本发明属于空间粒子探测技术领域，特别是涉及空间粒子辐射探测及效应监测领域技术领域，具体为一种探测空间粒子的可变采样快门时间的采样方法、系统及设备。
背景技术
空间高能带电粒子是威胁航天器在轨安全的重要空间环境因素。空间高能粒子通过剂量效应、单粒子效应和充放电效应等对航天器产生影响。为了认识航天器在轨时所面临的空间辐射环境的影响，保证在轨安全稳定运行，就需要进行空间辐射环境探测及效应监测。
空间粒子辐射具有高动态范围的特征。在探测采样快门选取上存在困难。例如：leo卫星在通过南大西洋异常区时粒子辐射通量会很强，高达105/cm2sr·sec以上，而到达其它区域则会很小，可能不到1/cm2sr·sec。如何选择几何因子与采样快门时间成为探测设备关键问题。在探测仪器设计上，合理地选择采样快门时间将可以节省硬件资源。
一般来说，几何因子为探测设备探头的固定参数，需要满足辐射通量的测量与设备探头及电路处理速度之间的矛盾。几何因子(gf)尽量考虑设备不至于在最高辐射通量条件下饱和，并留有大约一个量级的不确定性。gf的选取由下面公式获得：
其中：g为几何因子，单位为cm2sr；nmax为设备探头及电路每秒钟能够处理的最大粒子数，单位为sec-1；jmax为预计空间最大辐射通量，单位为(cm2sr·sec)-1。g为设备固定参数。
实际上设备探测数据还与采样快门时间有关，如下面公式所示：
c＝j·g·ts；
其中：c为设备探测到的粒子计数；j为空间辐射通量，单位为(cm2sr·sec)-1；ts为采样快门时间，单位sec。一般来说，ts小于等于采样周期时间(即获取数据的时间间隔)。
空间辐射通量j的动态范围很大，为5～6个量级以上。如果选择ts太小，在高辐射区可以获得比较合理的粒子计数n。但在低辐射区域，n就会很小。在物理上，探测原理是通过测量n来推算空间辐射通量j。根据统计学原理，j的相对误差约为
如果选择ts太大，对于空间辐射通量j较弱的地方可以实现有效探测，但是对于空间辐射通量j较强的地方则会获得较大的数值n，占用较大的信息处理资源，如运算、存储等。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种探测空间粒子的可变采样快门时间的采样方法、系统及设备，用于解决现有技术中由于空间粒子辐射通量动态范围较大，无法选取合适的采样快门时间的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种探测空间粒子的可变采样快门时间的采样方法，所述探测空间粒子的可变采样快门时间的采样方法包括：将采样快门时间按照时间片数划分，并于每一个时间片数检测存储器的存储量状态，其中，所述存储器存储采样的空间粒子信号；当在经历第n个时间片数时检测到所述存储量状态为半满标识状态，采样快门时间为n×k，1≤n≤nmax，k为单个时间片的长度，nmax为最大时间片数；当第nmax个时间片数时检测所述存储量状态未达到半满标识状态，采样快门时间为nmax×k；在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，停止采样，从所述存储器读取空间粒子信号，根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数。
于本发明的一实施例中，所述根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数具体为：
于本发明的一实施例中，在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，从所述存储器读取空间粒子信号时，在检测到所述存储器的存储量状态为空标识状态时，停止从所述存储器读取采样数据。
于本发明的一实施例中，最大时间片数nmax为总采样时间除以单个时间片的长度。
于本发明的一实施例中，当时间片数为0时，启动采样，空间粒子信号开始存储至所述存储器。
本发明的实施例还提供一种探测空间粒子可变采样快门时间的采样系统，所述探测空间粒子可变采样快门时间的采样系统包括：时间片划分模块，用于将采样快门时间按照时间片数划分；存储量状态检测模块，用于每一个时间片数检测存储器的存储量状态；其中，所述存储器存储采样的空间粒子信号；采样开门时间确定模块，当在经历第n个时间片数时检测到所述存储量状态为半满标识状态，采样快门时间为n×k，1≤n≤nmax，k为单个时间片的长度，nmax为最大时间片数；当第nmax个时间片数时检测所述存储量状态未达到半满标识状态，采样快门时间为nmax×k；粒子数估算模块，用于在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，停止采样，从所述存储器读取空间粒子信号，根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数。
于本发明的一实施例中，所述根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数具体为：
