一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法技术

本发明专利技术公开了一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，采用APD实现对0.5～10keV微弱脉冲星光子探测。一方面具有探测效率高、响应时间快、能量分辨高等优点；另一方面，探测器内部光生载流子是沿着pn结向漂移，由探测器本身带来的时间晃动较小，因此非常适用于脉冲星光子定时；采用恒比定时和单阈值触发方法，在抑制噪声的同时，进一步消除由于不同X光子能量带来的幅度游动效应；结合GPS秒脉冲信号长稳和原子钟短稳的优点，通过校正原理输出长稳、高精度时钟频率，保持TDC定时精度，进一步减小脉冲星光子定时误差。

A pulsar photon timing method based on APD detector

The invention discloses a pulsar photon timing method based on a APD detector, and uses APD to realize photon detection of 0.5 to 10keV weak pulsars. It has a high detection efficiency, fast response time, high energy resolution; on the other hand, the internal photogenerated carriers along the PN node to drift, time jitter caused by the smaller the detector itself, so it is very suitable for pulsar photon timing; using constant ratio timing and single threshold trigger method in noise suppression at the same time, further eliminate the effects of different amplitude walk X photon energy brought; combined with the advantages of GPS second pulse signal and long stability of atomic clock stability through short, long, steady output correction principle of high precision clock frequency, maintain TDC accuracy, reduce the pulsar photon timing error further.

