本發(fā)明屬于深空探測(cè)導(dǎo)航、航空航天、信息遙感等技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于APD探測(cè)器的脈沖星光子定時(shí)方法。

背景技術(shù)：

脈沖星導(dǎo)航是一種依賴(lài)于脈沖星天然時(shí)鐘的自主導(dǎo)航方式，它完全不依賴(lài)于地面站的支持，利用探測(cè)宇宙中的脈沖星X射線(xiàn)波段脈沖實(shí)現(xiàn)航天器的授時(shí)，定姿，定位，進(jìn)而完成航天器的自主導(dǎo)航。X射線(xiàn)脈沖星導(dǎo)航的基本原理是：測(cè)量脈沖星脈沖到達(dá)空間飛行器時(shí)的相位,組成該脈沖相對(duì)于太陽(yáng)系質(zhì)心的相位之差,該差是飛行器位置和脈沖星位置的函數(shù),假定已知脈沖星的位置,通過(guò)一定的導(dǎo)航算法,即可獲得觀測(cè)時(shí)刻空間飛行器相對(duì)太陽(yáng)系質(zhì)心的位置坐標(biāo)。

脈沖星脈沖到達(dá)時(shí)間TOA(Time of Arrival)測(cè)量是實(shí)現(xiàn)脈沖星導(dǎo)航的關(guān)鍵。TOA是通過(guò)觀測(cè)輪廓和高信噪比的標(biāo)準(zhǔn)輪廓比較得到的。航天器通過(guò)安裝X射線(xiàn)探測(cè)器，探測(cè)脈沖星輻射的X射線(xiàn)光子，記錄光子到達(dá)時(shí)間，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積分，擬合出脈沖輪廓，并與到達(dá)太陽(yáng)系質(zhì)心的標(biāo)準(zhǔn)輪廓比較確定TOA。

因此，高精度光子到達(dá)時(shí)間是探測(cè)器的基本觀測(cè)量，直接影響TOA測(cè)量和導(dǎo)航精度。光子定時(shí)精度與選用的X單光子探測(cè)器和定時(shí)方法相關(guān)。脈沖星導(dǎo)航作為一種新型導(dǎo)航技術(shù)，在脈沖星光子定時(shí)研究方面目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于APD探測(cè)器的脈沖星光子定時(shí)方法，能夠?yàn)閄射線(xiàn)脈沖星導(dǎo)航探測(cè)器研制、脈沖星光子脈沖到達(dá)時(shí)間TOA測(cè)量提供技術(shù)支撐。

一種基于APD探測(cè)器的脈沖星光子定時(shí)方法，包括如下步驟：

步驟1、采用APD探測(cè)器探測(cè)脈沖星光子，得到光子脈沖信號(hào)；

步驟2、對(duì)步驟1獲得的光子脈沖信號(hào)進(jìn)行前置放大和濾波成形處理，使得濾波后輸出的脈沖信號(hào)盡量保持原始上升沿，其中，光子脈沖信號(hào)上升沿時(shí)間在100ns～200ns之間；

步驟3、將步驟3的脈沖信號(hào)分為兩路，對(duì)其中一路進(jìn)行衰減，對(duì)另外一路進(jìn)行延遲，通過(guò)觸發(fā)器找到兩路信號(hào)波形的交點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)正脈沖；

步驟4、利用原子鐘輸出50M脈沖時(shí)鐘以及GPS輸出的秒脈沖對(duì)步驟3產(chǎn)生的正脈沖進(jìn)行定時(shí)，最終將脈沖星光子到達(dá)時(shí)間定位在納秒級(jí)。

較佳的，所述步驟2中對(duì)光子脈沖信號(hào)進(jìn)行前置放大處理采用電壓靈敏前放、電流靈敏前放或者電荷靈敏前放方式進(jìn)行處理。

較佳的，所述步驟2中，濾波成形處理采用CR-(RC)^m濾波或有源SK濾波實(shí)現(xiàn)。

較佳的，所述步驟2中，采用CR-(RC)^m濾波時(shí)，通過(guò)選擇合適的濾波電路的RC值，使得濾波后輸出的脈沖保持原始上升沿。

較佳的，所述步驟3中，找到兩路信號(hào)波形的交點(diǎn)的方法為：假設(shè)輸入的脈沖信號(hào)為斜率為A的三角形信號(hào)：

V_in＝At (3)

則經(jīng)過(guò)q倍衰減后一路信號(hào)為：

V_a＝Aqt (4)

經(jīng)延遲Δt的另一路信號(hào)為：

V_d＝Aq(t-Δt) (5)

由公式(4)和(5)確定波形交點(diǎn)時(shí)間t_C表示為：

t_C＝Δt/(1-q)(6)