于本发明的一实施例中，在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，从所述存储器读取空间粒子信号时，在检测到所述存储器的存储量状态为空标识状态时，停止从所述存储器读取采样数据。
于本发明的一实施例中，最大时间片数nmax为总采样时间除以单个时间片的长度。
于本发明的一实施例中，当时间片数为0时，启动采样，空间粒子信号开始存储至所述存储器。
本发明的实施例还提供一种探测设备，包括处理器、程序存储器和粒子存储器；所述粒子存储器存储采样的空间粒子信号，所述粒子存储器具有半满标识状态和空标识状态；所述程序存储器存储有程序指令，所述处理器运行程序指令实现如上所述的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法。
如上所述，本发明的探测空间粒子的可变采样快门时间的采样方法、系统及设备，具有以下有益效果：
本发明能够实现动态调整采样快门时间，即在辐射通量较小的地方增大采样快门时间保证探测的有效性和探测精度，在辐射通量较大的地方减小采样快门时间节约处理资源，提高粒子探测中通量测量的动态范围，节省采样中计数器的位数，提高采样效率，有效解决现有技术空间粒子辐射通量动态范围较大的问题，无法选取合适的采样快门时间的问题。
附图说明
图1显示为本发明的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法的整体流程示意图。
图2显示为本发明的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法中的存储器状态示意图。
图3显示为本发明的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法中的具体实施流程图。
图4显示为本发明的探测空间粒子可变采样快门时间的采样系统的原理结构示意图。
元件标号说明
100探测空间粒子可变采样快门时间的采样系统
110时间片划分模块
120存储量状态检测模块
130采样开门时间确定模块
140粒子数估算模块
s110～s140步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例的目的在于提供一种探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法、系统及设备，用于解决现有技术中由于空间粒子辐射通量动态范围较大，无法选取合适的采样快门时间的问题。
以下将详细阐述本实施例的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法、系统及设备的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法、系统及设备。
如图1所示，本实施例提供一种探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法，所述探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法包括以下步骤：
步骤s110，将采样快门时间按照时间片数划分，并于每一个时间片数检测存储器的存储量状态，其中，所述存储器存储采样的空间粒子信号；
步骤s120，当在经历第n个时间片数时检测到所述存储量状态为半满标识状态，采样快门时间为n×k，1≤n≤nmax，k为单个时间片的长度，nmax为最大时间片数；
步骤s130，当第nmax个时间片数时检测所述存储量状态未达到半满标识状态，采样快门时间为nmax×k；
步骤s140，在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，停止采样，从所述存储器读取空间粒子信号，根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数。
以下对本实施例探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法的步骤s110至步骤s140进行详细说明。
步骤s110，将采样快门时间按照时间片数划分，并于每一个时间片数检测存储器的存储量状态，其中，所述存储器存储采样的空间粒子信号。
于本实施例中，如图2所示，所述存储器采用先进先出存储器(fifo)对探头探测到的入射粒子信号进行缓存。此存储器(fifo)具有空标识(empty)和半满标识(half)两个状态。当fifo没有数据输入或数据已经读尽时empty有效，当fifo存满一半时half有效。
于本实施例中，把采样快门时间按照时间片数划分，用n表示采样经历的时间片数，最大时间片数nmax为总采样时间除以单个时间片的长度。例如单个时间片数k大小为50ms，采样率为每5秒采样一次，最大时间片数nmax就是100。以下都以单个时间片数k大小为50ms为例进行说明。
于本实施例中，当时间片数为0时，启动采样，空间粒子信号开始存储至所述存储器。当n为0时，开始采样过程。每个时间片数都检查存储器的half标识。
步骤s120，当在经历第n个时间片数时检测到所述存储量状态为半满标识状态，采样快门时间为n×k，1≤n≤nmax，k为单个时间片的长度，nmax为最大时间片数。
