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具有多物理特性的动态脉冲星 信号模拟装置

阅读：1023发布：2020-09-02

专利汇可以提供具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置，主要解决现有装置无法模拟具有物理特性的脉冲星信号的问题，其包括轮廓数据生成单元、信号输出单元、电控线性光源、光衰减器、光电倍增管、电子学读出单元和系统验证单元。轮廓数据生成单元产生具有多物理特性的脉冲轮廓数据，通过信号输出单元转换为电压信号；控制电控线性光源产生辐射强度与轮廓电压信号成正比的光信号，通过光衰减器衰减为单光子流；光电倍增管将单光子流转换为电脉冲信号输出至电子学读出单元对其进行时间标记，并将光子到达时间数据输出至系统验证单元。本发明实现了具有多物理特性的脉冲星信号的高可信度模拟，可用于为脉冲星导航地面验证系统提供数据支持。，下面是具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置，包括：轮廓数据生成单元(1)、信号输出单元(2)、电控线性光源(3)、光衰减器(4)、光电倍增管(5)、电子学读出单元(7)和系统验证单元(8)，其特征在于：
所述轮廓数据生成单元(1)，包括：
初始化模块(11)，用于确定仿真起始时间、轮廓采样时间间隔参数，同时输入轨道文件、JPL行星月球星历文件、脉冲星星历文件、脉冲星自转相位模型、计时噪声模型以及标准轮廓；
时间尺度转换模块(12)，用于将航天器运动产生的多普勒效应加载到脉冲轮廓上，根据输入的轨道文件、JPL行星月球星历文件和脉冲星星历文件，计算仿真时刻航天器处与太阳系质心SSB处脉冲星方向上的信号传播延迟，将计算结果与仿真时刻相加，输出至相位计算模块(13)；
相位计算模块(13)，用于将脉冲星自转特性、脉冲星计时噪声特性加载在脉冲轮廓上，根据输入的脉冲星星历文件、SSB处的脉冲星自转相位模型和计时噪声模型，计算经过时间尺度转换后的仿真时刻的相位，输出至标准轮廓查找模块(14)；
标准轮廓查找模块(14)，用于查找相位计算结果对应脉冲标准轮廓的幅值，将结果输出至数据输出模块(15)；
数据输出模块(15)，用于将输入的轮廓数据输出至信号输出单元(2)；
仿真时刻递增模块(16)，用于将仿真时刻加上轮廓采样时间间隔，反馈给时间尺度转换模块(12)，实现仿真的连续性；
所述信号输出单元(2)，包括FPGA电路(21)、D/A电路(22)、时钟整形电路(23)和原子钟(24)；原子钟(24)通过时钟整形电路(23)为FPGA电路(21)提供稳定的时钟信号，FPGA电路(21)接收轮廓数据生成单元(1)产生的轮廓数据并驱动D/A电路(22)将轮廓数据转换为电压信号输出至电控线性光源(3)，D/A电路(22)同时产生触发信号输出至电子学读出单元(7)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于时间尺度转换模块(12)、相位计算模块(13)、标准轮廓查找模块(14)、数据输出模块(15)和仿真时刻递增模块(16)循环工作，以动态生成连续的、具有多物理特性的脉冲轮廓数据。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于FPGA电路(21)，包括：
通信接口模块(211)，用于接收轮廓数据生成单元(1)产生的轮廓数据，输出至先入先出队列(212)；
先入先出队列(212)，其输入端连接通信接口模块(211)，输出端连接D/A驱动模块(213)，用于缓存通信接口模块(211)接收的轮廓数据，保证数据以由初始化模块(11)确定的轮廓采样时间间隔输出；
D/A驱动模块(213)，其输入端连接先入先出队列(212)，输出端连接D/A电路(22)，用于产生D/A电路(22)工作需要的时序信号；
时钟倍频模块(214)，用于对时钟整形电路(23)输出的时钟信号进行倍频，为FPGA电路(21)其它模块提供高速时钟信号，分别输出至通信接口模块(211)、先入先出队列(212)和D/A驱动模块(213)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于电控线性光源(3)，光衰减器(4)和光电倍增管(5)依次密封安装在光学屏蔽腔(6)内。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于信号输出单元(2)与电控线性光源(3)之间，光电倍增管(5)与电子学读出单元(7)之间，以及信号输出单元(2)与电子学读出单元(7)之间，均通过同轴电缆连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于电子学读出单元(7)通过信号输出单元(2)输出的触发信号进行时间同步。

