基於X射線的VLBI測量方法和系統以及地面驗證裝置與流程
2024-03-25 07:03:05
本發明涉及一種VLBI(甚長基線幹涉)測量方法以及系統，可適用於X射線脈衝星的高精度角位置測量研究，另外還涉及相應的地面驗證裝置。
背景技術：
要實現X射線脈衝星導航，必須首先確定將要用於導航的脈衝星自身的準確位置與坐標。即要首先確定脈衝源相對於探測器的角度位置。
目前對於脈衝星的角位置測量，主要以射電波段的VLBI(甚長基線幹涉)技術為主。VLBI方法就是利用相隔兩地的兩架望遠鏡接收同一天體所發出的電磁波，繼而對兩束波進行幹涉或者相關計算，其等效解析度最高可以等同於一架口徑相當於兩地之間距離的單口徑望遠鏡。利用此方法，當前對於目標星體的角位置測量精度為亞毫角秒量級。
利用此種方法所測得的目標源角位置的精度與探測頻率成正比，與探測直徑成反比。由於X射線的頻率是射電波段電磁波的1010倍，將VLBI技術應用於X射線波段，就可以在大大縮短基線距離的同時，極大地提高系統對於目標星體角位置的測量精度，可望達到1微角秒量級的角位置測量精度。同時，通過檢測在探測端所形成的X射線幹涉條紋，相關處理後可以對目標成像，也可將此技術用於空間成像領域。
但是，與射電波段和可見光相比，由於應用於X射線的光學元件研究進展非常緩慢，同時由於X射線頻率極高的特點，使得X射線的聚焦、變向、成像等方面的難度很大，使得射電波段的VLBI理論方法與器件不能直接延伸到X射線波段。
技術實現要素：
本發明提出了一種基於X射線的VLBI測量方法以及相應的系統(裝置)，在大大縮短基線距離的同時，可以實現對脈衝星角位置的精確測量。
本發明的技術方案如下：
基於X射線的VLBI測量方法，主要包括以下環節：
設置平行的兩路X射線單光子探測器，兩路X射線單光子探測器在光軸方向上的初始位置相差設定的位移，使得同一光源入射至兩路X射線單光子探測器存在設定的光程差；
採集每一路入射X射線的能量與到達時間信息，進而得到該路的X射線波動方程的頻率與相位信息；對其中一路X射線單光子探測器進行延遲補償，使兩路X射線單光子探測器輸出信號的時序完成初始對準(實際的對準設置只需要、也只可能達到粗對準)；
將初始對準後的兩路數據進行強度關聯計算，得出一個幅度隨著延遲時間變化的餘弦信號，即當延遲時間變化一個觀測波長時，強度關聯計算的輸出值變化一個周期；
根據所述強度關聯計算的輸出值，得出延遲時間和延遲率；通過延遲時間即推算得到脈衝星的角度位置，延遲率則表徵測得的角度位置的實際精度。
進一步的，可以多次調整兩路X射線單光子探測器的相對位置，測量以及計算得出相應的延遲時間和延遲率；根據延遲時間的平均值推算得到脈衝星的角度位置，延遲率的平均值表徵測得的角度位置的實際精度。
一種實現上述基於X射線的VLBI測量方法的測量系統，包括兩路平行設置的X射線單光子探測系統和用於對兩路測量信號進行強度關聯計算的自相關處理器，其中，每一路X射線單光子探測系統均包括依次設置的X射線聚焦光學模塊、X射線單光子探測器、時間補償電纜、前端電子學模塊以及數據處理模塊；這兩路X射線聚焦光學模塊以及X射線單光子探測器在光軸方向上的初始位置相差設定的位移，使得同一光源入射至兩路X射線單光子探測器存在設定的光程差，通過所述時間補償電纜的不同配置使得兩路X射線單光子探測器輸出信號的時序能夠完成初始對準。
進一步的，還可以設置原子鐘，統一為兩路前端電子學模塊以及數據處理模塊和自相關處理器提供穩定的頻標和時刻信息。