較佳的，衰減路信號(hào)的幅度為原始信號(hào)的0.4～0.6倍之間。

較佳的，延遲信號(hào)的延遲時(shí)間在20ns～30ns之間。

較佳的，所述步驟4中，通過(guò)滑動(dòng)均值方法對(duì)GPS輸出的秒脈沖進(jìn)行校正，將經(jīng)過(guò)校正的GPS秒脈沖和50M脈沖時(shí)鐘，輸入到TDC模塊中，對(duì)光子進(jìn)行定時(shí)，具體為：

設(shè)GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖時(shí)間序列為X＝{x₁,x₂,…x_n}；設(shè)原子鐘的脈沖周期為T(mén)，以該原子鐘的脈沖對(duì)GPS的秒脈沖時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，則秒脈沖時(shí)間序列表示為Y＝{y₁,y₂,…y_n}，其中：

y_i＝y(tǒng)_i-1+n_iT-ε_i (7)

其中，i＝1,2,…,n；n表示序列中元素個(gè)數(shù)；n_i為1s內(nèi)原子鐘的計(jì)數(shù)值；ε_i為GPS秒脈沖隨機(jī)誤差與原子鐘的累積誤差之和，滿(mǎn)足高斯分布；

采用原子鐘對(duì)GPS脈沖進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)數(shù)，獲取長(zhǎng)期平均計(jì)數(shù)值作為下一個(gè)秒脈沖計(jì)數(shù)的估計(jì)值通過(guò)y_i與時(shí)間序列X中xi比較得到下一秒脈沖誤差的估計(jì)值將代替n_i以及將代替ε_i，代入(7)式得到修正后的秒脈沖時(shí)間序列。

較佳的，原子鐘對(duì)GPS秒脈沖進(jìn)行校正時(shí)，對(duì)GPS秒脈沖的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)N>10000個(gè)。

較佳的，所述TDC模塊采用時(shí)間分相方法對(duì)原子鐘輸出的脈沖時(shí)鐘進(jìn)行細(xì)分，并由此將細(xì)分時(shí)間應(yīng)用于光子定時(shí)中。

較佳的，將原子鐘時(shí)鐘細(xì)分成0°、90°、180°和270°的4個(gè)分相時(shí)鐘，最終定時(shí)精度為5ns。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)采用APD實(shí)現(xiàn)對(duì)0.5～10keV微弱脈沖星光子探測(cè)。一方面具有探測(cè)效率高、響應(yīng)時(shí)間快、能量分辨高等優(yōu)點(diǎn)；另一方面，探測(cè)器內(nèi)部光生載流子是沿著pn結(jié)向漂移，由探測(cè)器本身帶來(lái)的時(shí)間晃動(dòng)較小，因此非常適用于脈沖星光子定時(shí)；

(2)采用恒比定時(shí)和單閾值觸發(fā)方法，在抑制噪聲的同時(shí)，進(jìn)一步消除由于不同X光子能量帶來(lái)的幅度游動(dòng)效應(yīng)；

(3)結(jié)合GPS秒脈沖信號(hào)長(zhǎng)穩(wěn)和原子鐘短穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)校正原理輸出長(zhǎng)穩(wěn)、高精度時(shí)鐘頻率，保持TDC定時(shí)精度，進(jìn)一步減小脈沖星光子定時(shí)誤差。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于APD探測(cè)器的脈沖星光子定時(shí)方法原理框圖；

圖2為本發(fā)明的APD單光子探測(cè)器基本原理；

圖3為本發(fā)明的恒比定時(shí)模塊；

圖4為本發(fā)明的基于原子鐘的時(shí)間保持模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

一種基于APD探測(cè)器的脈沖星光子定時(shí)方法，主要工作原理如圖1所示，包括：

(1)APD探測(cè)器：通過(guò)雪崩放大的原理，將入射的X射線(xiàn)熒光通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)。

(2)信號(hào)提取模塊：包含前置放大、成形濾波等電路，將APD輸出的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用于定時(shí)的脈沖信號(hào)；

(3)恒比定時(shí)模塊：采用恒比定時(shí)和單閾值觸發(fā)，保證有效信號(hào)采集，同時(shí)消除不同能量光子帶來(lái)的幅度游動(dòng)；

(4)時(shí)鐘保持模塊：采用微型原子鐘，結(jié)合GPS秒脈沖，輸出高穩(wěn)時(shí)鐘頻率給FPGA，保證TDC定時(shí)的精度；

(5)TDC(Time-Digital Convert)模塊：在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，通過(guò)GPS秒脈沖作為起始信號(hào)，對(duì)恒比定時(shí)電路輸出的正脈沖進(jìn)行時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的具體過(guò)程如下：