【技术实现步骤摘要】
一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法
本专利技术属于深空探测导航、航空航天、信息遥感等
，具体涉及一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法。
技术介绍
脉冲星导航是一种依赖于脉冲星天然时钟的自主导航方式，它完全不依赖于地面站的支持，利用探测宇宙中的脉冲星X射线波段脉冲实现航天器的授时，定姿，定位，进而完成航天器的自主导航。X射线脉冲星导航的基本原理是：测量脉冲星脉冲到达空间飞行器时的相位,组成该脉冲相对于太阳系质心的相位之差,该差是飞行器位置和脉冲星位置的函数,假定已知脉冲星的位置,通过一定的导航算法,即可获得观测时刻空间飞行器相对太阳系质心的位置坐标。脉冲星脉冲到达时间TOA(TimeofArrival)测量是实现脉冲星导航的关键。TOA是通过观测轮廓和高信噪比的标准轮廓比较得到的。航天器通过安装X射线探测器，探测脉冲星辐射的X射线光子，记录光子到达时间，经过一段时间的积分，拟合出脉冲轮廓，并与到达太阳系质心的标准轮廓比较确定TOA。因此，高精度光子到达时间是探测器的基本观测量，直接影响TOA测量和导航精度。光子定时精度与选用的X单光子探测器和定时方法相关。脉冲星导航作为一种新型导航技术，在脉冲星光子定时研究方面目前国内外相关报道较少。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，能够为X射线脉冲星导航探测器研制、脉冲星光子脉冲到达时间TOA测量提供技术支撑。一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，包括如下步骤：步骤1、采用APD探测器探测脉冲星光子，得到光子脉冲信号；步骤2、对步骤1获得的光子脉冲信号进行前置放大和滤波成形处理，使得滤波后输出的脉冲信号尽量保持原始上升沿，其中，光子脉冲信号上升沿时间在100ns～200ns之间；步骤3、将步骤3的脉冲信号分为两路，对其中一路进行衰减，对另外一路进行延迟，通过触发器找到两路信号波形的交点，同时产生一个正脉冲；步骤4、利用原子钟输出50M脉冲时钟以及GPS输出的秒脉冲对步骤3产生的正脉冲进行定时，最终将脉冲星光子到达时间定位在纳秒级。较佳的，所述步骤2中对光子脉冲信号进行前置放大处理采用电压灵敏前放、电流灵敏前放或者电荷灵敏前放方式进行处理。较佳的，所述步骤2中，滤波成形处理采用CR-(RC)m滤波或有源SK滤波实现。较佳的，所述步骤2中，采用CR-(RC)m滤波时，通过选择合适的滤波电路的RC值，使得滤波后输出的脉冲保持原始上升沿。较佳的，所述步骤3中，找到两路信号波形的交点的方法为：假设输入的脉冲信号为斜率为A的三角形信号：Vin＝At(3)则经过q倍衰减后一路信号为：Va＝Aqt(4)经延迟Δt的另一路信号为：Vd＝Aq(t-Δt)(5)由公式(4)和(5)确定波形交点时间tC表示为：tC＝Δt/(1-q)(6)较佳的，衰减路信号的幅度为原始信号的0.4～0.6倍之间。较佳的，延迟信号的延迟时间在20ns～30ns之间。较佳的，所述步骤4中，通过滑动均值方法对GPS输出的秒脉冲进行校正，将经过校正的GPS秒脉冲和50M脉冲时钟，输入到TDC模块中，对光子进行定时，具体为：设GPS接收机输出的秒脉冲时间序列为X＝{x1,x2,…xn}；设原子钟的脉冲周期为T，以该原子钟的脉冲对GPS的秒脉冲时间进行计数，则秒脉冲时间序列表示为Y＝{y1,y2,…yn}，其中：yi＝yi-1+niT-εi(7)其中，i＝1,2,…,n；n表示序列中元素个数；ni为1s内原子钟的计数值；εi为GPS秒脉冲随机误差与原子钟的累积误差之和，满足高斯分布；采用原子钟对GPS脉冲进行长时间计数，获取长期平均计数值作为下一个秒脉冲计数的估计值通过yi与时间序列X中xi比较得到下一秒脉冲误差的估计值将代替ni以及将代替εi，代入(7)式得到修正后的秒脉冲时间序列。较佳的，原子钟对GPS秒脉冲进行校正时，对GPS秒脉冲的计数个数N>10000个。较佳的，所述TDC模块采用时间分相方法对原子钟输出的脉冲时钟进行细分，并由此将细分时间应用于光子定时中。较佳的，将原子钟时钟细分成0°、90°、180°和270°的4个分相时钟，最终定时精度为5ns。本专利技术具有如下有益效果：(1)采用APD实现对0.5～10keV微弱脉冲星光子探测。一方面具有探测效率高、响应时间快、能量分辨高等优点；另一方面，探测器内部光生载流子是沿着pn结向漂移，由探测器本身带来的时间晃动较小，因此非常适用于脉冲星光子定时；(2)采用恒比定时和单阈值触发方法，在抑制噪声的同时，进一步消除由于不同X光子能量带来的幅度游动效应；(3)结合GPS秒脉冲信号长稳和原子钟短稳的优点，通过校正原理输出长稳、高精度时钟频率，保持TDC定时精度，进一步减小脉冲星光子定时误差。附图说明图1为本专利技术的基于APD探测器的脉冲星光子定时方法原理框图；图2为本专利技术的APD单光子探测器基本原理；图3为本专利技术的恒比定时模块；图4为本专利技术的基于原子钟的时间保持模块。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，主要工作原理如图1所示，包括：(1)APD探测器：通过雪崩放大的原理，将入射的X射线荧光通过光电效应转换为微弱的电信号。(2)信号提取模块：包含前置放大、成形滤波等电路，将APD输出的微弱信号转换为可用于定时的脉冲信号；(3)恒比定时模块：采用恒比定时和单阈值触发，保证有效信号采集，同时消除不同能量光子带来的幅度游动；(4)时钟保持模块：采用微型原子钟，结合GPS秒脉冲，输出高稳时钟频率给FPGA，保证TDC定时的精度；(5)TDC(Time-DigitalConvert)模块：在FPGA内部实现，通过GPS秒脉冲作为起始信号，对恒比定时电路输出的正脉冲进行时间数字转换。本专利技术的具体过程如下：(1)APD单光子探测器的基本原理APD探测器采用拉通型结构，可以实现高灵敏和快响应的统一，非常适合于脉冲星弱光子探测。拉通型APD结构和电场分布图如图2所示，采用P+IPN+多层结构。当对APD施加适当的反向偏压时，整个PI区全部耗尽，因此统称耗尽层。耗尽层内部又可以分为倍增区和漂移区。PN+结由于内建电场效应存在高场区，又称为倍增区，其承受了APD所加反向偏压的大部分压降。I区比P区宽得多，但其电场也比高场区弱得多，但足以使载流子保持一定的漂移速度，在较宽的I区内只需短暂的渡越时间，因此I区又称漂移区。当入射光透过增透层入射进半导体材料内，产生光生载流子电子空穴对。电子空穴对在倍增区通过高场加速获得很高的能量，通过不断的碰撞电离，使载流子的浓度成倍地增加，产生雪崩倍增效应。倍增后的光生载流子然后在漂移区快速渡越，直至被两端的电极收集。这样一束，雪崩光电二极管既能获得快的响应速度，又具有一定的增益，同时降低了噪声。具体实施中，X光子APD探测器可以选用FMB-Oxford公司生产的APD007型号，响应时间小于10ns，能量分辨优于300eV@6keV，反向偏压0-400V。探测器窗口选用70μmKapton材料，只允许0.5-20KeV的X光子通过。(2)前置放大与滤波成形电路前置放大根据不同探测器型号可以选择电压灵敏前放、电流灵敏前放、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、采用APD探测器探测脉冲星光子，得到光子脉冲信号；步骤2、对步骤1获得的光子脉冲信号进行前置放大和滤波成形处理，使得滤波后输出的脉冲信号尽量保持原始上升沿，其中，光子脉冲信号上升沿时间在100ns～200ns之间；步骤3、将步骤3的脉冲信号分为两路，对其中一路进行衰减，对另外一路进行延迟，通过触发器找到两路信号波形的交点，同时产生一个正脉冲；步骤4、利用原子钟输出50M脉冲时钟以及GPS输出的秒脉冲对步骤3产生的正脉冲进行定时，最终将脉冲星光子到达时间定位在纳秒级。

