李連升, 梅志武，呂政欣，鄧樓樓,劉繼紅, 陳建武, 石永強(qiáng), 左富昌

(1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.北京航空航天大學(xué)，機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

【專(zhuān)家特稿】

X射線脈沖星導(dǎo)航探測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述

李連升1, 梅志武1，呂政欣1，鄧樓樓1,劉繼紅2, 陳建武1, 石永強(qiáng)1, 左富昌1

(1.北京控制工程研究所，北京 100190； 2.北京航空航天大學(xué)，機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦妥灾鲗?dǎo)航技術(shù)，美國(guó)NASA、歐空局、日本JAXA等航天強(qiáng)國(guó)科研機(jī)構(gòu)均將其列為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，采用“自然界最精準(zhǔn)的天文時(shí)鐘”的脈沖星作為導(dǎo)航信標(biāo)，可以大大提升航天器戰(zhàn)時(shí)自主導(dǎo)航生存能力。本文綜述X射線脈沖星導(dǎo)航探測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，深入分析X射線脈沖星導(dǎo)航對(duì)探測(cè)終端設(shè)備的需求，梳理出X射線脈沖星導(dǎo)航需要突破的關(guān)鍵技術(shù)及可實(shí)現(xiàn)的途徑，為我國(guó)X射線脈沖星導(dǎo)航領(lǐng)域的快速發(fā)展提供了技術(shù)參考。

X射線探測(cè)；脈沖星導(dǎo)航；聚焦型光學(xué)系統(tǒng)；本底抑制

脈沖星是大質(zhì)量恒星演化、坍縮、超新星爆發(fā)的遺跡，是一種超高密度、超高溫、超高壓、超強(qiáng)電磁場(chǎng)和超強(qiáng)穩(wěn)定自轉(zhuǎn)周期的中子星[1]，自轉(zhuǎn)周期變化率穩(wěn)定性高達(dá)10-19～10-21，被譽(yù)為自然界最穩(wěn)定的天文時(shí)鐘[2-3]。X射線脈沖星導(dǎo)航的概念誕生于20世紀(jì)70年代，它是一種新型的天文導(dǎo)航方法, 相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法[4]，它具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)需地面系統(tǒng)支持、全軌道自主導(dǎo)航等特點(diǎn)，尤其在深空探測(cè)、空天戰(zhàn)爭(zhēng)等極端條件下對(duì)航天器自主導(dǎo)航具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，可提高航天器的戰(zhàn)時(shí)自主生存能力，是各航天強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的尖端技術(shù)[5]。然而，由于脈沖星自身的物理特性、X射線光子的特殊性以及空間背景噪聲的復(fù)雜性，實(shí)際工程化應(yīng)用的脈沖星導(dǎo)航探測(cè)極為復(fù)雜，探測(cè)器對(duì)有效探測(cè)面積、探測(cè)效率、時(shí)間分辨率、能量分辨、使用壽命、制造工藝、搭載可行性等因素提出了較高要求。雖然以美國(guó)宇航局、歐空局等為代表的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量研究，但距離實(shí)際工程應(yīng)用仍有較大差距，其中缺失高性能的脈沖星探測(cè)設(shè)備是制約該領(lǐng)域快速發(fā)展的瓶頸。

本文在回顧國(guó)內(nèi)外X射線脈沖星探測(cè)歷程的基礎(chǔ)上，從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)討論脈沖星導(dǎo)航對(duì)終端設(shè)備的需求，重點(diǎn)論述了X射線脈沖星探測(cè)終端設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，提出我國(guó)在X射線脈沖星導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展建議，以圖促進(jìn)我國(guó)在脈沖星自主導(dǎo)航領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1 X射線脈沖星探測(cè)發(fā)展歷程

脈沖星最早記載歷史可追溯至我國(guó)宋代(公元1054年)，《宋史·天文志》記載了大質(zhì)量恒星演化、坍縮、爆發(fā)的信息，Crab及星云正是其爆炸的結(jié)果[6]。自1967年英國(guó)劍橋大學(xué)Hewish與其學(xué)生Bell在對(duì)射電波大氣隨機(jī)折射研究中發(fā)現(xiàn)首顆射電脈沖星信號(hào)以來(lái)[7]，X射線脈沖星探測(cè)大致經(jīng)歷以下四個(gè)階段：

1) 脈沖星探測(cè)萌芽階段(1970s—1990s)