(1)APD單光子探測(cè)器的基本原理

APD探測(cè)器采用拉通型結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏和快響應(yīng)的統(tǒng)一，非常適合于脈沖星弱光子探測(cè)。拉通型APD結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布圖如圖2所示，采用P⁺IPN⁺多層結(jié)構(gòu)。

當(dāng)對(duì)APD施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘簳r(shí)，整個(gè)PI區(qū)全部耗盡，因此統(tǒng)稱(chēng)耗盡層。耗盡層內(nèi)部又可以分為倍增區(qū)和漂移區(qū)。PN⁺結(jié)由于內(nèi)建電場(chǎng)效應(yīng)存在高場(chǎng)區(qū)，又稱(chēng)為倍增區(qū)，其承受了APD所加反向偏壓的大部分壓降。I區(qū)比P區(qū)寬得多，但其電場(chǎng)也比高場(chǎng)區(qū)弱得多，但足以使載流子保持一定的漂移速度，在較寬的I區(qū)內(nèi)只需短暫的渡越時(shí)間，因此I區(qū)又稱(chēng)漂移區(qū)。

當(dāng)入射光透過(guò)增透層入射進(jìn)半導(dǎo)體材料內(nèi)，產(chǎn)生光生載流子電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)在倍增區(qū)通過(guò)高場(chǎng)加速獲得很高的能量，通過(guò)不斷的碰撞電離，使載流子的濃度成倍地增加，產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)。倍增后的光生載流子然后在漂移區(qū)快速渡越，直至被兩端的電極收集。

這樣一束，雪崩光電二極管既能獲得快的響應(yīng)速度，又具有一定的增益，同時(shí)降低了噪聲。

具體實(shí)施中，X光子APD探測(cè)器可以選用FMB-Oxford公司生產(chǎn)的APD007型號(hào)，響應(yīng)時(shí)間小于10ns，能量分辨優(yōu)于300eV@6keV，反向偏壓0-400V。探測(cè)器窗口選用70μm Kapton材料，只允許0.5-20KeV的X光子通過(guò)。

(2)前置放大與濾波成形電路

前置放大根據(jù)不同探測(cè)器型號(hào)可以選擇電壓靈敏前放、電流靈敏前放、電荷靈敏前放等。這里由于APD探測(cè)器本身具備高增益，快響應(yīng)的特點(diǎn)，因此可以選擇最簡(jiǎn)單的并聯(lián)負(fù)反饋電流靈敏前放結(jié)構(gòu)，其輸出電壓可以表示為

V_o(t)＝i_D(t)R_f (1)

其中V_o(t)為電流靈敏前放輸出電壓，i_D(t)為APD探測(cè)輸出電流，R_f為電流靈敏前放負(fù)反饋電阻。

濾波成形電路可以采用CR-(RC)^m濾波或有源SK濾波實(shí)現(xiàn)。這里采用CR-(RC)^m濾波方式，先經(jīng)過(guò)CR微分，再經(jīng)過(guò)2級(jí)以上的RC積分。CR-(RC)^m濾波整形只有選擇的RC常數(shù)有關(guān)，濾波后輸出的脈沖可以表示為：

在t＝mτ時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)V_om為濾波后輸出的脈沖峰值。

通過(guò)選擇合適的RC值，使得濾波后輸出的脈沖盡量保持原始上升沿，又能滿(mǎn)足后續(xù)定時(shí)的需要。上升沿時(shí)間為100ns～200ns之間即可。同時(shí)，為了后續(xù)定時(shí)需要，成形放大的信號(hào)幅度需要在1V～5V之間。

(3)恒比定時(shí)方法

由于APD探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間快，內(nèi)部光生載流子是沿著pn結(jié)向漂移，由探測(cè)器本身帶來(lái)的時(shí)間晃動(dòng)較小。但是不同X光子能量會(huì)導(dǎo)致APD輸出的信號(hào)幅度有差異。因此，針對(duì)APD輸出的信號(hào)可以采用恒比定時(shí)方法。

如圖3所示，恒比定時(shí)是一種具有恒定觸發(fā)比的定時(shí)方法，適用于信號(hào)前沿相差不大，幅度不同的信號(hào)，可以消除由于輸入信號(hào)幅度的不同而引入的時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。

恒比定時(shí)的輸入脈沖信號(hào)首先被分為兩路，對(duì)其中一路進(jìn)行衰減，對(duì)另外一路進(jìn)行延遲，然后將兩路信號(hào)加入到過(guò)零甄別器的輸入端，得到時(shí)間檢出數(shù)字信號(hào)。這里為了簡(jiǎn)單，假設(shè)輸入信號(hào)為斜率為A的三角形信號(hào)

V_in＝At (3)

