序排列的呈现不同偏振状态的X射线时隙序列，每一个时隙的持续时间为T，包含特定的偏振状态；Ψ(k)用于确定偏振状态是左旋圆偏振还是右旋圆偏振，Ψ(k)被定义为步骤2.4，在X射线圆偏振调制之后，X射线圆偏振调制信号s(t)在发射站发射，在自由空间信道中传播，传输到接收站；步骤3中，所述X射线圆偏振调制信号的探测与转换基于斯托克斯矢量和Mueller矩阵进行描述的，具体包括如下步骤：步骤3.1，发射站发送的X射线圆偏振调制信号在自由空间传播一段时间后，接收站接收到的X射线圆偏振调制信号变为：s'(t)＝{Si(Ax,Ay,Ψ(r(t-τ')))},i∈N,i＜M；其中，τ'是单向传输时间延迟；步骤3.2，引入Mueller矩阵描述波片，所述波片用Mueller矩阵表示为：其中，θ表示波片的透光轴与x轴之间的夹角，则对于四分之一波片来说，θ＝π/2，因此四分之一波片的Mueller矩阵可以表示为；步骤3.3，接收站接收到的X射线圆偏振调制信号通过所述四分之一波片，且通过所述四分之一波片后的X射线圆偏振调制信号变为：L＝{S'i(Ax,Ay,Ψ(r(t-τ')))},i∈N,i＜M；其中：对于圆偏振，有Ax＝Ay＝A和cos(Ψ)＝0，因此上式可以写成：S'i(Ax,Ay,Ψ(r(t-...

【专利技术属性】
技术研发人员：许录平，宋诗斌，张华，孙景荣，张航，阎博，申洋赫，简阅，吴超，金正灿，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61