暗物质空间探测器BGO量能器的读出设计

暗物质空间探测器是中国科学院紫金山天文台暗物质空间天文实验室提出的,其目的是为了探测暗物质粒子湮灭可能产生的高能电子和伽玛粒子.整个探测器主要由BGO(Bismuth germanate,锗酸铋)高能图像量能器和闪烁体径迹探测器构成.探测器的能量探测范围将覆盖10 GeV到10 TeV的高能电子和伽玛粒子,其中高能粒子的能量主要沉积在BGO量能器中.为了验证探测器方案,紫金山天文台暗物质空间天文实验室设计了暗物质空间探测器BGO量能器的读出系统原型,并对其进行了初步的测试.     

暗物质粒子探测器触发逻辑测试系统的设计和实现?

作为暗物质粒子探测器(DAMPE, Dark Matter Particle Explorer)的一部分,触发系统主要用于判选所需探测的目标粒子(高能电子和伽玛射线)事例,剔除非目标粒子事例。触发系统由触发探测器和触发判选逻辑电路组成。介绍了触发地检测试系统和宇宙线触发系统的设计和功能实现。触发地检系统实现了对触发判选逻辑电路的电子学验证;另外,配合宇宙线触发系统对部分触发逻辑和触发效率进行了测试。主要介绍了触发系统的测试方法和一些初步测试结果。     

大面积硅微条探测器在轨数据压缩算法的设计与实现

硅微条探测器具有位置分辨高、响应快、低噪声、低功耗等优点,广泛应用在各大加速器试验中,测量粒子径迹.新世纪以来,逐渐应用于空间探测领域.计划中的"悟空"2号暗物质粒子探测卫星的硅微条探测器将至数十万计,将产生海量的原始数据.如何实现探测器快速实时的数据压缩,是其需要解决的一大难题.立足于面向空间应用的硅微条探测器在轨实时压缩算法,算法采用FPGA (Field-programmable Gate Array)搭建流水线结构的方式实现,在提高系统集成度、节省逻辑资源的同时,批量数据处理时最高可将数据压缩率提升至38.4 M通道/s.算法结构具有通用性,设计思想和方案将为"悟空"2号的径迹探测器的研制提供参考.     

硬X射线成像仪量能器测试系统的设计与实现

硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager, HXI)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)的3大载荷之一, 其中量能器作为其重要组成部分, 承担着观测30--200keV能段的太阳硬X射线的任务. 在卫星发射之前, 需要开展大量的测试工作, 以确保HXI量能器的各项功能和性能满足设计需求. HXI量能器通道数众多, 内含99个溴化镧探测器, 分别由8块相同的前端电子学板控制. 除了对各个通道的性能进行测试外, 地检系统还需模拟量能器在轨面对不同太阳活动时的运行情况, 对量能器进行全面完备的测试. 此外, 地检系统还需足够稳定, 能满足量能器在单机测试、环境试验、热真空与振动等多个不同测试项目的长时间测试需求. 为此, 设计了地检板与上位机软件, 结合放射源、直流电源、高压模块等组成一套HXI量能器的地检系统, 对8块前端电子学板实现同步配置与管理, 能高效完成指令发送与数据接收, 满足量能器最大数据输出带宽400Mbps的需求. 利用该系统, 在地面完成了HXI量能器的功能、性能验证, 获得了量能器的线性、死时间、能量分辨率等各项性能指标, 为HXI量能器的在轨高性能运行提供了保障.     

ASO-S卫星HXI量能器探测单元的标定

先进天基太阳天文台卫星(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)是中国科学院第2批空间科学先导专项之一,其主要目标是同时观测太阳磁场、耀斑和日冕物质抛射,并对3者之间的相互关系和内在联系进行研究.硬X射线成像仪(HXI)是ASOS卫星的3大载荷之一,它通过对太阳活动发射的硬X射线进行傅里叶调制成像,实现高空间分辨率和高时间分辨率的太阳能谱成像观测.量能器单机是HXI的关键单机之一,其主要任务是精准测量通过每对光栅后太阳硬X射线的能量和通量.主要介绍了量能器单机的工作原理及其关键指标要求、标定设备及标定方案,最后给出了标定结果,从而验证了量能器单机方案设计的合理性.     