说明书全文

具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置

技术领域

[0001] 本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置，可用于模拟空间探测器接收到的X射线脉冲星光子序列，为脉冲星导航相关理论研究提供数据支持以及作为脉冲星导航地面验证系统的重要组成部分。

背景技术

[0002] X射线脉冲星自主导航XNAV是一种新兴的、颇具发展前景的完全自主导航方法，具有重要的工程应用价值和战略研究意义，备受国际关注。自1999年起，世界各航天大国纷纷启动X射线脉冲星导航相关理论研究、飞行实验验证等工作。2004年美国国防部提出了X射线脉冲星导航XNAV验证计划，目前已完成可行性论证与地面实验验证，即将开展空间飞行实验。此外，欧空局、俄罗斯以及日本等国家和组织同样开展了大量的原理样机验证以及飞行实验等工作。国内同样开展了X射线脉冲星导航相关研究工作，尤其在理论和地面验证系统的研究方面取得了丰硕的成果。

[0003] 但是，由于脉冲星距离地球一般在几百到几十万光年，所以X射线脉冲星信号衰减极为严重，到达探测器的信号非常微弱，使得X射线脉冲星信号观测较为困难；实测数据的缺失制约了X射线脉冲星导航系统，尤其是理论框架的研究。因此，高精度、高可信度再现空间环境的地面模拟系统就显得尤为重要。

[0004] 根据已公开的专利申请，近年来，国内的地面模拟系统主要有以下几种：

[0005] (1)“一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法与装置(授权公告号：CN101782390B)”，(2)“一种脉冲星信号模拟器(授权公告号：CN101603831B)”，(3)“具有高时频稳定度的X射线脉冲星光子信号地面模拟系统(申请公布号：CN102778236A)”。这几种装置各具优势，但同时存在一些难以克服的缺点：

[0006] 1.第一种模拟系统使用了X射线源进行试验，在X射线探测器技术研究方面具有优势，但由于机械结构的引入，导致了脉冲星周期特性的模拟精度较低，不能满足理论研究的需求。

[0007] 2.第二种模拟系统采用纯电学方式模拟脉冲星信号，但脉冲星信号由计算机程序产生，本质上是软件模拟，可信度低。

[0008] 3.第三种模拟系统保留了模拟的物理过程，模拟可信度高，且具有非常高的时频稳定度与精度，但存在的缺点是：无法模拟具有多物理特性的脉冲星信号，包括脉冲星自转特性、脉冲星计时噪声特性以及由航天器运动产生的多普勒效应。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置，使得模拟信号能够反映真实的物理特性，包括脉冲星自转特性、脉冲星计时噪声特性以及由航天器运动产生的多普勒效应，实现对X射线脉冲星辐射信号的高精度、高可信度模拟。

[0010] 本发明具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置，包括轮廓数据生成单元、信号输出单元、电控线性光源、光衰减器、光电倍增管、电子学读出单元和系统验证单元；

[0011] 其特征在于：

[0012] 所述轮廓数据生成单元，包括：

[0013] 初始化模块，用于确定仿真起始时间、轮廓采样时间间隔等参数，同时输入轨道文件、JPL行星月球星历文件、脉冲星星历文件、脉冲星自转相位模型、计时噪声模型以及标准轮廓；

[0014] 时间尺度转换模块，用于将航天器运动产生的多普勒效应加载在脉冲轮廓上，根据输入的轨道文件、JPL行星月球星历文件和脉冲星星历文件，计算仿真时刻航天器处与太阳系质心SSB处脉冲星方向上的信号传播延迟，将计算结果与仿真时刻相加，输出至相位计算模块；

[0015] 相位计算模块，用于将脉冲星自转特性、脉冲星计时噪声特性加载在脉冲轮廓上，根据输入的脉冲星星历文件、SSB处的脉冲星自转相位模型和计时噪声模型，计算经过时间尺度转换后的仿真时刻的相位，输出至标准轮廓查找模块；

