一种能量粒子探测器信号处理系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种能量粒子探测器信号处理系统及方法，包括：前置放大器模块，将能量粒子探测器输出的电脉冲信号转换成电压再转换成电荷；模拟ASIC芯片，将电荷进行处理输出差分电流信号；调理电路，将模拟ASIC芯片输出的差分电流信号进行电流－电压转换；ADC模块，将调理电路输出的电压信号进行数字化；触发信号产生模块，将能量粒子探测器输出的电脉冲信号进行处理产生触发输出信号；标定模块，进行定期在轨标定；高压场电路，提供使各能量粒子探测器正常工作的偏置高压；DAC模块，用于产生不同幅度的电压信号；核心处理系统实现噪声去除、温度补偿、状态监测、高能粒子种类鉴别及系统在轨标定，并与载荷控制器进行数据通信。

A signal processing system and method of energy particle detector

【技术实现步骤摘要】
一种能量粒子探测器信号处理系统及方法
本专利技术是关于一种应用于深空环境的能量粒子探测器信号处理系统及方法，涉及空间带电粒子探测

技术介绍
类地行星探测一直是人类走出地月系统，开展深空探测的首选目标。从20世纪90年代至今，国际上以发展新技术和获得科学发现为主要驱动力，催生了类地行星探测的新热潮，并由美国和俄罗斯两国扩展到了日本、欧洲及印度等国家。我国也于2016年正式立项，将首次实现类地行星环绕、着陆和巡视。作为环绕器有效载荷之一的能量粒子探测器，将在巡视和环绕的过程中对反映空间环境情况的主要包括质子、电子、α粒子和重离子(2<Z≤26)的太阳粒子进行探测。因此，要求能量粒子探测器需要能对质子、电子、α粒子和重离子进行复合探测，即进行粒子种类的鉴别和粒子能量的测量，最终获得各类粒子的能谱。为了实现多粒子种类的探测，该探测器系统采用了集成探测方案设计。由于被测能量粒子的能量范围很广，能量下限小于80keV，上限大于400MeV，其中，能量下限低于国外同类产品的技术指标。现有的信号处理系统兼顾了小信号测量，就难以同时兼顾大信号测量。要在一个探头上实现对不同种类、不同能量粒子的测量，需要信号处理系统既具有低噪声、高灵敏度；又具有大动态范围。低噪声、高灵敏度的特性，保证了信号处理系统对能量小于80keV的电子信号能正常放大和处理；大动态范围的特性，保证了信号处理系统在处理能量大于400MeV的重离子信号时不会出现饱和现象。如何保证能量下限的测量覆盖、抑制噪声影响，同时兼顾大信号(104的大动态范围)的测量是能量粒子探测器信号处理系统面临的挑战。专利
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够抑制噪声影响且兼顾大动态范围和高灵敏度测量需求的能量粒子探测器信号处理系统及方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种能量粒子探测器信号处理系统，该系统包括：前置放大器模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号转换成电压再转换成电荷；模拟ASIC芯片，用于将所述前置放大器模块输出的电荷进行处理输出差分电流信号；调理电路，用于将所述模拟ASIC芯片输出的差分电流信号进行电流－电压转换；ADC模块，用于将所述调理电路输出的电压信号进行数字化；触发信号产生模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号进行处理产生触发输出信号；标定模块，用于进行在轨标定；高压场电路，用于提供使各能量粒子探测器正常工作的偏置高压；DAC模块，用于产生不同幅度的电压信号发送所述标定模块和高压场电路完成相应电压的配置；核心处理系统，用于实现上述各器件的控制逻辑和参数设置，并接收所述ADC模块、触发信号产生模块和DAC模块的信号实现噪声去除、温度补偿、状态监测、在轨标定、粒子种类鉴别及能量等级划分，并与载荷控制器进行数据通信。进一步地，所述核心处理系统包括通信主控制器、复位处理模块、自守时模块、触发判选模块、防闩锁控制模块、运行状态监测模块以及科学数据生成处理模块；所述通信主控制器用于通过通信接口连接外部载荷控制器并与其进行信号交互，且所述通信主控制器分别与所述复位处理模块、自守时模块、防闩锁控制模块、科学数据生成处理模块、触发判选模块以及运行状态监测模块进行数据交互及状态控制，并对各器件的控制逻辑和参数进行设置；所述复位处理模块用于接收各硬件和通信主控器的复位指令，进行复位操作；所述自守时模块用于获取所述通信主控制器发送的时间码，生成时间戳并向所述科学数据生成处理模块提供时间戳信息；同时根据自动标定条件判断自动标定是否启动，若满足自动标定条件，则输出标定使能信号控制所述标定模块进入标定模式；所述运行状态监测模块用于获取各器件的温度、电流、电压以及各模块产生的工程参数，通过应答遥