20世紀(jì)70年代，Uhurn衛(wèi)星和美國(guó)天文觀測(cè)衛(wèi)星Ariel-5的成功發(fā)射，分別探測(cè)到了X射線脈沖點(diǎn)光源Cen X-3和Her X-1，從此正式開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)探索宇宙空間X射線脈沖星的歷史。1974年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Downs博士首次提出將射電脈沖星應(yīng)用于星際導(dǎo)航的設(shè)想，并推算出理論精度約為150 km[8]。1976年，美國(guó)天文觀測(cè)衛(wèi)星Ariel-5首次觀測(cè)到X射線脈沖星信號(hào)[9]。1977年到1981年間，NASA 發(fā)射了兩顆大型科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行X射線天文學(xué)的研究，分別是HEAO-1和HEAO-2[10]。1981年，美國(guó)通信系統(tǒng)所的Chester和Butman等人提出了脈沖星X射線導(dǎo)航的初步構(gòu)想[11]。1983年ESA發(fā)射了X射線天文觀測(cè)臺(tái)，在軌獲得大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)也驗(yàn)證了軌道的合理性，為后續(xù)大型X射線天文觀測(cè)臺(tái)的成功發(fā)射奠定基礎(chǔ)。1990年德國(guó)發(fā)射了ROSAT衛(wèi)星，使發(fā)現(xiàn)的 X 射線源增加到將近105個(gè)，并且許多 X 射線源的精確位置也得到確認(rèn)[12]。

2) 脈沖星探測(cè)輝煌階段(1990s—2000s)

1993年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Wood博士設(shè)計(jì)了非常規(guī)恒星特征試驗(yàn)(Unconventional Stellar Aspect experiment, USA)，并搭載1999年發(fā)射的先進(jìn)研究和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星(Advanced Research and Global Observation Satellite，ARGOS)衛(wèi)星[13]，如圖1。采用準(zhǔn)直型氣體正比計(jì)數(shù)器獲得了大量脈沖星探測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了基于X射線源的空間導(dǎo)航試驗(yàn)，并驗(yàn)證了定姿的基本原理。

圖1 ARGOS衛(wèi)星上的USA試驗(yàn)

1995年12月30日美國(guó)宇航局成功發(fā)射了一顆觀測(cè)天文X射線源的衛(wèi)星——羅希 X 射線計(jì)時(shí)探測(cè)器(Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE)，搭載了全天監(jiān)視器、正比計(jì)數(shù)器陣列和高能X射線計(jì)時(shí)器，雖然不能成像，但時(shí)間分辨率高、有效面積大、探測(cè)波段寬。其對(duì)Crab脈沖星的觀測(cè)數(shù)據(jù)至今仍被認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對(duì)于脈沖星導(dǎo)航與輪廓折疊算法的驗(yàn)證發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

1999年7月23日，美國(guó)宇航局的“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)將Chandra衛(wèi)星(如圖2)[14]送入地球軌道。該衛(wèi)星實(shí)為星載一體化結(jié)構(gòu)，配備了多層嵌套的Wolter-I掠入射X射線光學(xué)系統(tǒng)，角分辨率(0.5’’)至今仍未被突破，探測(cè)能段范圍為：0.08～10 keV，時(shí)間分辨率為16 μs。

圖2 Chandra X射線天文臺(tái)

1999年，歐洲ESA發(fā)射了多鏡面X射線觀測(cè)衛(wèi)星(X-ray Multiple Mirror，XMM-Newton)[15]，如圖3。采用多層嵌套的Wolter-I掠入射X射線光學(xué)系統(tǒng)和CCD的技術(shù)方案，有效面積為4 500 cm2@1 keV。

2000年，德國(guó)的X射線觀測(cè)衛(wèi)星Rontgen[16]完成了一次較為廣泛的X射線全天巡視，探測(cè)到18 806個(gè)亮源(>0.05 counts/s 0.1～2.4 keV)和105 924個(gè)暗源。

3) 脈沖星探測(cè)與導(dǎo)航理論完備階段(2000s—2010s)

進(jìn)入新的千年，隨著人類(lèi)在脈沖星探測(cè)領(lǐng)域獲得的大量在軌數(shù)據(jù)，以美國(guó)NASA和歐空局為典型代表的科研機(jī)構(gòu)對(duì)脈沖星導(dǎo)航可行性進(jìn)行論證，進(jìn)一步豐富和完善了脈沖星導(dǎo)航理論，朝著工程化的方向邁進(jìn)。

2003年，Sheikh[17]在深入分析研究脈沖星的基本物理特征和現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)體制的基礎(chǔ)上，初步論證了基于X射線脈沖星的航天器自主高精度軌道確定的可行性，從而掀起了X射線脈沖星導(dǎo)航研究的熱潮，美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家紛紛制定相關(guān)研究計(jì)劃，開(kāi)展理論方法研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、原理樣機(jī)研制和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證等方面的工作。

圖3 X射線空間望遠(yuǎn)鏡XMM-Newton

2004年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了“基于X射線源的自主導(dǎo)航定位(XNAV)”研究計(jì)劃，使X射線脈沖星導(dǎo)航成為導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[18]。XNAV計(jì)劃包括X射線脈沖星性質(zhì)研究、X射線探測(cè)器開(kāi)發(fā)、脈沖星導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)以及空間系統(tǒng)研制，目的是為導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和其他航天器提供高可靠性的定位、測(cè)姿和授時(shí)服務(wù)。