【技术特征摘要】
1.一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、采用APD探测器探测脉冲星光子，得到光子脉冲信号；步骤2、对步骤1获得的光子脉冲信号进行前置放大和滤波成形处理，使得滤波后输出的脉冲信号尽量保持原始上升沿，其中，光子脉冲信号上升沿时间在100ns～200ns之间；步骤3、将步骤3的脉冲信号分为两路，对其中一路进行衰减，对另外一路进行延迟，通过触发器找到两路信号波形的交点，同时产生一个正脉冲；步骤4、利用原子钟输出50M脉冲时钟以及GPS输出的秒脉冲对步骤3产生的正脉冲进行定时，最终将脉冲星光子到达时间定位在纳秒级。2.如权利要求1所述的一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，其特征在于，所述步骤2中对光子脉冲信号进行前置放大处理采用电压灵敏前放、电流灵敏前放或者电荷灵敏前放方式进行处理。3.如权利要求1所述的一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，其特征在于，所述步骤2中，滤波成形处理采用CR-(RC)m滤波或有源SK滤波实现。4.如权利要求1所述的一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，其特征在于，所述步骤2中，采用CR-(RC)m滤波时，通过选择合适的滤波电路的RC值，使得滤波后输出的脉冲保持原始上升沿。5.如权利要求1所述的一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法，其特征在于，所述步骤3中，找到两路信号波形的交点的方法为：假设输入的脉冲信号为斜率为A的三角形信号：Vin＝At(3)则经过q倍衰减后一路信号为：Va＝Aqt(4)经延迟Δt的另一路信号为：Vd＝Aq(t-Δt)(5)由公式(4)和(5)确定波形交点时间tC表示为：tC＝Δt/(1-q)(6)。6.如权利要求1所述的一种基于APD探测器的脉冲星光子定时...

【专利技术属性】
技术研发人员：金东东，陈二雷，胡慧君，王文丛，裴崇雷，袁鹏，万胜伟，李文彬，
申请(专利权)人：山东航天电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37