如果第n个时间片时(n≤100)half有效，说明粒子通量足够大，此时关闭采样过程，对fifo中的数据进行读取和处理。
步骤s130，当第nmax个时间片数时检测所述存储量状态未达到半满标识状态，采样快门时间为nmax×k。
如果空间辐射很强，粒子在第一个时间片数就已经使fifo达到半满(half有效)，此时采样快门时间就是50ms。如果空间粒子辐射较弱，就一直都没有使fifo达到半满，n就一致在涨。但是n会受到采样间隔限制，如果规定每5秒采样一次，则n最大为100。用nmax表示最大采样时间，采样快门就在50ms至nmax*50ms之间，根据实际的粒子辐射强度自动变化。
步骤s140，在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，停止采样，从所述存储器读取空间粒子信号，根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数。
于本实施例中，存储器fifo需要有两个状态输出。empty表示fifo中没有粒子数据；half表示fifo存满一半。当检测到empty时，表示fifo中的数据已经处理完成，当检测到half时，表示需要立即关闭采样过程，进行数据处理。由于在检测和关闭采样过程有一个时间片的窗口期。使用half来停止采样过程，由于fifo仅仅存满一半，窗口期的数据仍然可以被fifo保存而不丢失。
具体地，于本实施例中，在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，从所述存储器读取空间粒子信号时，在检测到所述存储器的存储量状态为空标识状态时，停止从所述存储器读取采样数据。
于本实施例中，根据half信号来决定是否继续延长开门时间，采样过程可以使用定时中断。使用定时器每50ms溢出产生一次中断请求。图3所示的采样过程可以是中断服务程序，每50ms运行一次。进入采样过程后记录进入程序的次数。如果是规定的采样开始而进入到采样过程就令n为零，相当于采样开始。否则使n加一，表示快门时间延长50ms。检查half标识，如果无效说明当前通量较低，可以再延长一个时间片。如果n等于nmax，说明采样快门时间已经达到最大值，将不能延长采样快门时间。即：如果half无效并且n＜nmax则可以再延长一个时间片。否则，如果half有效或者n＝nmax则停止快门时间，进行数据获取及数据处理。从fifo中读出粒子信号数据，根据探测能段的划分安排进行能段粒子计数，直到empty标识有效，说明所有数据均已处理完成。当然，图3右边自“关闭采样”以后的处理可以不必在中断服务程序中运行。
具体地，于本实施例中，所述根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数具体为：
例如：时间片长度50ms，nmax为100，及最大采样快门时间为5秒，fifo选用4kbyte容量，则本发明的采样方法的实施效果如表1所示：
表1
从表1中可以看出，计数变量cn只需要2字节，由于动态改变快门时间，能够正确地实现0.5hz到80khz的大动态范围粒子采样。如果需要扩展采样范围，扩充下限需要增大时间片长度与nmax的乘积，即最大采样快门时间。扩充上限需要缩短时间片长度或者增加fifo容量。
此外，如图4所示，于本实施例还提供一种探测空间粒子可变采样快门时间的采样系统100，所述探测空间粒子可变采样快门时间的采样系统100包括：时间片划分模块110，存储量状态检测模块120，采样开门时间确定模块130以及粒子数估算模块140。
于本实施例中，所述时间片划分模块110用于将采样快门时间按照时间片数划分。
于本实施例中，把采样快门时间按照时间片数划分，用n表示采样经历的时间片数，最大时间片数nmax为总采样时间除以单个时间片的长度。例如单个时间片数k大小为50ms，采样率为每5秒采样一次，最大时间片数nmax就是100。以下都以单个时间片数k大小为50ms为例进行说明。
于本实施例中，所述存储量状态检测模块120用于每一个时间片数检测存储器的存储量状态；其中，所述存储器存储采样的空间粒子信号。
于本实施例中，如图2所示，所述存储器采用先进先出存储器(fifo)对探头探测到的入射粒子信号进行缓存。此存储器(fifo)具有空标识(empty)和半满标识(half)两个状态。当fifo没有数据输入或数据已经读尽时empty有效，当fifo存满一半时half有效。
于本实施例中，当时间片数为0时，启动采样，空间粒子信号开始存储至所述存储器。当n为0时，开始采样过程。每个时间片数都检查存储器的half标识。
于本实施例中，所述采样开门时间确定模块130当在经历第n个时间片数时检测到所述存储量状态为半满标识状态，采样快门时间为n×k，1≤n≤nmax，k为单个时间片的长度，nmax为最大时间片数；当第nmax个时间片数时检测所述存储量状态未达到半满标识状态，采样快门时间为nmax×k。
如果第n个时间片时(n≤100)half有效，说明粒子通量足够大，此时关闭采样过程，对fifo中的数据进行读取和处理。
