一种基于MPO聚焦成像不均匀性的探测装置及定位方法

本发明属于x射线天文观测领域，具体涉及一种基于mpo聚焦成像不均匀性的探测装置及定位方法。

背景技术：

1、在x射线天文观测领域，大家极为关注如何提高天文卫星定位目标源的能力。此方面能力的提升能够为科学家提供更清晰、更准确的天文数据，从而推动对宇宙中各种x射线源的深入研究。x射线天文卫星的观测能力取决于其搭载的两个科学载荷：聚焦镜和探测器。目前，chandra是具有最佳角分辨率的x射线天文卫星，其采用精密加工的聚焦镜和大面积探测器阵列，角分辨率可达0.5角秒。然而，chandra的研制周期很长，大面积探测器阵列价格昂贵，制造如此精密的聚焦镜的技术也难以复刻，而且聚焦镜的重量达到了956.4kg，需要很大的卫星平台搭载。由于价格、技术、载荷质量、研制时间、科学目标等因素的约束或影响，各个卫星在探测器和聚焦镜的选择上都有一定的取舍。比如，较小的卫星平台通常不配备聚焦镜，仅使用准直筒对光线进行准直。

2、“全变源追踪猎人星座”(catch)计划是一个空间天文项目，它计划建立一个由126颗微型卫星组成的智能控制星座。catch-1是catch的第一颗试验星。作为一颗微型卫星，catch-1配备的聚焦镜是一种新型的轻量化设计的x射线聚焦镜：龙虾眼x射线微孔光学器件(mpo)，聚焦镜的重量仅为536.9g。catch-1的科学目标是时变观测，因此选择了观测强源有优势的硅漂移探测器(sdd)。由于sdd探测器阵列的技术难度大，同时考虑成本因素，catch-1的焦平面探测器由4个sdd探头组成。sdd探测器没有成像能力，仅能记录每个探测器中的计数。若按照传统均匀排列的方法，只能判断出观测的目标源在视场内或者视场外。

技术实现思路

1、为了克服小卫星平台定位的能力不足,本发明提供一种基于mpo聚焦成像不均匀性的探测装置及定位方法，可以大大提高利用焦平面探测器的定位能力。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于mpo聚焦成像不均匀性的探测装置，其特征在于，包括部署于龙虾眼x射线微孔光学器件mpo的焦平面上的主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器和本底探测器；目标源正入射所述龙虾眼x射线微孔光学器件mpo时在所述焦平面上的成像信息包括一个十字臂和多个漫散射斑块区域；其中，

4、所述主探测器设置于所述焦平面的中心；

5、所述竖直臂探测器、水平臂探测器分别位于所述十字臂上；

6、所述本底探测器设置在任意所述漫散射斑块区域。

7、进一步的，所述竖直臂探测器位于所述十字臂的竖直臂上，所述水平臂探测器位于所述十字臂的水平臂上；所述竖直臂探测器、水平臂探测器距离所述十字臂中心的距离相同。

8、进一步的，所述竖直臂探测器位于所述主探测器的上方，所述水平臂探测器位于所述主探测器的左侧，所述本底探测器位于所述主探测器的右下区域。

9、进一步的，所述主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器和本底探测器均为sdd探测器。

10、一种定位系统，其特征在于，包括龙虾眼x射线微孔光学器件mpo、探测装置和数据处理单元；其中，

11、所述龙虾眼x射线微孔光学器件mpo，用于接收目标源的射线并将其成像到焦平面上；

12、所述探测装置设置于龙虾眼x射线微孔光学器件mpo的焦平面，用于探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo对目标源的成像信息并将其发送给数据处理单元；

13、所述数据处理单元，用于根据主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器的计数定位目标源的位置。

14、进一步的，所述数据处理单元定位目标源的位置的方法为：所述数据处理单元中保存目标源正入射探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo情况时竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t10、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t20；所述数据处理单元根据主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器的计数，计算竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t11、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t21；所述数据处理单元根据相对计数t11相对于相对计数t10的变化率、相对计数t21相对于相对计数t20的变化率确定目标源在视场内的偏转角度和偏转方向。

15、一种基于所述探测装置的定位方法，其步骤包括：

16、1)将所述探测装置设置于龙虾眼x射线微孔光学器件mpo的焦平面，用于探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo对目标源的成像信息并将其发送给数据处理单元；所述数据处理单元中保存目标源正入射探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo情况时竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t10、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t20；

17、2)所述数据处理单元根据主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器的计数，计算竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t11、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t21；