[0016] 标准轮廓查找模块，用于查找相位计算结果对应脉冲标准轮廓的幅值，将结果输出至数据输出模块；

[0017] 数据输出模块，用于将输入的轮廓数据输出至信号输出单元；

[0018] 仿真时刻递增模块，用于将仿真时刻加上轮廓采样时间间隔，反馈给时间尺度转换模块，实现仿真的连续性；

[0019] 所述信号输出单元，包括FPGA电路、D/A电路、时钟整形电路和原子钟；原子钟通过时钟整形电路为FPGA电路提供稳定的时钟信号，FPGA电路接收轮廓数据生成单元产生的轮廓数据并驱动D/A电路将轮廓数据转换为电压信号输出至电控线性光源，D/A电路同时产生触发信号输出至电子学读出单元。

[0020] 本发明与现有的脉冲星模拟装置相比，具有以下优点：

[0021] 1.本发明采用了专用的轮廓数据生成单元，使得系统可动态实时仿真不同脉冲星、包括不同物理特性的信号，增加了仿真的灵活性。

[0022] 2.本发明将多种物理特性加载到了脉冲轮廓上，使得系统模拟得到的脉冲星信号更加接近实测数据，具体反映了以下几个物理特性：a)脉冲星自转特性；b)脉冲星计时噪声特性；c)由航天器运动而产生的多普勒效应。

[0023] 3.本发明采用物理过程模拟脉冲星信号在宇宙中的传播过程，模拟可信度高。

[0024] 下面结合附图对本发明作进一步说明：

附图说明

[0025] 图1是本发明装置的结构示意图；

[0026] 图2是本发明中轮廓数据生成单元结构框图；

[0027] 图3是本发明中信号输出单元结构框图。

具体实施方式

[0028] 参照图1，本发明具有多物理特性的动态脉冲星信号模拟装置，包括：轮廓数据生成单元1、信号输出单元2、电控线性光源3、光衰减器4、光电倍增管5、光学屏蔽腔6、电子学读出单元7和系统验证单元8；其特征在于：

[0029] 轮廓数据生成单元1，采用但不局限于C#语言编写，通过但不局限于PCIE 接口与信号输出单元2连接；

[0030] 信号输出单元2与电控线性光源3之间，光电倍增管5与电子学读出单元7之间，以及信号输出单元2与电子学读出单元7之间，均通过同轴电缆连接；

[0031] 电控线性光源3、光衰减器4和光电倍增管5依次密封安装在光学屏蔽腔6内，并做光学密封处理；

[0032] 光电倍增管5，选择但不局限于PMTH-S1-R1527P型侧窗式光电管，该型号光电倍增管的光谱响应范围在185-680nm之间，峰值响应波长为400nm，典型暗计数为30个/秒；

[0033] 系统验证单元8，采用但不局限于C#语言编写，通过但不局限于USB数据线与电子学读出单元7连接；

[0034] 轮廓数据生成单元1将脉冲星自转特性、脉冲星计时噪声特性以及由航天器运动产生的多普勒效应加载到脉冲轮廓上，动态生成具有多物理特性的脉冲轮廓数据，输出至信号输出单元2；信号输出单元2将轮廓数据转换为电压信号输出至电控线性光源3，同时，产生触发信号输出至电子学读出单元7，用于初始化电子学读出单元7，实现两者的时间同步；电控线性光源3产生辐射强度与轮廓电压信号成正比的光信号，通过光衰减器4衰减为单光子流；光电倍增管5对单光子流进行探测，转换为电脉冲信号输出至电子学读出单元7；电子学读出单元7对电脉冲信号进行时间标记，同时将光子到达时间TOA数据输出至系统验证单元8。

[0035] 参照图2，所述轮廓数据生成单元1，包括初始化模块11、时间尺度转换模块12、相位计算模块13、标准轮廓查找模块14、数据输出模块15和仿真时刻递增模块16，其中：

