本发明涉及天文学高能x射线成像技术领域，尤其涉及一种望远镜成像系统和方法。
背景技术：
宇宙中存在着众多发射高能x射线的天体，例如超新星爆发、中子星和黑洞双星吸积系统、活动星系核、γ射线暴x射线余晖、宇宙x射线背景等，因而高能x射线望远镜是研究天体以及宇宙发展演化的一个不可或缺的手段。由于高能x射线的波长极短，传统的基于折射、反射和衍射的光学望远镜难以应用到高能x射线波段。在低能x射线通常采用掠入射式的多层膜反射镜进行聚焦成像，在高能x射线波段，多层膜反射镜的效率随着波长的减小而降低，难以高效地对高能x射线(20kev以上)进行聚焦和成像。
为了在高能x射线波段进行有效的天文观测，高能x射线波段非聚焦的间接成像望远镜得到了发展，通过对入射x射线的方向、强度信息进行调制，探测器的接收到的信号中同时包含了入射x射线的方向、强度信息。主要的调制方法有编码孔径方法和准直栅法。前者使用一块编码板调制从目标区域入射的x射线束，并使用与编码板分开一定距离的一个二维阵列的探测器，探测不同方向入射的x射线束经过编码后的光强。不同方向入射的x射线束通过编码板在探测器上的投影不同，根据探测器采集到的光强，能够重建出不同方向入射x射线的流强。编码孔径技术中的编码板编码技术复杂，对编码板的角度分辨率和探测器的空间分辨率要求都高，且设备体积庞大。后者利用一个准直栅对目标区域进行扫描，探测器记录到的光强随着准直栅方向的变化而变化，通过这种光强变化能够得到目标区域内x射线源位置和强度的信息。然而传统的重建方法易出现伪像，有时相同的数据采用不同的算法和参数会得到不同的图像，这时需要根据人工干预比较选取符合实际的图像。
技术实现要素：
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明提供一种用于对高能x射线间接成像的望远镜成像系统和方法。
本发明提供一种望远镜成像系统，包括过滤采集子系统、旋转机构子系统和数据重建子系统。
所述过滤采集子系统包括：
准直栅，用于通过摇摆或旋转对目标区域x射线源入射所述准直栅的x射线进行过滤，以形成平行于所述准直栅、直射所述准直栅底面的平行x射线束；
探测器，与所述准直栅的底面连接，用于随着所述准直栅逐步摇摆或旋转，逐个角度采集所述平行x射线束的x射线源数据；
所述旋转机构子系统与所述过滤采集子系统相对固定连接，用于带动所述过滤采集子系统摇摆或旋转扫描所述目标区域；
所述数据重建子系统与所述探测器通信连接，用于根据所述x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布。
相对应地，本发明提供一种使用上述望远镜成像系统的望远镜成像方法，包括：
旋转机构子系统带动过滤采集子系统摇摆或旋转扫描目标区域；
所述扫描包括：所述准直栅通过摇摆或旋转对目标区域x射线源入射所述准直栅的x射线进行过滤，以形成平行于所述准直栅、直射所述准直栅底面的平行x射线束；随着所述准直栅逐步摇摆或旋转，所述探测器逐个角度采集所述平行x射线束的x射线源数据；
数据重建子系统根据所述x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布。
本发明还提供另一种望远镜成像系统，包括多个过滤采集子系统构成的并行采集数据的阵列系统和一个数据重建子系统。
所述过滤采集子系统包括：
准直栅，用于通过摇摆或旋转对目标区域x射线源入射所述准直栅的x射线进行过滤，以形成平行于所述准直栅、直射所述准直栅底面的平行x射线束；
探测器，与所述准直栅的底面连接，用于随着所述准直栅逐步摇摆或旋转，逐个角度采集所述平行x射线束的x射线源数据；
所述目标区域为所述多个过滤采集子系统各自对准区域的并集或交集；多个准直栅各自沿不同的摇摆角和旋转角对准所述目标区域，以过滤入射的x射线得到所述平行x射线束，所述多个准直栅底面连接的各探测器同时各自采集对应的准直栅所形成的平行x射线束的x射线源数据；
所述数据重建子系统分别与所述多个过滤采集子系统的探测器通信连接，用于根据所述x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布。