2004年，歐空局啟動(dòng)了“ESA深空探測(cè)器脈沖星導(dǎo)航”計(jì)劃，論證了基于脈沖星時(shí)間信息的深空導(dǎo)航的可行性，并開(kāi)展了脈沖星導(dǎo)航理論方法和仿真驗(yàn)證研究工作[19]。

俄羅斯科學(xué)院宇宙空間研究所于2009年3月在其網(wǎng)站上發(fā)表了“俄羅斯不易打擊的GPS”報(bào)道，宣稱(chēng)已在國(guó)際天體物理學(xué)天文臺(tái)和國(guó)際γ射線天體物理實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行了脈沖星觀測(cè)試驗(yàn)，并取得了良好效果，將借助宇航員在國(guó)際空間站上開(kāi)展X射線脈沖星導(dǎo)航在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。

4) 脈沖星探測(cè)與導(dǎo)航在軌驗(yàn)證階段(2010s—未來(lái))

2011年，NASA的戈達(dá)德航天中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)以XNAV項(xiàng)目為基礎(chǔ)，聯(lián)合美國(guó)大學(xué)空間研究聯(lián)合會(huì)，啟動(dòng)了“空間站X射線計(jì)時(shí)陣與導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)”(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, SEX-TANT)項(xiàng)目[20]，如圖4。根據(jù)NASA官網(wǎng)報(bào)導(dǎo)，該型號(hào)將搭載SpaceX-11龍飛船于2017年6月初擇機(jī)發(fā)射。該望遠(yuǎn)鏡采用了掠入射聚焦型X射線光學(xué)系統(tǒng)和硅漂移室探測(cè)器的技術(shù)方案，有效探測(cè)面積為1 800 cm2，時(shí)間分辨率為200 ns的探測(cè)陣列，搭載國(guó)際空間站在軌驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航、授時(shí)與通信等試驗(yàn)項(xiàng)目。

2012年，美國(guó)發(fā)射了“核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列”NuSTAR衛(wèi)星[21]，如圖5。探測(cè)能段為3-79keV，采用10米焦距的掠入射光學(xué)系統(tǒng)(Wolter-I)和CdZn探測(cè)器觀測(cè)宇宙爆發(fā)的高能X射線。

2012年美國(guó)發(fā)射了一種基于龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)的寬視場(chǎng)X射線成像儀[22]，可探測(cè)地球、月球、金星和彗星上的太陽(yáng)風(fēng)遇到中性氣體時(shí)所產(chǎn)生的軟X射線輻射，也可用于觀測(cè)X射線暫現(xiàn)源。

圖4 美國(guó)SEX-TANT計(jì)劃空間站搭載

圖5 美國(guó)NuSTAR望遠(yuǎn)鏡

2015年，印度發(fā)射了該國(guó)歷史上第一顆多波段天文觀測(cè)衛(wèi)星Astrosat[23]，如圖6。采用CZT成像儀對(duì)Crab脈沖星成像，軟X射線成像儀采用Wolter-I+CCD的方案對(duì)微弱脈沖星觀測(cè)，成功獲取圖像。

圖6 印度Astrasat科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星

2016年2月，日本與美國(guó)經(jīng)過(guò)近十年的聯(lián)合攻關(guān)，研制并發(fā)射了Astro-H大型空間科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，Astro-H是迄今為止最大的X射線探測(cè)衛(wèi)星，如圖7。遺憾的是由于其在軌故障[24]，在軌運(yùn)行數(shù)日之后解體，該型號(hào)的在軌失利是國(guó)際天文界和航天界的重大損失。

圖7 美-日聯(lián)合研制的Astro-H望遠(yuǎn)鏡

目前計(jì)劃2020年前發(fā)射的型號(hào)還包括：歐空局與日本正在研制的水星探測(cè)計(jì)劃[25]——BepiColombo，搭載了基于微孔聚焦光學(xué)系統(tǒng)的X射線探測(cè)器，探測(cè)能段0.5～7.5keV，預(yù)計(jì)2018年10月發(fā)射。

圖8 歐空局與日本BepiColombo計(jì)劃

上述國(guó)外空間X射線脈沖星探測(cè)任務(wù)為人類(lèi)認(rèn)知脈沖星做出了巨大貢獻(xiàn)。我國(guó)X射線探測(cè)計(jì)劃起步較晚，1994年，中科院高能物理研究所設(shè)計(jì)一顆名為“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”的衛(wèi)星(HXMT)，如圖9，計(jì)劃2017年發(fā)射。隨后，神舟二號(hào)飛船、FY-1C/1D、FY2等衛(wèi)星搭載了X射線探測(cè)器、空間X射線環(huán)境監(jiān)測(cè)器[26,27]。我國(guó)衛(wèi)星搭載的空間X射線探測(cè)器主要是用于空間環(huán)境監(jiān)測(cè)。對(duì)X射線脈沖星探測(cè)的研究偏重于脈沖星導(dǎo)航算法理論研究，采用的數(shù)據(jù)主要來(lái)自國(guó)外已公開(kāi)的數(shù)據(jù)。