测轮询指令的方式，回传给载荷控制器；所述防闩锁模块用于获取所述运行状态监测模块采集到的电流参数，根据所述通信主控制设置的自断电阈值进行判定并对所述模拟ASIC芯片的闩锁现象采取防护措施；所述触发判选模块用于实时监测所述触发信号产生模块产生的多路触发信号，判选出有效触发信号，对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给所述科学数据生成处理模块；所述科学数据生成处理模块用于接收所述触发判选模块的有效触发信号，控制所述模拟ASIC芯片和ADC模块，开始一次事件的处理过程：对能量粒子探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除和温度补偿，使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别和能量等级划分，缓存鉴别结果，事件处理结果由所述通信主控制器通过通信接口发送到载荷控制器。进一步地，本地噪声扣除的具体过程为：通过在轨标定得到本底噪声数据，当有粒子事件时，能量粒子探测器信号经过处理和数字化后，输入到所述核心处理系统，所述科学数据生成处理模块将所有通道的信号和对应通道的本底噪声进行相减，有信号的通道则剩下纯信号，没有信号的通道和本底噪声相减，近似为0，经过扣除后，得到有用信号，去除噪声信号。进一步地，温度补偿的具体过程为：所述科学数据生成处理模块内存有不同温度下对应的ADC补偿码，通过100Hz的频率从所述运行状态监测模块读取所述模拟ASIC电路的温度以及所述通信主控器的温度数据，通过查表找到对应温度下的补偿值，如果当前温度低于标准温度，则差值加进原数值，如果高于标准温度，则从原数值中减去该差值，表中的温度参数均来自于地面的环境试验。进一步地，粒子鉴别采用数字化ΔE-E运算方法进行处理。进一步地，能量等级划分的具体过程为：将每种能量粒子探测器可鉴别粒子的能量设计量程按照对数坐标分成18个能道，当能量粒子探测器捕获到有效宇宙粒子事件后，通过科学数据生成处理模块设置的数字化ΔE-E算法进行粒子鉴别和挡光片能损补偿，然后经过比较后填入到符合范围的能道中，每个能道设计有一个16位宽的计数器，粒子事件填入一次，则计数器+1，经过一定时间积累，即可得到粒子类型及对应能量的统计分布。进一步地，所述核心处理系统采用固件FPGA。第二方面，本专利技术还提供一种基于所述能量粒子探测器信号处理系统的信号处理方法，包括以下内容：(1)能量粒子探测器进行加电，核心处理系统进行初始化操作，系统自动进入观测工作模式；(2)通信主控制器控制核心处理系统的全部功能模块并行工作，同时循环监听外部通信接口，检查是否接收到载荷控制器上传指令，当监测到传送信号命令时，将信号回传给载荷控制器，其中，可接收4类指令，分别为配置指令①、读科学数据指令②、读状态参数指令③和校时指令④：(3)触发判选模块自复位初始化后，实时监测触发信号产生模块输入的多路触发信号，判选出有效事件触发，然后对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给科学数据生成处理模块；(4)科学数据生成处理模块接收到有效触发后，控制模拟ASIC芯片和ADC模块，开始一次事件的处理过程：对能量粒子探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除，温度补偿，使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别，挡光片能损补偿，能量等级划分，缓存鉴别结果；当通信主控制器接收到②指令时，通信主控制器读取缓存数据，然后添加校验码、打包，最后通过外部通信接口返回给载荷控制器；(5)运行状态监测模块自复位初始化后，控制ADC模块循环采样能量粒子探测器硬件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，该系统包括：前置放大器模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号转换成电压再转换成电荷；模拟ASIC芯片，用于将所述前置放大器模块输出的电荷进行处理输出差分电流信号；调理电路，用于将所述模拟ASIC芯片输出的差分电流信号进行电流－电压转换；ADC模块，用于将所述调理电路输出的电压信号进行数字化；触发信号产生模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号进行处理产生触发输出信号；标定模块，用于进行在轨标定；高压场电路，用于提供使各能量粒子探测器正常工作的偏置高压；DAC模块，用于产生不同幅度的电压信号发送所述标定模块和高压场电路完成相应电压配置；核心处理系统，用于实现上述各器件的控制逻辑和参数设置，并接收所述ADC模块、触发信号产生模块和DAC模块的信号实现噪声去除、温度补偿、状态监测、在轨标定、粒子种类鉴别及能量等级划分，并与载荷控制器进行数据通信。