一种低噪声硅微条探测器读出电子学系统的设计

硅微条探测器空间分辨率高、工作性能稳定, 广泛地应用于空间高能粒子探测领域. 如费米gamma射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope, FGST)以及阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer 2, AMS-02)的径迹探测器中都采用了高位置分辨率的硅微条探测器. 基于硅微条探测器在空间观测领域的应用前景, 针对硅微条探测器单元设计了一套低噪声的电子学读出系统. 整个电子学系统分为前端电子学、数据获取电路和上位机软件. 前端电子学为提高集成度, 采用了一款电荷读出芯片VATAGP8, 实现了多通道、低噪声的电荷信号测量; 数据获取电路使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现了对前端电子学的时序控制以及对测量信号的采集控制; 上位机用来接收、处理数据获取电路采集的信号数据. 在对电子学通道的线性、基线、噪声等性能进行测试之后, 得到系统在0--200fC电荷输入范围内的线性增益约为13.41bin/fC, 积分非线性小于1%, 噪声小于0.093fC. 为了验证电子学读出系统对硅微条探测器单元的读出能力, 将两者集成在一起并测试了宇宙线缪子的能量沉积, 得到读出电子学系统的信噪比大于32, 缪子的电离损失能谱与Landau-Gaussian分布符合较好, 能够满足硅微条探测器单元读出电子学的设计要求.     

地面稳相频标传输系统设计和测试

设计了一款1.5 GHz的稳相频标传输装置,具有实时和事后补偿能力,并且兼容了同轴电缆和光纤两种传输介质.对装置的稳相原理和性能进行了分析和评估,然后对同轴电缆稳相系统的性能进行了测试.结果表明,基于目前的测试环境,与未稳相时相比,实时补偿模式可以改善相位变化112倍以上,积分时间长于7 s时,频率稳定度明显提升,长于60s的频率稳定度有1个数量级的改善;事后补偿模式可以改善40倍相位波动,积分时间长于2.5 s频率稳定度明显提升,长于40 s的频率稳定度有1个数量级的改善.对于更长时间积分的频率稳定度,实时和事后补偿模式均可以改善1.5个数量级以上,装置能有效抑制因传输介质的温度系数等因素导致的缓慢伸缩效应.     

空间太阳硬X射线成像仪量能器读出电子学设计

先进天基太阳天文台(ASO-S)是中国科学院空间科学先导专项2期规划的太阳观测卫星,其针对第25个太阳活动峰年,同时观测太阳磁场、日冕物质抛射和太阳耀斑爆发.硬X射线成像仪(HXI)作为该卫星3个科学载荷之一,实现了高时间分辨率和空间分辨率的太阳硬X射线成像观测,其量能器由99套溴化镧闪烁晶体-光电倍增管探测单元和读出电子学板构成,实现了30–200 keV的硬X射线光子能谱测量.针对HXI量能器的观测需求,设计了一套空间高事例率读出电子学系统,并通过实验室测试,证明了该系统单事例读出死时间小于2μs,同时验证了该系统电子学噪声小于120 fC,积分非线性小于2%,满足HXI仪器要求.     

行星际尘埃的研究进展

宇宙尘物质是太阳系最原始的考古样品,比陨星更具有太阳系初始物质的特性,其整体成分更能代表太阳星云的初始丰度和同位素特征。初步综述了目前国内外对宇宙尘的探测、捕集和研究现状以及最新研究进展．     

基于嵌入式人工智能设备的流星光学监测系统

流星光学监测网是定位陨石和观测火流星的基础科研设施. 流星光学监测系统利用光学相机高速采集天空图像, 使用嵌入式系统实时处理数据, 能够快速识别流星并获取流星位置和陨石落点信息, 是构成流星监测网的关键仪器. 为提高流星光学监测系统获取信息的实时性及准确性, 提出了一种基于嵌入式人工智能设备的流星光学监测系统. 该系统由软件及硬件部分组成: 硬件部分包括观测设备(商用高空抛物摄像头)以及数据处理设备(嵌入式人工智能设备); 软件部分运行于数据处理设备内, 主要包括控制界面模块、流星监测模块、数据管理模块. 实际工作时, 摄像头采集天空视频信息, 流星监测模块从视频流中实时监测流星并存储包含流星视频的数据, 数据管理模块将流星位置信息实时传回数据中心用于预警. 观测结束后, 将原始观测数据同步至数据中心用于后续科学研究. 在整个系统中, 流星监测模块决定了整个监测系统的实时性及准确性. 该系统采用嵌入式人工智能设备与人工智能算法结合的方法构建流星监测模块. 通过使用实测数据对搭载监测模块性能进行测试, 结果表明: 流星监测模块能够达到0.28%的低误检率以及100%的召回率, 且数据处理速度达到了Mobilenetv2的8倍. 进一步将包含监测模块的整个流星光学监测系统部署于太原理工大学-张壁古堡远程天文台, 通过实测表明流星光学监测系统实用中能达到100%的召回率和较低的误检率.     