如果空间辐射很强，粒子在第一个时间片数就已经使fifo达到半满(half有效)，此时采样快门时间就是50ms。如果空间粒子辐射较弱，就一直都没有使fifo达到半满，n就一致在涨。但是n会受到采样间隔限制，如果规定每5秒采样一次，则n最大为100。用nmax表示最大采样时间，采样快门就在50ms至nmax*50ms之间，根据实际的粒子辐射强度自动变化。
于本实施例中，所述粒子数估算模块140用于在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，停止采样，从所述存储器读取空间粒子信号，根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数。
于本实施例中，存储器fifo需要有两个状态输出。empty表示fifo中没有粒子数据；half表示fifo存满一半。当检测到empty时，表示fifo中的数据已经处理完成，当检测到half时，表示需要立即关闭采样过程，进行数据处理。由于在检测和关闭采样过程有一个时间片的窗口期。使用half来停止采样过程，由于fifo仅仅存满一半，窗口期的数据仍然可以被fifo保存而不丢失。
具体地，于本实施例中，在检测到所述存储量状态为半满标识状态或达到第nmax个时间片数时，从所述存储器读取空间粒子信号时，在检测到所述存储器的存储量状态为空标识状态时，停止从所述存储器读取采样数据。
于本实施例中，根据half信号来决定是否继续延长开门时间，采样过程可以使用定时中断。使用定时器每50ms溢出产生一次中断请求。图3所示的采样过程可以是中断服务程序，每50ms运行一次。进入采样过程后记录进入程序的次数。如果是规定的采样开始而进入到采样过程就令n为零，相当于采样开始。否则使n加一，表示快门时间延长50ms。检查half标识，如果无效说明当前通量较低，可以再延长一个时间片。如果n等于nmax，说明采样快门时间已经达到最大值，将不能延长采样快门时间。即：如果half无效并且n＜nmax则可以再延长一个时间片。否则，如果half有效或者n＝nmax则停止快门时间，进行数据获取及数据处理。从fifo中读出粒子信号数据，根据探测能段的划分安排进行能段粒子计数，直到empty标识有效，说明所有数据均已处理完成。当然，图3右边自“关闭采样”以后的处理可以不必在中断服务程序中运行。
具体地，于本实施例中，所述根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数具体为：
本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质例如为存储器，存储器被配置为存储各种类型的数据以支持在设备的操作。这些数据的示例包括用于在探测设备上操作的任何应用程序或方法的指令，消息，图片等。存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(sram)，高速随机存取存储器，先进先出存储器(fifo)，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，可擦除可编程只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘等。所述存储器存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现如上所述的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法。上述已经对所述的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法进行了详细说明，在此不再赘述。
本发明的实施例还提供一种探测设备，包括处理器、程序存储器和粒子存储器；所述粒子存储器存储采样的空间粒子信号，所述粒子存储器具有半满标识状态和空标识状态；所述程序存储器存储有程序指令，所述处理器运行程序指令实现如上所述的探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法。上述已经对探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法进行了详细说明，在此不再赘述。
在示例性实施例中，所述探测设备可以被探头，信号拾取及放大处理电路，粒子识别电路，一个或多个应用专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、微处理器、或其他电子元件实现，用于执行上述探测空间粒子可变采样快门时间的采样方法。
综上所述，本发明能够实现动态调整采样快门时间，即在辐射通量较小的地方增大采样快门时间保证探测的有效性和探测精度，在辐射通量较大的地方减小采样快门时间节约处理资源，提高粒子探测中通量测量的动态范围，节省采样中计数器的位数，提高采样效率，有效解决现有技术空间粒子辐射通量动态范围较大的问题，无法选取合适的采样快门时间的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。