相对应地，本发明提供一种使用上述另一种望远镜成像系统的望远镜成像方法，包括：
多个过滤采集子系统并行采集目标区域的x射线源数据；
所述并行采集包括：所述多个准直栅各自沿不同的摇摆角和旋转角对准所述目标区域，从而分别对目标区域x射线源入射的x射线进行过滤，形成各自平行于准直栅且直射各准直栅底面的平行x射线束；所述多个准直栅底面连接的各探测器同时各自采集对应的准直栅所形成的平行x射线束的x射线源数据；
数据重建子系统根据所述多个过滤采集子系统各自采集的x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布。
本发明提供的望远镜成像系统和方法利用准直栅对高能x射线进行滤波，并利用探测器采集目标区域的x射线源数据，具体实施方式有两种，一种利用旋转机构子系统摇摆或旋转单个过滤采集子系统，实现对整个目标区域内的x射线源数据的扫描采集；另一种利用多个过滤采集子系统构成并行采集目标区域x射线源数据的阵列系统，各个过滤采集子系统各自同时采集目标区域内的x射线源数据，实现对整个目标区域内的x射线源数据的快速采集，最后利用数据重建子系统根据过滤采集子系统所采集的x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布，实现对高能x射线间接成像。本发明望远镜成像系统和方法具有结构简单、操作简便等优点。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
图1为本发明望远镜成像系统一种实施方式中过滤采集子系统的结构示意图。
图2为本发明望远镜成像系统一种实施方式中准直栅绕y轴摇摆产生测量角度坐标α轴。
图3为本发明望远镜成像系统一种实施方式中准直栅绕x轴摇摆产生测量角度坐标β轴。
图4为本发明望远镜成像系统一种实施方式中利用测量角度坐标(α,β)确定入射的平行x射线束的传播方向的示意图。
图5为本发明望远镜成像系统一种实施方式中旋转机构子系统带动过滤采集子系统围绕测量坐标系的y轴摇摆扫描和围绕z轴旋转扫描的示意图。
图6为本发明望远镜成像系统一种实施方式中多个过滤采集子系统构成的并行采集数据的阵列系统示意图，每个过滤采集子系统以不同摇摆角和旋转角对准目标区域。图中阵列的列指标为i＝0,±1,±2,±3,······±i，i＝l/4hδα，δα为相邻列之间摇摆角间隔，l为准直栅上端开口长度，h为准直栅高度，阵列的行指标为j＝0,1,2,3,······j，
图7为本发明望远镜成像方法一种实施方式中测量坐标系和目标坐标系的几何关系示意图。
图8为本发明望远镜成像方法一种实施方式中准直栅与入射的平行x射线束的几何关系示意图。
图9为本发明望远镜成像方法一种实施方式中宽度响应函数的曲线示意图。
图10为本发明望远镜成像方法一种实施方式中长度响应函数的曲线示意图。
图11为本发明望远镜成像方法一种实施方式中面积响应函数的曲面示意图。
图12为本发明望远镜成像方法一种实施方式中消除星形伪影模糊的卷积函数曲线示意图。
附图标记说明：
11准直栅
13探测器
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
第一实施方式
在本实施方式中，本发明望远镜成像系统，包括过滤采集子系统、旋转机构子系统和数据重建子系统。
图1为本发明望远镜成像系统一种实施方式中过滤采集子系统的结构示意图。
如图1所示，所述过滤采集子系统包括：
准直栅11，用于通过摇摆或旋转对目标区域x射线源入射准直栅11的x射线进行过滤，以形成平行于准直栅11、直射准直栅11底面的平行x射线束；
探测器13，与准直栅11的底面连接，用于随着准直栅11逐步摇摆或旋转，逐个角度采集所述平行x射线束的x射线源数据。
所述旋转子系统与所述过滤采集子系统相对固定连接，用于带动所述过滤采集子系统摇摆或旋转扫描所述目标区域。
所述数据重建子系统与探测器13通信连接，用于根据所述x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布。
优选地，准直栅11由多个梯形重金属片平行排列构成，每两块相邻的所述梯形重金属片构成一个梯形栅格。