圖9 中國(guó)硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡HXMT

2016年11月10日，我國(guó)發(fā)射了世界首顆脈沖星導(dǎo)航專(zhuān)用試驗(yàn)衛(wèi)星[28](XPNAV-1)，該星由中國(guó)空間技術(shù)研究院研制，主要任務(wù)是開(kāi)展X射線脈沖星在軌觀測(cè)，驗(yàn)證X射線脈沖星導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)，如圖10、圖11所示。

XPNAV-1的主載荷為北京控制工程研究所研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)掠入射聚焦型X射線脈沖星探測(cè)器，采用多層嵌套的掠入射Wolter-I光學(xué)系統(tǒng)和硅漂移探測(cè)器的技術(shù)方案，探測(cè)能譜為0.5～10 keV，光學(xué)視場(chǎng)為15角分，時(shí)間分辨率優(yōu)于1.5 μs，能量分辨率優(yōu)于180 eV@5.9 keV，空間本底抑制效率優(yōu)于90%。該衛(wèi)星搭載的另一載荷為山東航天電子技術(shù)研究所研制的微通道板探測(cè)器。

圖10 中國(guó)脈沖星導(dǎo)航專(zhuān)用試驗(yàn)衛(wèi)星XPNAV-1

圖11 脈沖星導(dǎo)航專(zhuān)用試驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射[29]

目前，該衛(wèi)星采用掠入射聚焦型X射線脈沖星探測(cè)器完成了對(duì)Crab脈沖星(PSR B0531+21)的觀測(cè)，并獲得大量一手在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)，已在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)官網(wǎng)發(fā)布[30]。經(jīng)初步分析，觀測(cè)到的PSR B0531+21脈沖星輻射特性(光子流量、能譜、時(shí)間間隔、脈沖周期)與國(guó)際公認(rèn)結(jié)果相符，且恢復(fù)的Crab脈沖星輪廓與國(guó)際公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)輪廓高度一致，如圖12。迄今為止，該衛(wèi)星圓滿完成既定任務(wù)，并取得多項(xiàng)重大突破：(1)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次基于掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器“看得見(jiàn)”脈沖星的目標(biāo)；(2)首次驗(yàn)證了脈沖星導(dǎo)航體制的可行性；(3)驗(yàn)證了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器技術(shù)方案的可行性及在軌性能指標(biāo)。目前，該型號(hào)已引起美國(guó)等世界航天強(qiáng)國(guó)的極大關(guān)注，NASA為XPNAV-1衛(wèi)星建立了官網(wǎng)[31]，并納入型號(hào)與數(shù)據(jù)管理體系。

圖12 PSR B0531+21(Crab)脈沖星輪廓恢復(fù)

2 X射線脈沖星探測(cè)需求分析

X射線脈沖星導(dǎo)航基本原理示意圖如圖13，利用航天器搭載的X射線探測(cè)設(shè)備和高精度時(shí)鐘觀測(cè)脈沖星X光子并記錄其到達(dá)航天器的時(shí)刻，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的積分獲得大樣本觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于時(shí)間轉(zhuǎn)換方程將光子到達(dá)時(shí)刻轉(zhuǎn)換到太陽(yáng)系質(zhì)心慣性系中，采用周期搜索和脈沖歷元折疊等算法處理提取脈沖輪廓，然后將觀測(cè)脈沖輪廓與標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓進(jìn)行比對(duì)，獲得兩個(gè)脈沖輪廓的相位差，該相位差反映了觀測(cè)的和預(yù)報(bào)的脈沖信號(hào)到達(dá)SSB的時(shí)間差，而脈沖到達(dá)時(shí)間差正比于航天器的位置誤差在脈沖星視線矢量上的投影。融合不同觀測(cè)時(shí)段多顆脈沖星的測(cè)量信息，結(jié)合航天器軌道動(dòng)力學(xué)模型，采用卡爾曼濾波算法，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代運(yùn)算估計(jì)可獲得航天器的位置信息，實(shí)現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航[5]。

圖13 脈沖星導(dǎo)航原理示意圖

由于觀測(cè)對(duì)象(脈沖星)輻射的特殊性(流量微弱)、導(dǎo)航精度和空間環(huán)境等因素相關(guān)，因此對(duì)脈沖星探測(cè)器具有較高的要求。X射線脈沖星導(dǎo)航是基于脈沖到達(dá)時(shí)間差觀測(cè)量進(jìn)行的，提高脈沖到達(dá)時(shí)間差觀測(cè)量的精度是提升脈沖星導(dǎo)航精度的關(guān)鍵。TOA的測(cè)量精度取決于Δt的測(cè)量精度，這與測(cè)量積分脈沖輪廓的信噪比有關(guān)。TOA精度與脈沖輪廓信噪比(SNR)和脈沖寬度W之間關(guān)系為[32-33]：