【技术特征摘要】
1.一种能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，该系统包括：前置放大器模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号转换成电压再转换成电荷；模拟ASIC芯片，用于将所述前置放大器模块输出的电荷进行处理输出差分电流信号；调理电路，用于将所述模拟ASIC芯片输出的差分电流信号进行电流－电压转换；ADC模块，用于将所述调理电路输出的电压信号进行数字化；触发信号产生模块，用于将能量粒子探测器输出的电脉冲信号进行处理产生触发输出信号；标定模块，用于进行在轨标定；高压场电路，用于提供使各能量粒子探测器正常工作的偏置高压；DAC模块，用于产生不同幅度的电压信号发送所述标定模块和高压场电路完成相应电压配置；核心处理系统，用于实现上述各器件的控制逻辑和参数设置，并接收所述ADC模块、触发信号产生模块和DAC模块的信号实现噪声去除、温度补偿、状态监测、在轨标定、粒子种类鉴别及能量等级划分，并与载荷控制器进行数据通信。2.根据权利要求1所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，所述核心处理系统包括通信主控制器、复位处理模块、自守时模块、触发判选模块、防闩锁控制模块、运行状态监测模块以及科学数据生成处理模块；所述通信主控制器用于通过通信接口连接外部载荷控制器并与其进行信号交互，且所述通信主控制器分别与所述复位处理模块、自守时模块、防闩锁控制模块、科学数据生成处理模块、触发判选模块以及运行状态监测模块进行数据交互及状态控制，并对各器件的控制逻辑和参数进行设置；所述复位处理模块用于接收各硬件和通信主控器的复位指令，进行复位操作；所述自守时模块用于获取所述通信主控制器发送的时间码，生成时间戳并向所述科学数据生成处理模块提供时间戳信息；同时根据自动标定条件判断自动标定是否启动，若满足自动标定条件，则输出标定使能信号控制所述标定模块进入标定模式；所述运行状态监测模块用于获取各器件的温度、电流、电压以及各模块产生的工程参数，通过应答遥测轮询指令的方式，回传给载荷控制器；所述防闩锁模块用于获取所述运行状态监测模块采集到的电流参数，根据所述通信主控制设置的自断电阈值进行判定并对所述模拟ASIC芯片的闩锁现象采取防护措施；所述触发判选模块用于实时监测所述触发信号产生模块产生的多路触发信号，判选出有效触发信号，对其进行优先级排序，并输出高优先级触发信号给所述科学数据生成处理模块；所述科学数据生成处理模块用于接收所述触发判选模块的有效触发信号，控制所述模拟ASIC芯片、ADC模块，开始一次事件的处理过程：对能量粒子探测器输入信号采样，获取原始科学数据，本底噪声扣除和温度补偿，使用数字化ΔE-E运算方法进行粒子鉴别和能量等级划分，缓存鉴别结果，事件处理结果由所述通信主控制器通过通信接口发送到载荷控制器。3.根据权利要求2所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，本地噪声扣除的具体过程为：通过在轨标定得到本底噪声数据，当有粒子事件时，能量粒子探测器信号经过处理和数字化后，输入到所述核心处理系统，所述科学数据生成处理模块将所有通道的信号和对应通道的本底噪声进行相减，有信号的通道则剩下纯信号，没有信号的通道和本底噪声相减，近似为0，经过扣除后，得到有用信号，去除噪声信号。4.根据权利要求2所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，温度补偿的具体过程为：所述科学数据生成处理模块内存有不同温度下对应的ADC补偿码，通过100Hz的频率从所述运行状态监测模块读取所述模拟ASIC电路的温度以及所述通信主控器的温度数据，通过查表找到对应温度下的补偿值，如果当前温度低于标准温度，则差值加进原数值，如果高于标准温度，则从原数值中减去该差值，表中的温度参数均来自于地面的环境试验。5.根据权利要求2所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，粒子鉴别采用数字化ΔE-E运算方法进行处理。6.根据权利要求2所述的能量粒子探测器信号处理系统，其特征在于，能量等级划分的具体过程为：将每种能量粒子探测器可鉴别粒子的能量设计量程按照对数坐标分成18个能道，当能量粒子探测器捕获到有效宇宙粒子事件后，通过科学数据生成处理模块设置的数字化ΔE-E算法进行粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：千奕，赵红赟，杨海波，孙志朋，苏弘，孔洁，余玉洪，唐述文，张永杰，孙志宇，方芳，蒲天磊，牛小阳，佘乾顺，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62