优选地，所述旋转子系统带动所述过滤采集子系统围绕测量坐标系的一轴进行摇摆或旋转扫描。
所述测量坐标系为固定在所述过滤采集子系统上的三维直角坐标系，原点设置在准直栅11底面的中心，第三轴垂直于准直栅11的底面。
优选地，所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕测量坐标系的一轴进行摇摆或旋转扫描包括：
所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕所述测量坐标系的第一轴或第二轴摇摆扫描；和/或，
所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕所述测量坐标系的第三轴旋转扫描。
优选地，所述旋转机构子系统每次带动所述过滤采集子系统围绕所述第三轴旋转一步后，带动所述过滤采集子系统围绕所述第一轴或第二轴逐步摇摆扫描直至所述探测器扫描至所述目标区域在所述第一轴或第二轴方向的两侧边界。
其中，所述过滤采集子系统围绕所述第三轴旋转的区间为0度至180度。
图2为本发明望远镜成像系统实施方式中准直栅绕y轴摇摆产生测量角度坐标α轴。
图3为本发明望远镜成像系统实施方式中准直栅绕x轴摇摆产生测量角度坐标β轴。
如图2和图3所示，在准直栅上11建立测量坐标系(x,y,z)，准直栅围绕y轴摇摆旋转，第一摇摆角为α，产生测量角度坐标α轴，围绕x轴摇摆旋转，第二摇摆角为β，产生测量角度坐标β轴。α轴和β轴构成测量角度坐标系。
在本实施方式中，准直栅11下端开口短边和测量坐标系的x轴平行，长边和测量坐标系的y轴平行，准直栅11对准测量角度坐标系的原点(α＝0，β＝0)。
图4为本发明望远镜成像系统实施方式中利用测量角度坐标(α,β)确定入射的平行x射线束的传播方向的示意图。如图4所示，此时可用测量角度坐标(α,β)确定目标区域内x射线源射来的平行x射线束的传播方向。
图5为本发明望远镜成像系统一种实施方式中旋转机构子系统带动单个过滤采集子系统围绕测量坐标系的y轴摇摆扫描和围绕z轴旋转扫描目标区域的示意图。
如图5所示，在本实施方式中，所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕测量坐标系的一轴进行摇摆或旋转扫描包括：
所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕所述测量坐标系的y轴摇摆扫描；和/或，
所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕所述测量坐标系的z轴旋转扫描。具体地，当过滤采集子系统围绕z轴旋转时，所述测量坐标系随所述过滤采集子系统同步旋转。
本实施方式还包括一种与上述望远镜成像系统对应的望远镜成像方法，所述方法包括：
s10：旋转机构子系统带动过滤采集子系统摇摆或旋转扫描目标区域；
所述扫描包括：准直栅11通过摇摆或旋转对目标区域x射线源入射准直栅11的x射线进行过滤，以形成平行于准直栅11、直射准直栅11底面的平行x射线束；随着准直栅11逐步摇摆或旋转，探测器13逐个角度采集所述平行x射线束的x射线源数据；
s20：数据重建子系统根据所述x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布。
优选地，所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕测量坐标系的一轴进行摇摆或旋转扫描。
所述测量坐标系为固定在所述过滤采集子系统上的三维直角坐标系，原点设置在准直栅11底面的中心，第三轴垂直于准直栅11的底面。
优选地，所述摇摆或旋转包括：
所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕所述测量坐标系的第一轴或第二轴摇摆；和/或，
所述旋转机构子系统带动所述过滤采集子系统围绕所述测量坐标系的第三轴旋转。
优选地，所述摇摆或旋转包括：
所述旋转机构子系统每次带动所述过滤采集子系统围绕所述第三轴旋转一步后，带动所述过滤采集子系统围绕所述第一轴或第二轴逐步摇摆扫描直至所述探测器扫描至所述目标区域在所述第一轴或第二轴方向的两侧边界。