(1)

由式(1)可知，在選擇脈沖星源時(shí)，應(yīng)該選擇X射線輻射流量大、脈寬窄的脈沖星。同時(shí)，脈沖輪廓的信噪比與探測(cè)器有效面積和觀測(cè)積分時(shí)間等因素有關(guān)。

實(shí)際上，(1)脈沖星輻射流量比較微弱，一般在10-3～10-4counts/cm2/s量級(jí)以下。如果要求獲得高信噪比的脈沖輪廓，這就要求探測(cè)器具有較高的探測(cè)效率。(2)X射線脈沖星輻射能譜服從冪律譜分布，且各脈沖星輻射能譜不同且能量集中在軟X 射線能段。此外，空間環(huán)境存在大量不同能量的X光子，也可進(jìn)入探測(cè)器視場(chǎng)，但其不具有統(tǒng)計(jì)特征，可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間累加和能量區(qū)分進(jìn)行甄別。因此，研制的X射線脈沖星探測(cè)終端設(shè)備應(yīng)具有較高的能量分辨率。(3)隨著深空探測(cè)的發(fā)展，X射線脈沖星探測(cè)終端設(shè)備所處的空間環(huán)境極為復(fù)雜，存在背景輻射來(lái)源多、高能粒子損傷累積效應(yīng)、脈沖星與星云往往同時(shí)存在等顯著特征，為保證其能夠適應(yīng)強(qiáng)輻射環(huán)境，并有效抑制空間本底噪聲，要求探測(cè)終端設(shè)備具有較快時(shí)間響應(yīng)及較強(qiáng)的空間本底抑制能力。(4)航天器微型化與低成本化是航天器的發(fā)展方向，因此如何實(shí)現(xiàn)X射線脈沖星探測(cè)終端設(shè)備的輕質(zhì)化、低功耗和高可靠性也是必須考慮的因素。

3 X射線探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)狀

X光子收集技術(shù)、X光電轉(zhuǎn)換與微弱信號(hào)處理技術(shù)和空間本底抑制技術(shù)是研制高效率X射線脈沖星探測(cè)終端設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，各關(guān)鍵技術(shù)的功能及其相互間的關(guān)系框圖如圖14。

圖14 關(guān)鍵技術(shù)與功能關(guān)系框圖

3.1 X光子收集技術(shù)

高效率的X光子收集是X射線脈沖星導(dǎo)航的前提?？蓪⑵浞譃榫劢剐秃头蔷劢剐蛢纱箢?lèi)，其中非聚焦型X光子收集器主要包括準(zhǔn)直型探測(cè)器；聚焦型X光子收集器(包括掠入射Wolter-I和微孔聚焦光學(xué)系統(tǒng)(Micro Pore Optics, MPO)。

3.1.1 準(zhǔn)直型探測(cè)器

目前采用準(zhǔn)直型探測(cè)器[34-35]的航天型號(hào)包括：RXTE、ROSAT、Suzaku、HXMT、XPNAV-1、Astrosat等。該類(lèi)探測(cè)器的核心是前端的準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器單體為有準(zhǔn)直柵格的圓筒結(jié)構(gòu)，其物理功能是讓特定方向的X射線通過(guò)，吸收衰減其他方向的X射線，能夠滿足對(duì)高能X射線屏蔽要求的材料有鉛、鎢、鉭等。不同波長(zhǎng)的光輻射通過(guò)機(jī)械準(zhǔn)直器時(shí)，其透過(guò)率隨波長(zhǎng)的增大而減小。正是采用準(zhǔn)直器屏蔽空間本底輻射，視場(chǎng)一般為度(°)量級(jí)，準(zhǔn)直效果直接影響探測(cè)器本底噪聲。工作機(jī)理是：利用通道內(nèi)表層在一定能量的電子(光子、離子或帶荷粒子)碰撞下可產(chǎn)生二次電子的特性，二次電子在電場(chǎng)的作用下沿通道加速前進(jìn)，經(jīng)過(guò)重復(fù)多次的碰撞和電子倍增過(guò)程，最后在高電勢(shì)輸出端面有大量的電子輸出產(chǎn)生，這個(gè)過(guò)程被形象比喻為“電子雪崩”。此外，該類(lèi)探測(cè)器不具備聚光功能和能量分辨率。

3.1.2 Wolter掠入射聚焦型光學(xué)系統(tǒng)

1952年，德國(guó)物理學(xué)家Hans Wolter提出了滿足阿貝正弦條件的掠入射聚焦新X射線光學(xué)系統(tǒng)，包括Wolter-I、Wolter-II和Wolter-III三種類(lèi)型，各有優(yōu)缺點(diǎn)[14]。其中Wolter-I以易于工程實(shí)現(xiàn)獲得廣泛應(yīng)用。 Wolter-I型X射線光學(xué)系統(tǒng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面和一個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面組成的同軸共焦系統(tǒng)，基于X射線全反射理論，X光子以小的掠入射角入射到超光滑鏡片的內(nèi)表面，通過(guò)兩次反射后將X光子聚焦在焦點(diǎn)處。從而克服了單個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)非球面反射鏡因不滿足阿貝正弦條件而引起軸外成像存在嚴(yán)重慧差的缺陷，可以獲得較高的成像分辨率。

