[发明专利]一种面向X‑ray脉冲星导航定位的探测器系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种可根据探测面积或信噪比需求对探测模块进行任意拼接，对视场内的X射线进行有效探测的探测器系统。

背景技术

基于X射线脉冲星的航天器空间导航定位(X-ray Pulsar-based Navigation，XPNAV)利用确定的脉冲星空间位置和高度稳定的脉冲信号对航天器进行导航定位，是一种新的天文自主导航定位技术。由其原理可知，如何探测并获取准确的波形是X射线脉冲星导航系统的核心难题。

美国的“XNAV计划”和欧空局的“深空探测器脉冲星导航研究计划”均采用微孔径光学系统聚焦来自脉冲星的X射线，该光学系统具有体积小、质量轻等诸多优点，同时可以高效抑制背景杂散X射线，提高信噪比，是目前X射线探测载荷的首选光学系统。但国外均采用了单个曲面MPO镜头形式，受加工水平等方面的限制，单个曲面MPO镜头口径尺寸受限，探测面积极为有限。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可在探测面积需求下准确探测X射线脉冲周期波形的探测器模块，可实现对航天器进行自主导航定位。

本发明的技术解决方案是：一种面向X-ray脉冲星导航定位的探测器系统，包括M行N列矩阵排布的探测器模块、焦面电路板、信号电路板，M和N均为正整数；所述的探测器模块包括曲面MPO镜头和Si探测器，其中Si探测器位于曲面MPO镜头的球心处，与曲面MPO镜头同光轴，焦面电路板对应一个或者多个探测器模块；来自脉冲星的X射线入射至曲面MPO镜头，然后汇聚到位于曲面MPO镜头球心处的Si探测器上，Si探测器将X射线光子转换成电子，焦面电路板将Si探测器上的电子转化为电信号并送至信号电路板，信号电路板将焦面电路板输出的各路电信号进行整形、两级放大和AD转换，并将量化后的信号输出给图像采集设备。

所述的曲面MPO镜头为Photonis铅铋玻璃，外形为球面，球面的中间为微孔阵列。

所述的曲面MPO镜头通过曲面MPO镜头基座进行支撑和固定，曲面MPO镜头基座为一个带有沉台的镜框，镜框上部覆有镜框盖，沉台的上表面和镜框盖的下表面均为球面并且曲率半径与曲面MPO镜头相同，曲面MPO镜头的边缘与曲面MPO镜头基座的结合部用胶粘结。

所述的Si探测器通过Si探测器基座进行支撑和固定，Si探测器与Si探测器基座的结合部用胶粘结。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用了单个曲面MPO镜头、单个Si探测器、单套焦面电路的模块化设计，使得针对不同脉冲星发射X射线探测的系统变得简便实用；

(2)本发明采用了简洁实用的模块化设计，可根据探测面积要求，对单模块进行任意数量、任意排列组合形式的拼接。同时结构紧凑、重量轻，可有效探测并获取准确的来自脉冲星的X射线波形，可实现对航天器进行自主导航定位；

(3)本发明采用多曲面MPO镜头拼接型X射线探测，能够大幅抑制宇宙背景噪声、卫星所处轨道的高能粒子噪声，有效提升探测信号的信噪比，有利于以最短探测时间实现高TOA测量精度；

(4)信号电路板采用两级放大的信号处理技术，能够准确提取X光子到达时间，且能够实现较高光子谱段识别精度。

附图说明

图1为本发明单个探测器模块构成示意图；

图2为本发明四探测器模块拼接示意图；

图3为本发明曲面MPO镜头封装示意图；

图4为本发明Si探测器封装示意图；

图5为本发明2×4曲面MPO模块拼接示意图；

图6为本发明2×4Si探测器模块拼接示意图；

图7为本发明2×4模块拼接总示意图；

图8为曲面MPO镜头的大小D与系统焦距F和曲面MPO的曲率半径R之间的关系图。

具体实施方式

采用曲面微孔光学阵列(Array of Micro-Pore Optics，MPO)作为聚焦光学系统，可将来自于脉冲星的X射线聚焦到非成像探测器上，同时可实现X射线光学系统轻量化。

曲面MPO镜头是一种具有微细结构的曲面汇聚装置，尺寸小、重量小。在MPO微通道内利用掠入射原理实现X射线传输方向的偏转，进而汇聚，对于一定能量范围的光子可以通过准确设计MPO弯曲程度消除背景杂散光，提高探测信噪比。同时，Si探测器具有高响应时间，可保证系统具有高时间分辨率，这可以为探测X射线脉冲周期波形提供有力保证。