其中，所述过滤采集子系统围绕所述第三轴旋转的区间为0度至180度。
优选地，所述数据重建子系统基于所述x射线源数据的二维radon逆变换重建所述目标区域内的x射线源分布。
图6为本发明望远镜成像系统一种实施方式中利用多个过滤采集子系统构成的并行采集数据的阵列系统，每个过滤采集子系统以不同的摇摆角和旋转角对准目标区域的示意图。在实施方式中，所述梯形栅格的高为h，上端开口和下端开口均为矩形，上端开口矩形长为l，宽为w，下端开口矩形为长为l，宽为w。图中阵列的列指标为i＝0,±1,±2,±3,······±i，i＝l/4hδα，δα为相邻列之间摇摆角间隔，阵列的行指标为j＝0,1,2,3,······j，
所述过滤采集子系统包括：
准直栅11，用于通过摇摆或旋转对目标区域x射线源入射准直栅11的x射线进行过滤，以形成平行于准直栅11、直射准直栅11底面的平行x射线束；
探测器13，与准直栅11的底部连接，用于随着准直栅11逐步摇摆或旋转，逐个角度采集所述平行x射线束的x射线源数据。
所述目标区域为所述多个过滤采集子系统各自对准区域的并集或交集。
多个准直栅11各自沿不同的摇摆角和旋转角对准所述目标区域，以过滤入射的x射线得到所述平行x射线束，所述多个准直栅11底面连接的各探测器13同时各自采集对应的准直栅11所形成的平行x射线束的x射线源数据。
所述数据重建子系统分别与所述多个过滤采集子系统的探测器13通信连接，用于根据所述x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布。
优选地，准直栅11由多个梯形重金属片平行排列构成，每两块相邻的所述梯形重金属片构成一个梯形栅格。
本实施方式还包括一种与上述望远镜成像系统对应的望远镜成像方法，所述方法包括：
s50：多个过滤采集子系统并行采集目标区域的x射线源数据；
所述并行采集包括：所述多个准直栅各自沿不同的摇摆角和旋转角对准所述目标区域，从而分别对目标区域x射线源入射的x射线进行过滤，形成各自平行于准直栅且直射各准直栅底面的平行x射线束；所述多个准直栅底面连接的各探测器同时各自采集对应的准直栅所形成的平行x射线束的x射线源数据；
s60：数据重建子系统根据所述多个过滤采集子系统各自采集的x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布。
优选地，所述数据重建子系统基于多个过滤采集单元各自采集的x射线源数据的二维radon逆变换重建所述目标区域内的x射线源分布。
上述实施例说明了，发明除了利用旋转机构子系统对单个过滤采集子系统进行摇摆和旋转扫描采集目标区域内x射线源的数据外，还可以不用旋转机构子系统，而由多个过滤采集子系统构成的并行阵列系统实现目标区域内x射线源的数据的采集，其中各个过滤采集子系统的准直栅以不同的摇摆角和旋转角对准目标区域，探测器同时采集目标区域内x射线源的各准直栅过滤的平行x射线束数据。多个过滤采集子系统构成的并行阵列系统具有动态观察整个目标区域的优势。
进一步地，本发明的成像方法具有应用于中子成像领域的潜力。
图7为本发明望远镜成像方法实施方式中测量坐标系和目标坐标系的几何关系示意图。
如图7所示，用同样的方法建立目标空间坐标系(x′,y′,z′)，其中x′轴和y′轴所在平面与观测的目标区域平面平行。设目标空间坐标系的原点与测量空间坐标系的原点重合。用同样的方法建立目标角度坐标系(α′,β′)，任一x射线源围绕y′轴旋转，产生目标角度坐标α′轴，围绕x′轴旋转，产生目标角度坐标β′轴，α′轴和β′轴构成目标角度坐标系。当测量空间坐标系(x,y,z)围绕z轴相对目标区域空间坐标系(x′,y′,z′)旋转角
图8为本发明望远镜成像方法实施方式中准直栅与入射的平行x射线束的几何关系示意图。
如图8所示，在本发明实施方式中，当平行x射线束射入所述准直栅的梯形栅格时，所述梯形栅格上端开口接收入射的x射线，下端开口与探测器13衔接。所述梯形栅格的高为h，上端开口和下端开口均为矩形，上端开口矩形长为l，宽为w，下端开口矩形为长为l，宽为w。因为梯形栅格的作用，使得从某些方向入射的平行x射线束在梯形栅格底部获得的投影面积较大，而从另一些方向入射的平行x射线束在梯形栅格底部获得的投影面积较小，因而存在一个角度信号响应函数。以下进行推导所述角度信号响应函数：