一种基于元学习的大口径射电望远镜俯仰轴承故障辨识方法研究

在经过长期运行后大口径射电望远镜俯仰轴会出现微小扭曲, 滚动轴承作为承载俯仰轴的核心部件, 也会因长期承受交变载荷增加疲劳风险, 导致轴承寿命以及望远镜指向精度的下降, 极大影响望远镜的性能. 以俯仰轴承为研究对象, 开展故障辨识方法研究, 可为望远镜天线的高性能运行提供重要支撑. 为实现在有限数据和复杂工作条件下准确地辨识俯仰轴承故障, 提出了一种小样本条件下基于元学习的故障辨识方法(Few-shot Meta-learning Fault Identification, FMFI). 首先将不同工况下的原始信号转换为时频图像数据, 之后按照元学习协议将数据样本随机采样到不同的学习任务中. 在有限样本的条件下, FMFI可以通过训练任务中的样本信息获取通用的先验知识, 在未知的测试任务下实现准确快速的故障辨识. 选取了与望远镜俯仰轴承工况具有相似性的变负载轴承数据集进行实验, 实验结果表明, FMFI方法具有很高的准确性和可靠性, 为大口径射电望远镜俯仰轴承的主动运维和高质量服役提供了有力的技术支持.     

大天区望远镜中sCMOS相机的测光精度分析

与传统CCD (Charge Coupled Device)相机相比, s COMS (scientific Complementary Metal Oxide Semiconductor)相机被广泛装备于超大天区巡天设备,与传统CCD相机不同的是sCMOS相机采用卷帘式快门,因此对其进行测光精度的分析工作是很有意义的.首先,将s CMOS相机拍摄的图像与UCAC2 (The Second U.S. Naval Observatory CCD Astrograph Catalog)星表进行匹对,识别图像中的UCAC2标准星.接着对图中的标准星进行测光并提取测光数据进行最小二乘直线拟合,获得了相应的系统转换系数并得到仪器星等至标准星等的转换公式.然后,将转化后的仪器星等和标准星等做差并计算相应的均方根误差.最后,利用计算得到的均方根误差评估sCMOS相机的测光精度,并将标准星按星等划分后,分析了相应的测光误差.计算结果表明在标准测光夜测量亮度亮于14等的星时,测光精度优于0.15 mag.通过实测精度分析可知卷帘快门sCOMS相机具有较高的测光精度,基本满足空间碎片巡天观测的要求.     

FMG载荷地面试观测导行跟踪系统的设计与实现

全日面矢量磁像仪(Full-disk vector MagnetoGraph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星的3台主载荷之一,为开展FMG全系统性能测试和定标试验,已搭建用于FMG外场测试的地面试观测平台.利用该平台模拟FMG在轨跟踪状态,研制了基于全日面太阳图像的望远镜导行系统.该系统通过大面阵CCD (Charge Coupled Device)采集太阳像、多重逻辑条件判定、微调恒动跟踪速度校正偏移等策略,实现了RMS (Root Mean Square)优于1′′/30 min的跟踪精度.通过分析FMG方案阶段试观测的太阳纵向磁图,开启导行30 min后磁图特征点在赤经方向的偏移比恒动条件下减少17.5′′,提升了磁图空间分辨率.测试过程中该系统达到设计指标且工作稳定,为FMG地面试观测提供了良好的技术支撑.     