則經(jīng)過(guò)q倍衰減后一路信號(hào)為

V_a＝Aqt (4)

經(jīng)延遲Δt的另一路信號(hào)為

V_d＝Aq(t-Δt) (5)

由以上兩個(gè)公式，比較器確定的時(shí)間t_C可以表示為

t_C＝Δt/(1-q) (6)

然后找到兩路信號(hào)波形的交點(diǎn)t_C，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)正脈沖；由此可見(jiàn)，比較器確定的時(shí)間與信號(hào)幅度無(wú)關(guān)，消除由于輸入信號(hào)幅度的不同而引入的時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。

這里根據(jù)成形后的信號(hào)特點(diǎn)，延遲路信號(hào)延遲時(shí)間在20～30ns之間，衰減路信號(hào)的為原始信號(hào)的0.4～0.6倍之間。

(4)基于原子鐘的時(shí)間保持

采用滑動(dòng)均值方法對(duì)原子鐘頻標(biāo)和GPS秒脈沖綜合，輸出校正過(guò)的GPS和50MHz原子鐘頻率給后面的TDC模塊使用。

由于GPS秒信號(hào)的隨機(jī)誤差符合均值為零的正態(tài)分布，可以由滑動(dòng)均值算法濾除。通過(guò)對(duì)前N秒誤差的均值運(yùn)算，得到原子鐘頻率的累積誤差估計(jì)值，對(duì)下一秒的原子鐘計(jì)數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，從而生成高精度的秒脈沖信號(hào)。

具體操作原理如下：設(shè)GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖時(shí)間序列為X＝{x₁,x₂,…x_n}。設(shè)原子鐘的脈沖周期為T(mén)，以該原子鐘對(duì)GPS秒脈沖時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，則秒脈沖時(shí)間序列可以表示為Y＝{y₁,y₂,…y_n}

y_i＝y(tǒng)_i-1+n_iT-ε_i (7)

其中，n_i為1s內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)原子鐘的計(jì)數(shù)值。ε_i為GPS秒脈沖的隨機(jī)誤差和原子鐘的累積誤差之和，滿(mǎn)足高斯分布。由(7)式可知，秒脈沖序列Y由n_i和ε_i決定，若能準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)下一秒的n_i和ε_i，則可以產(chǎn)生高精度的秒脈沖時(shí)間序列。

如圖4所示，采用原子鐘對(duì)長(zhǎng)時(shí)間(N>10000個(gè))GPS脈沖分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲取長(zhǎng)期平均計(jì)數(shù)值作為下一個(gè)秒脈沖計(jì)數(shù)的估計(jì)值同時(shí)利用原子鐘在單位時(shí)間內(nèi)誤差較小的特性，通過(guò)y_i與x_i比較得到下一秒脈沖誤差的估計(jì)值將和代入(7)式就可以得到高精度的秒脈沖時(shí)間序列。

原子鐘可采用商用CPT原子鐘，具有輕小型的優(yōu)勢(shì)，一般輸出10MHz頻率，需要通過(guò)倍頻芯片輸出50MHz原子頻標(biāo)，給后面的TDC使用。

(5)TDC模塊

時(shí)間數(shù)字變換TDC模塊是將時(shí)間檢出電路獲得的正脈沖信號(hào)的上升時(shí)間進(jìn)行數(shù)字化。TDC可以根據(jù)需求在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，將輸入的GPS秒脈沖作為起始的start信號(hào)，恒比定時(shí)輸出的正脈沖作為終止的stop信號(hào)，T_start+(T_stop-T_start)即為光子到達(dá)時(shí)間。(T_stop-T_start)通過(guò)TDC模塊內(nèi)部的時(shí)間Time_bin來(lái)測(cè)量。具體的TDC方法可以采用計(jì)數(shù)器型TDC、進(jìn)位鏈時(shí)間內(nèi)插型TDC、多相位時(shí)鐘內(nèi)插型TDC。

這里以時(shí)間分相TDC為例，是采用“粗”計(jì)數(shù)和“細(xì)”時(shí)間測(cè)量結(jié)合的方法。粗計(jì)數(shù)部分通過(guò)FPGA外接原子鐘CLK(50MHz)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的高性能計(jì)數(shù)器獲得，時(shí)間分辨Time_bin為20ns。

細(xì)時(shí)間部分由時(shí)鐘分相獲得，通過(guò)FPGA內(nèi)部的PLL模塊，將CLK(50MHz)時(shí)鐘分為4個(gè)相位(0°、90°、180°和270°)，利用這4個(gè)分相時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，可以達(dá)到粗時(shí)鐘的Time_Bin細(xì)分至1/4，最終的光子定位時(shí)間分辨可達(dá)5ns。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。