当摇摆角α＝0，β＝0时，梯形栅格开口矩形短边与x轴平行，长边与y轴平行，开口矩形与z轴垂直。目标区域内x射线源向梯形栅格射入一平行x射线束，其相对测量坐标系(x,y,z)的方向用(α,β)来表示，如图4所示。显而易见，垂直入射的平行x射线束可以获得最大的探测面积，而其他方向入射的平行x射线束随着偏离角度增大，相应的探测面积随之变小。因此，遥远目标区域内x射线源射来的平行x射线束，在梯形栅格底部中获得的探测面积随入射角度而变，其面积响应函数为：
其中，梯形栅格在摇摆角方向的宽度响应函数为：
梯形栅格在垂直于摇摆角方向的长度响应函数为：
在上述表达式中，x(0)和y(0)分别为平行x射线束垂直入射时，准直栅底面在平行摇摆角方向的响应宽度和垂直摇摆角方向的响应长度。
图9为本发明望远镜成像方法一种实施方式中宽度响应函数的曲线示意图。如图9所示，宽度响应函数的曲线是一个底边角宽为w/h的三角形。
图10为本发明望远镜成像方法一种实施方式中长度响应函数的曲线示意图。如图10所示，长度响应函数的曲线是一个底边角宽为(l+l)/h、顶边角宽为(l-l)/h的梯形。
图11为本发明望远镜成像方法一种实施方式中面积响应函数的曲面示意图。如图11所示，根据宽度响应函数和长度响应函数，可以绘出面积响应函数a(tanα,tanβ)，是随tanα和tanβ变化的函数曲面。
用γ表示望远镜的视角，即入射平行x射线束和z轴的夹角，根据勾股定理，有：
过滤采集子系统的角度信号响应函数等于a(tanα,tanβ)和cosγ的乘积：
在实际使用情况中，梯形栅格几何参数满足w＜＜h，w＜＜l-l，l＜＜l条件，且视场较小，也就是视场角γ较小，根据表达式(3)，有：
根据表达式(4)，有：
根据表达式(6)，角度信号响应函数可以近似为面积响应函数，即：
在表达式(8)中，虽然使用了l＜＜l，l-l≈l≈l+l条件，但是l不可过小，否则将导致梯形栅格下端的探测器面积过小。
如上所述，本实施方式中的望远镜成像系统在观测遥远目标区域内的x射线源时，过滤采集子系统一方面和测量坐标系(x,y,z)一起相对目标坐标系(x′,y′,z′)旋转，转角为
将表达式(9)代入表达式(10)，得到：
因为在|tanβ|＜l/2h区域，y(tanβ)＝y(0)，而在|tanβ|＞l/2h区域，y(tanβ)＝0，所以可以将表达式(11)中的积分上下限拓展至无穷，得到：
其中，
其中，
并根据一维积分和二维radon变换的关系，表达式(13)的右边可以变形为二维radon变换形式，得到：
其中δ(·)为狄拉克函数。根据表达式(15)，可以得到
其中f和f-1分别代表一维傅里叶变换和逆变换，ρ是与角度坐标α对应的角度频率，ψ(α)＝f-1[|ρ|]为消除星形伪影模糊的卷积函数，其函数曲线参见图12。
需要说明的是，虽然表达式(16)中对α积分上下限为无穷，但是实际准直栅围绕y轴摇摆的角度范围由梯形栅格上端开口矩形长度l和栅格高度h决定，即|α|≤arctan(l/2h)。
根据表达式(14)可知，p(α,β)为望远镜成像的点扩散函数，决定望远镜的角分辨率。根据表达式(13)，有：
并有：
由此得到p(α,β)是
综上所述，本发明提供的望远镜成像系统和方法利用准直栅对高能x射线进行滤波，并利用探测器采集x射线源数据，具体实施方式有两种，一种利用旋转机构子系统摇摆和/或旋转单个过滤采集子系统，实现对整个目标区域内的x射线源数据的扫描采集；另一种利用多个过滤采集子系统构成的并行阵列系统，多个过滤采集子系统各自同时采集目标区域内的x射线源数据，实现对整个目标区域内的x射线源数据的并行采集；最后利用数据重建子系统根据过滤采集子系统所采集的x射线源数据重建所述目标区域内的x射线源分布，最终实现了对高能x射线间接成像。本发明望远镜成像系统和方法具有结构简单、操作简便等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。