18、3)所述数据处理单元根据相对计数t11相对于相对计数t10的变化率、相对计数t21相对于相对计数t20的变化率确定目标源在视场内的偏转角度和偏转方向。

19、进一步的，所述数据处理单元模拟目标源正入射探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo情况时竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t10、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t20，以及模拟目标源在各非正入射探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo情况时竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t1’、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t2’；然后确定目标源在视场内各种偏转角度和偏转方向下对应的相对计数t1’相对于相对计数t10的变化率、相对计数t2’相对于相对计数t20的变化率；然后根据模拟结果生成一定位表或定位图；步骤3)中，所述数据处理单元根据相对计数t11相对于相对计数t10的变化率、相对计数t21相对于相对计数t20的变化率参照定位表或定位图，确定目标源在视场内的偏转角度和偏转方向。

20、进一步的，所述数据处理单元根据相对计数t11相对于相对计数t10的变化率确定目标源在视场内水平方向的偏转角度和偏转方向，根据相对计数t21相对于相对计数t20的变化率确定目标源在视场内竖直方向的偏转角度和偏转方向；然后根据目标源在视场内竖直方向、水平方向的偏转角度和偏转方向确定目标源在视场内的偏转角度和偏转方向。

21、本发明的优点如下：

22、本发明实现了低成本、短周期、轻质量的微小卫星对目标源的定位。具体来说，本发明使没有定位能力的探测器具有了定位能力，定位精度能够达到7角分，这匹配大视场巡天望远镜的定位能力。本发明也为其他卫星提供了一种有意义的有启发性的提升定位能力的思路。

技术特征：

1.一种基于mpo聚焦成像不均匀性的探测装置，其特征在于，包括部署于龙虾眼x射线微孔光学器件mpo的焦平面上的主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器和本底探测器；目标源正入射所述龙虾眼x射线微孔光学器件mpo时在所述焦平面上的成像信息包括一个十字臂和多个漫散射斑块区域；其中，

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述竖直臂探测器位于所述十字臂的竖直臂上，所述水平臂探测器位于所述十字臂的水平臂上；所述竖直臂探测器、水平臂探测器距离所述十字臂中心的距离相同。

3.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于，所述竖直臂探测器位于所述主探测器的上方，所述水平臂探测器位于所述主探测器的左侧，所述本底探测器位于所述主探测器的右下区域。

4.根据权利要求1或2或3所述的探测装置，其特征在于，所述主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器和本底探测器均为sdd探测器。

5.一种定位系统，其特征在于，包括龙虾眼x射线微孔光学器件mpo、权利要求1所述的探测装置和数据处理单元；其中，

6.根据权利要求5所述的定位系统，其特征在于，所述数据处理单元定位目标源的位置的方法为：所述数据处理单元中保存目标源正入射探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo情况时竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t10、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t20；所述数据处理单元根据主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器的计数，计算竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t11、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t21；所述数据处理单元根据相对计数t11相对于相对计数t10的变化率、相对计数t21相对于相对计数t20的变化率确定目标源在视场内的偏转角度和偏转方向。

7.一种基于权利要求1所述探测装置的定位方法，其步骤包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元模拟目标源正入射探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo情况时竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t10、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t20，以及模拟目标源在各非正入射探测龙虾眼x射线微孔光学器件mpo情况时竖直臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t1’、水平臂探测器的计数与主探测器的计数的相对计数t2’；然后确定目标源在视场内各种偏转角度和偏转方向下对应的相对计数t1’相对于相对计数t10的变化率、相对计数t2’相对于相对计数t20的变化率；然后根据模拟结果生成一定位表或定位图；步骤3)中，所述数据处理单元根据相对计数t11相对于相对计数t10的变化率、相对计数t21相对于相对计数t20的变化率参照定位表或定位图，确定目标源在视场内的偏转角度和偏转方向。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元根据相对计数t11相对于相对计数t10的变化率确定目标源在视场内水平方向的偏转角度和偏转方向，根据相对计数t21相对于相对计数t20的变化率确定目标源在视场内竖直方向的偏转角度和偏转方向；然后根据目标源在视场内竖直方向、水平方向的偏转角度和偏转方向确定目标源在视场内的偏转角度和偏转方向。

技术总结本发明公开了一种基于MPO聚焦成像不均匀性的探测装置及定位方法。本发明探测装置包括部署于龙虾眼X射线微孔光学器件MPO的焦平面上的主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器和本底探测器；目标源正入射所述龙虾眼X射线微孔光学器件MPO时在所述焦平面上的成像信息包括一个十字臂和多个漫散射斑块区域。定位时数据处理单元根据主探测器、竖直臂探测器、水平臂探测器的相对计数变化率，判断出目标源的位置。本发明大大提高了单像素SDD主探测器的定位能力，定位精度能够达到7角分，能够匹配大视场巡天望远镜的定位能力。本发明也为其他卫星提供了一种有意义的有启发性的提升定位能力的思路。技术研发人员：黄一鸣,尹倩青,陶炼,李正伟,文向阳,杨生,高旻受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/12/12