[0036] 初始化模块11，用于确定仿真起始时间t，轮廓采样时间间隔Δt，同时输入轨道文件、JPL行星月球星历文件、脉冲星星历文件、脉冲星自转相位模型、计时噪声模型以及标准轮廓；

[0037] 时间尺度转换模块12，用于将航天器运动产生的多普勒效应加载在脉冲轮廓上，根据输入的轨道文件、JPL行星月球星历文件和脉冲星星历文件，计算仿真时刻t航天器处与太阳系质心SSB处脉冲星方向上的信号传播延迟δt，并将计算结果δt与仿真时刻t相加，输出至相位计算模块，该传播延迟δt的计算公式为：

[0038]

[0039] 式中，rSC/E表示航天器相对于地球的位置矢量，vE表示地球速度矢量，P表示固有时与坐标时之间的修正项，c表示光速，n表示脉冲星方向矢量，rA表示航天器相对于SSB位置矢量，G为万有引力常数，Ms表示太阳的质量，costh表示脉冲星-太阳-航天器之间角度的余弦值；

[0040] 经过时间尺度转换后的仿真时刻：t′＝t+δt；

[0041] 相位计算模块13，用于将脉冲星自转特性、脉冲星计时噪声特性加载在脉冲轮廓上，根据输入的脉冲星星历文件、SSB处的脉冲星自转相位模型和计时噪声模型，计算经过时间尺度转换后的仿真时刻t′对应的相位φt′，输出至标准轮廓查找模块14，该相位φt′的计算步骤如下：

[0042] a)建立脉冲星自转相位模型φ和计时噪声模型δt：

[0043]

[0044] 其中，T0表示脉冲星计时参考时间，f、和分别表示脉冲星在参考时间T0时的自转频率、频率一阶导数和频率二阶导数，计时噪声δt服从均值为0、方差为的高斯分布，其中C2、α、β和γ为长期观测数据拟合得到的参数，分别为lnC2＝1.6±0.4、α＝-1.4±0.1、β＝1.1±0.1、γ＝2.0±0.2，T为观测时间尺度；

[0045] b)将计时噪声δt代入自转相位模型φ中，得到相位φt′：

[0046]

[0047] 标准轮廓查找模块14，用于查找相位计算结果φt′对应脉冲标准轮廓的幅值，即轮廓数据，并输出至数据输出模块15；

[0048] 数据输出模块15，通过但不局限于PCIE 通信接口将轮廓数据输出至信号输出单元2；

[0049] 仿真时刻递增模块16，用于在仿真时刻加上轮廓采样时间间隔，即t＝t+Δt，形成下一次仿真时刻，并将该仿真时刻反馈给时间尺度转换模块12，实现时间尺度转换模块12、相位计算模块13、标准轮廓查找模块14和数据输出模块15的循环工作，以输出连续的、具有多物理特性的脉冲轮廓数据

[0050] 参照图3，所述信号输出单元2，包括FPGA电路21、D/A电路22、时钟整形电路23和原子钟24。原子钟24通过时钟整形电路23为FPGA电路21提供稳定的时钟信号，FPGA电路21接收轮廓数据生成单元1产生的轮廓数据并驱动D/A电路22将轮廓数据转换为电压信号输出至电控线性光源3，D/A电路22同时产生触发信号输出至电子学读出单元7。

[0051] 所述FPGA电路21，包括通信接口模块211、先入先出队列212、D/A驱动模块213和时钟倍频模块214，其中：

[0052] 通信接口模块211，用于接收轮廓数据生成单元1产生的轮廓数据，输出至先入先出队列212；

[0053] 先入先出队列212，其输入端连接通信接口模块211，输出端连接D/A驱动模块213，用于缓存通信接口模块211接收的轮廓数据，保证数据以由初始化模块11确定的轮廓采样时间间隔输出；

[0054] D/A驱动模块213，其输入端连接先入先出队列212，输出端连接D/A电路22，用于产生D/A电路22工作需要的时序信号；

[0055] 时钟倍频模块214，用于对时钟整形电路23输出的时钟信号进行倍频，为FPGA电路21其它模块提供高速时钟信号，分别输出至通信接口模块211、先入先出队列212和D/A驱动模块213。

[0056] 以上实施例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

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