自1978年11月美國(guó)發(fā)射“愛(ài)因斯坦”衛(wèi)星(首次采用大型掠入射Wolter望遠(yuǎn)鏡)以來(lái)，掠入射聚焦光學(xué)系統(tǒng)[36]逐漸成為空間X射線觀測(cè)衛(wèi)星的理想選擇。美國(guó)NASA的NICER載荷為了提高光學(xué)系統(tǒng)的反射效率，采用了單次反射的近似Wolter掠入射聚焦型光學(xué)系統(tǒng)，如圖15。在工程研制中，為了提高探測(cè)效率，通常采用多層嵌套技術(shù)提高單個(gè)鏡頭的有效集光面積以及將多個(gè)嵌套的X射線光學(xué)鏡頭進(jìn)行陣列，提高產(chǎn)品的整體有效探測(cè)面積。典型的應(yīng)用包括美國(guó)Chandra望遠(yuǎn)鏡、NuSTAR望遠(yuǎn)鏡、歐洲ESA的XMM-Newton望遠(yuǎn)鏡、印度的AstroSAT、我國(guó)的XPNAV-1聚焦型Wolter-I光學(xué)系統(tǒng)等。目前增大有效探測(cè)面積的主要方法包括單個(gè)鏡頭多層嵌套技術(shù)和多鏡頭陣列技術(shù)[37]，發(fā)展趨勢(shì)包括美國(guó)NASA的采用商業(yè)化的玻璃復(fù)制法[21]和單晶硅MEMS技術(shù)[38]兩條技術(shù)路線，歐空局目前在發(fā)展Silicon Pore Optics 掠入射光學(xué)系統(tǒng)[39]的技術(shù)路線。

圖15 NICER Wolter-I掠入射聚焦型光學(xué)系統(tǒng)

3.1.3 微孔聚焦光學(xué)系統(tǒng)

Wolter-I掠入射聚焦型光學(xué)系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的玻璃研磨或電鍍鎳等工藝路線，存在重量大，焦距長(zhǎng)等問(wèn)題，不容易滿足X射線脈沖星導(dǎo)航設(shè)備的輕小型化要求。國(guó)外針對(duì)航天任務(wù)對(duì)X射線聚焦鏡頭輕質(zhì)化的需求，很多研究機(jī)構(gòu)嘗試多種新的工藝方法。比如，龍蝦眼聚焦光學(xué)系統(tǒng)就是借鑒商用微通道板的制備方法和仿生技術(shù)而研制了新型微孔聚焦光學(xué)系統(tǒng)[40]。主要由若干正方形截面柱體陣列構(gòu)成，如圖16。X 射線入射到MPO 孔壁時(shí)，如果入射角小于臨界全反射角，則入射光線在方孔側(cè)壁上發(fā)生全反射，聚焦在焦面上；如果入射角大于全反射臨界角，則光線被孔壁吸收，不參與成像。目前國(guó)外設(shè)計(jì)與研制龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)的單位主要有英國(guó)University of Leicester大學(xué)、法國(guó)Photonis公司、捷克布拉格理工大學(xué)和北方夜視技術(shù)股份有限公司南京分公司等。

圖16 微孔聚焦光學(xué)系統(tǒng)

3.2 X光電轉(zhuǎn)換與微弱信號(hào)處理技術(shù)

X光電轉(zhuǎn)換與微弱信號(hào)處理技術(shù)是X射線脈沖星探測(cè)的關(guān)鍵，如何根據(jù)X光子與物質(zhì)的作用機(jī)理選取適合脈沖星導(dǎo)航的X光子探測(cè)器件直接影響導(dǎo)航精度。同時(shí)，與其匹配的微弱信號(hào)濾波成形、放大、幅值甄別、能量與時(shí)間信息提取等電子學(xué)特征直接影響系統(tǒng)信噪比。