四通道高动态范围自动增益控制电路的设计与实现

详细叙述了四通道自动增益控制器(Automatic Gain Control,AGC)的设计和实现。该AGC具备很高的动态范围(62.75dB)和很宽的输入频带(500MHz),并可用作宽带功率信号的相对检测。首先介绍了设计该AGC的科学目的,着重论述了实现AGC的基本数学原理和电路实现,最后给出了实际电路的测试结果。     

空间乳胶室探测器的研制

"实践八号"乳胶室探测器是我国首次用于空间观测高能电子及伽玛射线的乳胶 室探测器.介绍"实践八号"乳胶室探测器的设计原理、数据分析方法、设计过程和初步 观测结果等."实践八号"乳胶室探测器空间观测时间为15天,可探测的粒子能量范围为 100GeV～5TeV.     

一种基于全天相机组网的区域火流星监测网的实现和应用

流星监测网是小尺寸近地小天体撞击监测、判断陨石落点的主要工具. 提出了一种基于多站布局的全天视频相机组网监测系统, 并在江苏及周边构建了一个区域级原型系统, 实现了火流星监测组网控制、视频数据采集、数据处理及流星体定轨的完整流程. 通过1yr的实测运行表明, 该系统可观测流星极限视星等为-1.0等, 可以实现绝对星等-2.5等流星的完备检测; 根据监测数据得到火流星通量为2.68×10^-7km^-2 ·h^-1;群流星和偶发流星占比分别为46%和54%,偶发流星中类小行星轨道和类彗星轨道比例分别为27.1%和72.9,统计结果与国际主要流星监测网相接近,验证了监测网系统在实际组网使用中的监测能力.     

ASO-S/FMG稳像系统的柔性支撑摆镜设计与仿真

全日面矢量磁像仪(Full-disk vector MagnetoGraph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)的主载荷之一,摆镜作为FMG稳像系统的重要组成部分,其力学性能是决定载荷观测指标的重要一环,需要对其进行仿真.设计了一种侧面固定的柔性支撑镜体结构,通过调整垫片厚度,可以得到由弹性压片提供的不同大小支持力.为了确定合理的支持力范围,建立3种不同参数模型,使用有限元软件对摆镜模型进行了在轨无重力环境的静力学仿真以及摆镜摆动频率为100 Hz、摆幅为±0.1 mrad时的动力学仿真,并进一步分析了地面有重力试验环境对面形的影响.仿真结果表明所设计的摆镜机构模型均满足通光口径内静态和动态的面形波峰波谷差(PeakValley, PV)小于1/10波长,面形均方根误差(Root Mean Square, RMS)小于1/40波长的光学系统要求,地面有重力环境不会对面形产生显著影响.在仿真结果的基础上,对其中一种模型进行加工装配和实际测试,测试结果表明摆镜结构设计合理,仿真计算结果有效.     

IERS数据动态提取与更新系统的设计与实现

在高精度的位置计算中需要获取计算时刻所在日期的闰秒,以及UT1-UTC等关键数据,但长期以来这一类数据的维护均是手工进行,出错率高.针对新一代中国太阳射电日像仪观测与数据处理过程中的位置计算需要,实现了一个自动提取国际地球自转服务（IERS）参数的数据更新自维护子系统.系统可以根据需要自动运行、自动下载并分拆IERS网站数据,采用正则表达式从文本中自动获取所需要的实测值与预报值,自动在本地构建一个2004年12月31日以来的IERS数据库,并根据每周所获得的数据维护整个IERS的数据,将最新的实测值与预报值存入数据文件,实现了数据的滚动更新.系统彻底解决了手工维护数据的问题,为中国太阳射电日像仪的自动数据处理流水线打下了较好的基础.同时,本文提出的方法是一种通用的方法,可以方便地集成应用到国内其它天文位置计算领域.     

光纤时间传递系统中时钟驯服模块的设计和实现

提出了一种基于光纤时间传递系统的时钟驯服模块设计方案。介绍了系统硬件的组成。在对信道特性和压控晶振进行理论和实验分析的基础上,设计实现了适用于光纤信道特性的卡尔曼滤波算法以及驯服流程控制程序。实验测试表明：该模块能结合恒温晶振短期稳定度好和光纤时间传递系统秒脉冲长期稳定度好的优点,时间传递的精度优于0．25ns（1σ）,输出的秒脉冲的长期稳定度优于10^-14。