一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法与流程

本发明属于深空探测导航、航空航天、信息遥感等技术领域，具体涉及一种基于APD探测器的脉冲星光子定时方法。

背景技术：

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(Time of Arrival)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。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明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：

V_in＝At (3)

则经过q倍衰减后一路信号为：

V_a＝Aqt (4)

经延迟Δt的另一路信号为：

V_d＝Aq(t-Δt) (5)

由公式(4)和(5)确定波形交点时间t_C表示为：

t_C＝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,…x_n}；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,…y_n}，其中：

y_i＝y_i-1+n_iT-ε_i (7)

其中，i＝1,2,…,n；n表示序列中元素个数；n_i为1s内原子钟的计数值；ε_i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y_i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n_i以及将代替ε_i，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。

本发明具有如下有益效果：

(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为本发明的基于APD探测器的脉冲星光子定时方法原理框图；

图2为本发明的APD单光子探测器基本原理；

图3为本发明的恒比定时模块；

图4为本发明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，对本发明进行详细描述。

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-Digital Convert)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。

本发明的具体过程如下：

(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70μm Kapton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、电荷灵敏前放等。这里由于APD探测器本身具备高增益，快响应的特点，因此可以选择最简单的并联负反馈电流灵敏前放结构，其输出电压可以表示为

V_o(t)＝i_D(t)R_f (1)

其中V_o(t)为电流灵敏前放输出电压，i_D(t)为APD探测输出电流，R_f为电流灵敏前放负反馈电阻。

滤波成形电路可以采用CR-(RC)^m滤波或有源SK滤波实现。这里采用CR-(RC)^m滤波方式，先经过CR微分，再经过2级以上的RC积分。CR-(RC)^m滤波整形只有选择的RC常数有关，滤波后输出的脉冲可以表示为：

在t＝mτ时达到峰值，此时V_om为滤波后输出的脉冲峰值。

通过选择合适的RC值，使得滤波后输出的脉冲尽量保持原始上升沿，又能满足后续定时的需要。上升沿时间为100ns～200ns之间即可。同时，为了后续定时需要，成形放大的信号幅度需要在1V～5V之间。

(3)恒比定时方法

由于APD探测器响应时间快，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。但是不同X光子能量会导致APD输出的信号幅度有差异。因此，针对APD输出的信号可以采用恒比定时方法。

如图3所示，恒比定时是一种具有恒定触发比的定时方法，适用于信号前沿相差不大，幅度不同的信号，可以消除由于输入信号幅度的不同而引入的时间游动效应。

恒比定时的输入脉冲信号首先被分为两路，对其中一路进行衰减，对另外一路进行延迟，然后将两路信号加入到过零甄别器的输入端，得到时间检出数字信号。这里为了简单，假设输入信号为斜率为A的三角形信号

V_in＝At (3)

则经过q倍衰减后一路信号为

V_a＝Aqt (4)

经延迟Δt的另一路信号为

V_d＝Aq(t-Δt) (5)

由以上两个公式，比较器确定的时间t_C可以表示为

t_C＝Δt/(1-q) (6)

然后找到两路信号波形的交点t_C，同时产生一个正脉冲；由此可见，比较器确定的时间与信号幅度无关，消除由于输入信号幅度的不同而引入的时间游动效应。

这里根据成形后的信号特点，延迟路信号延迟时间在20～30ns之间，衰减路信号的为原始信号的0.4～0.6倍之间。

(4)基于原子钟的时间保持

采用滑动均值方法对原子钟频标和GPS秒脉冲综合，输出校正过的GPS和50MHz原子钟频率给后面的TDC模块使用。

由于GPS秒信号的随机误差符合均值为零的正态分布，可以由滑动均值算法滤除。通过对前N秒误差的均值运算，得到原子钟频率的累积误差估计值，对下一秒的原子钟计数值进行补偿，从而生成高精度的秒脉冲信号。

具体操作原理如下：设GPS接收机输出的秒脉冲时间序列为X＝{x₁,x₂,…x_n}。设原子钟的脉冲周期为T，以该原子钟对GPS秒脉冲时间进行计数，则秒脉冲时间序列可以表示为Y＝{y₁,y₂,…y_n}

y_i＝y_i-1+n_iT-ε_i (7)

其中，n_i为1s内计数器对原子钟的计数值。ε_i为GPS秒脉冲的随机误差和原子钟的累积误差之和，满足高斯分布。由(7)式可知，秒脉冲序列Y由n_i和ε_i决定，若能准确的预报下一秒的n_i和ε_i，则可以产生高精度的秒脉冲时间序列。

如图4所示，采用原子钟对长时间(N>10000个)GPS脉冲分别进行计数，获取长期平均计数值作为下一个秒脉冲计数的估计值同时利用原子钟在单位时间内误差较小的特性，通过y_i与x_i比较得到下一秒脉冲误差的估计值将和代入(7)式就可以得到高精度的秒脉冲时间序列。

原子钟可采用商用CPT原子钟，具有轻小型的优势，一般输出10MHz频率，需要通过倍频芯片输出50MHz原子频标，给后面的TDC使用。

(5)TDC模块

时间数字变换TDC模块是将时间检出电路获得的正脉冲信号的上升时间进行数字化。TDC可以根据需求在FPGA内部实现，将输入的GPS秒脉冲作为起始的start信号，恒比定时输出的正脉冲作为终止的stop信号，T_start+(T_stop-T_start)即为光子到达时间。(T_stop-T_start)通过TDC模块内部的时间Time_bin来测量。具体的TDC方法可以采用计数器型TDC、进位链时间内插型TDC、多相位时钟内插型TDC。

这里以时间分相TDC为例，是采用“粗”计数和“细”时间测量结合的方法。粗计数部分通过FPGA外接原子钟CLK(50MHz)时钟驱动的高性能计数器获得，时间分辨Time_bin为20ns。

细时间部分由时钟分相获得，通过FPGA内部的PLL模块，将CLK(50MHz)时钟分为4个相位(0°、90°、180°和270°)，利用这4个分相时钟进行时间测量，可以达到粗时钟的Time_Bin细分至1/4，最终的光子定位时间分辨可达5ns。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。