3.2.1 X射線探測(cè)器件

X光電轉(zhuǎn)換是通過(guò)X射線探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的，其原理是通過(guò)X射線與物質(zhì)的相互作用，利用電離激發(fā)或光電效應(yīng)等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，供后端電子學(xué)處理。空間X射線探測(cè)器[5]，最開(kāi)始為蓋革計(jì)數(shù)器、氣體正比計(jì)數(shù)器、微通道板探測(cè)器，后來(lái)發(fā)展到閃爍體探測(cè)器(RXTE/HXTE、Fermi/GBM)、CCD、半導(dǎo)體探測(cè)器(Si-PIN、SDD等，SUZAKU/XIS、XMM、Chandra)。遴選X射線探測(cè)器需考慮的指標(biāo)包括：能量-電荷轉(zhuǎn)化效率、時(shí)間分辨率、能量分辨率、線性和穩(wěn)定性、探測(cè)器制冷水平與工作溫度、密封窗口及透過(guò)率等。常用X射線探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)與特點(diǎn)如表1所示。隨著工藝和技術(shù)的進(jìn)步，X射線探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)是：高量子效率、高時(shí)間分辨率、高能量分辨率、低電壓、低功耗、高可靠性。半導(dǎo)體探測(cè)器將是空間X射線探測(cè)技術(shù)的發(fā)展主流。此外，目前還出現(xiàn)了石墨烯X射線探測(cè)器等新產(chǎn)品。

表1 常用X射線探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)與特點(diǎn)[41]

3.2.2 微弱信號(hào)處理技術(shù)

在脈沖星探測(cè)中，X射線探測(cè)器輸出脈沖幅度大概只有數(shù)十mV，脈沖寬度僅為納秒量級(jí)，如何較好地提取和處理微弱信號(hào)是提高X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡品質(zhì)的關(guān)鍵[42]。應(yīng)采用低噪聲放大器放大。由于X射線光子到達(dá)時(shí)間是隨機(jī)的，而經(jīng)過(guò)放大之后的脈沖信號(hào)下降速度很慢，在脈沖計(jì)數(shù)率很高情況下，極有可能出現(xiàn)脈沖堆積，應(yīng)采用成形放大器加快脈沖下降沿衰減，同時(shí)提高信噪比。通過(guò)采用低噪聲的脈沖信號(hào)放大器和快速成形放大器，提高脈沖的信噪比，同時(shí)提高對(duì)X射線光子的計(jì)數(shù)率。

3.3 空間本底抑制技術(shù)

X射線波段與其他波段的光子信號(hào)探測(cè)不同，在X射線脈沖星探測(cè)中，存在空間輻射背景噪聲、儀器設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理等大量的噪聲源，而可用的脈沖星信號(hào)恰恰又比較微弱，此消彼長(zhǎng)，探測(cè)難度倍增。因此，空間本底抑制技術(shù)是提高X射線脈沖星探測(cè)信噪比的關(guān)鍵技術(shù)。

按照航天器所處的區(qū)域劃分，空間背景噪聲可分為非輻射帶區(qū)域和輻射帶區(qū)域[43]。其中，非輻射帶區(qū)域本底噪聲主要包括原初宇宙線中的彌散光子、質(zhì)子、電子；地磁場(chǎng)束縛的質(zhì)子、電子；宇宙線與大氣作用產(chǎn)生的次級(jí)質(zhì)子、次級(jí)電子；輻射帶區(qū)域的本底噪聲主要包括質(zhì)子和電子。具體來(lái)源：宇宙彌散X 射線本底、原初宇宙線粒子本底、低能荷電粒子本底、大氣反照X射線本底、活化本底等。

目前，空間本底抑制技術(shù)有被動(dòng)和主動(dòng)屏蔽兩種[32,44]，主要包括：準(zhǔn)直器、電磁偏轉(zhuǎn)、反符合、波形鑒別法和多層金屬屏蔽等。被動(dòng)屏蔽主要是指利用鉛、鉭等對(duì)X 射線質(zhì)量吸收系數(shù)較大的材料形成準(zhǔn)直器，以阻擋視場(chǎng)之外的粒子以及非源方向X射線光子的入射，降低本底產(chǎn)生。在研制過(guò)程中需注意被動(dòng)屏蔽材料與高能宇宙線發(fā)生的二次激發(fā)造成的本底問(wèn)題。主動(dòng)屏蔽包括：(1)反符合法：利用多種探測(cè)器共同記錄高能粒子的入射，采用反符合法在觀測(cè)數(shù)據(jù)中將高能粒子去除，應(yīng)用塑料閃爍體探測(cè)器可對(duì)荷電粒子高效率探測(cè)。(2)電磁偏轉(zhuǎn)法：采用電磁場(chǎng)對(duì)進(jìn)入作用范圍內(nèi)的質(zhì)子與電子作用，將其運(yùn)動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)，避免直接擊中探測(cè)器造成本底噪聲增大，甚至損傷。(3)波形鑒別法：根據(jù)宇宙射線與X射線信號(hào)波形的差異性，采用電路波形鑒別法抑制空間輻射本底，該法適用于低能X射線(≤30 keV)。

4 我國(guó)X射線脈沖星探測(cè)的發(fā)展方向

目前，X射線脈沖星探測(cè)已在脈沖星導(dǎo)航、X射線通信、脈沖星授時(shí)等領(lǐng)域凸顯出發(fā)展?jié)摿?，并逐步向工程化方向發(fā)展，未來(lái)發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

1) 研制大面陣高效率的X光子收集器。目前，電鍍鎳和玻璃復(fù)制仍為美國(guó)和歐空局的主流方法。我國(guó)應(yīng)著眼已有研制技術(shù)，吃透現(xiàn)有方法的制備工藝、加工和裝調(diào)等技術(shù)，研制高水平的X光子收集器。此外，還應(yīng)著眼未來(lái)，采用硅基等新材料、MEMS技術(shù)、復(fù)制技術(shù)等研制超大面積、輕質(zhì)化和高效率的X光子收集器。

2) 發(fā)展高效率低噪聲的探測(cè)器件和電子學(xué)技術(shù)。我國(guó)除了在遴選性能優(yōu)良的電子器件之外，應(yīng)著重加強(qiáng)X單光子探測(cè)器件的新材料優(yōu)選、制冷技術(shù)、鍍膜技術(shù)和真空封裝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在提高光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，提高對(duì)寬能段X射線的響應(yīng)率。研制具有高時(shí)間分辨率、高能量分辨率和低暗電流的探測(cè)器件。電子學(xué)技術(shù)研究的重點(diǎn)包括研制高信噪比的電子學(xué)系統(tǒng)，提高時(shí)間和能量標(biāo)記精度，大力發(fā)展微系統(tǒng)(SoC)集成技術(shù)等。

3) 通過(guò)提高空間輻射本底的抑制效率提高脈沖星探測(cè)終端的信噪比和靈敏度。X射線脈沖星探測(cè)空間環(huán)境極為復(fù)雜，而探測(cè)目標(biāo)(脈沖星)輻射信號(hào)微弱，這給脈沖星探測(cè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。為此，我國(guó)應(yīng)深入開(kāi)展空間輻射環(huán)境研究，構(gòu)建脈沖星探測(cè)終端所在軌道的精確輻射模型。綜合開(kāi)展X射線光學(xué)系統(tǒng)雜散光屏蔽、空間高能粒子偏轉(zhuǎn)、輻射本底反符合、多層復(fù)合材料吸收、太陽(yáng)輻照抑制等研究，進(jìn)一步提高脈沖星探測(cè)終端的信噪比和靈敏度。

此外，在獲得脈沖星探測(cè)數(shù)據(jù)之后，開(kāi)展高效精確的在軌數(shù)據(jù)處理也是我國(guó)應(yīng)該重點(diǎn)開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容，包括時(shí)間模型轉(zhuǎn)換精度分析、高精度的脈沖輪廓折疊算法、TOA精確提取技術(shù)、脈沖星導(dǎo)航和高信噪比濾波算法等。

5 結(jié)論

本文對(duì)X射線脈沖星導(dǎo)航的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析、歸納和總結(jié)，結(jié)合導(dǎo)航實(shí)際分析了當(dāng)前X射線脈沖星導(dǎo)航的需求。重點(diǎn)介紹了脈沖星導(dǎo)航X射線探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，如X光子收集技術(shù)、X光電轉(zhuǎn)換與微弱信號(hào)處理技術(shù)以及空間本底抑制技術(shù)等，提出了我國(guó)X射線脈沖星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展方向。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Overview of the Development of X-Ray Pulsar Navigation Detection Technology

LI Lian-sheng1， MEI Zhi-wu1， LYU Zheng-xin1， DENG Lou-lou1， LIU Ji-hong2， CHEN Jian-wu1， SHI Yong-qiang1， ZUO Fu-chang1

(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China； 2.School of Mechanical Engineering & Automation，Beihang University，Beijing 100191, China)

X ray pulsar navigation is a new navigation technology with potential for development, which has been listed as the key development field and research focus by the world’s aerospace power research institutions, such as the National Aeronautics and Space Administration, European Space Agency and Japan Aerospace Exploration Agency etc. The most accurate astronomical clock in nature (pulsar) is taken as the navigation beacon, which can greatly improve the survivability of spacecraft autonomous navigation in wartime. Therefore, the development status of X ray pulsar navigation technology was reviewed in this paper. The requirements of pulsar navigation for the detection terminal equipment were analyzed, and also the key technologies and the way to realize the pulsar navigation have been summarized. It provides reference for the rapid development of X-ray pulsar navigation in China.

X-ray detecting; pulsar navigation; focusing optical system; background suppression technique

2017-03-13；

2017-04-10 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51175019)

李連升(1981—)，男，本刊審稿專(zhuān)家，高級(jí)工程師，博士，主要從事脈沖星導(dǎo)航技術(shù)、航天器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

10.11809/scbgxb2017.05.001

format:LI Lian-sheng，MEI Zhi-wu，LYU Zheng-xin, et al.Overview of the Development of X-Ray Pulsar Navigation Detection Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):1-9.

V11;V57

A

2096-2304(2017)05-0001-09

本文引用格式：李連升，梅志武，呂政欣，等.X射線脈沖星導(dǎo)航探測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(5):1-9.