進一步的，還可以在不同的(探測器)相對位置條件下進行多次測量，則兩路X射線聚焦光學模塊以及X射線單光子探測器中在光軸方向上的相對位置應當能夠調製。具體的結構設計例如：其中一路X射線聚焦光學模塊以及X射線單光子探測器安裝於精密直線導軌上，以實現在光軸方向上相對位置的調製。
儘管脈衝星發出的X射線到達探測器端時是具有相干性的，但地面上無法直接測量接收X射線脈衝源發出的X射線信號，因此本發明還提出了以下基於X射線的VLBI地面驗證裝置，可在實驗室對上述方法進行驗證。
在兩路X射線聚焦光學模塊前端的入射光路上，依次設置有微焦斑脈衝星X射線源、光闌以及單晶矽反射鏡，所述微焦斑脈衝星X射線源發出的X射線通過光闌後，以布拉格角入射到單晶矽反射鏡表面，以單晶矽的截面作為反射面，出射的X射線方向與入射X射線以晶面法線對稱，形成具有空間相干能力的兩束X射線，分別進入兩路X射線聚焦光學模塊以及X射線單光子探測器。
另外，最好使微焦斑脈衝星X射線源、光闌、單晶矽反射鏡以及所述測量系統中的X射線聚焦光學模塊、X射線單光子探測器、精密直線導軌和時間補償電纜均位於真空系統內。
本發明具有以下有益效果：
本發明通過兩路X射線單光子探測器分別採集到相應的入射X射線的能量和到達時間信息，進而得到X射線波動方程的頻率與相位信息，就可以將VLBI的方法拓展到X射線波段，從而在大大縮短基線距離的同時，極大地提高系統對於目標星體角位置的測量精度。
本發明所提出的地面驗證裝置，可以直接在實驗室內對基於X射線探測的角位置測量方法進行驗證。通過微焦斑脈衝星X射線源與光路設計可以得到空間相干性良好的兩束X射線。通過精密直線導軌可以實現兩束X射線間光程差的任意調節。
本發明具有廣泛的應用，基於該方法還可實現觀測空間X射線源的坐標、角徑、輻射強度、頻譜和偏振等信息，同樣適用於空間輻射源的成像研究領域。通過更換系統中的探測器類型，可以利用成像探測器直接探測兩束X射線的幹涉條紋，從而將此方法與裝置應用到空間成像領域。具有極大的理論研究價值與發展前景，可望為X射線脈衝星導航提供脈衝星自身位置基準，同時為建立超高精度時空基準的戰略發展需求奠定堅實的基礎。
附圖說明
圖1是基於X射線的VLBI測量方法的原理圖。
圖2是X射線脈衝星角位置測量的整個地面驗證系統的示意圖。
附圖標號說明：
1‐微焦斑脈衝星X射線源；2‐光闌；3‐單晶矽反射鏡；4‐精密直線導軌；5‐X射線聚焦光學模塊；6‐(高時間分辨、高能量分辨)X射線單光子探測器；7‐高精度時間補償電纜；8‐前端電子學模塊；9‐數據處理模塊；10‐(進行強度關聯計算的)自相關處理器；11‐氫原子鐘；12‐超真空系統。
具體實施方式
如圖2所示，整個地面驗證系統包括微焦斑脈衝星X射線源1、光闌2、單晶矽反射鏡3、用於調製探測器相對位置的精密直線導軌4、X射線聚焦光學模塊5，對X射線進行接收的高時間分辨、高能量分辨X射線單光子探測器6、用於將數據流對準的高精度時間補償電纜7、對探測器輸出進行處理的前端電子學模塊8、數據處理模塊9，將兩路輸入信息進行強度關聯運算的自相關處理器10以及向數據採集及處理系統提供高穩定頻標和時刻信息的氫原子鐘11。
其中，位於前端的微焦斑脈衝星X射線源1、光闌2和單晶矽反射鏡3用於模擬空間環境，其他部分即為測量系統本身。具體說明如下：
微焦斑脈衝星X射線源1：用於產生空間相干性滿足要求的X射線，用以模擬X射線脈衝星所發出的X射線。
單晶矽反射鏡3：微焦斑X射線源產生的X射線通過兩處光闌後，以布拉格角入射到單晶矽表面，以單晶矽的截面作為反射面，出射的X射線方向與入射X射線以晶面法線對稱，從而改變了X射線的傳播方向，且形成了具有空間相干能力的兩束X射線。
X射線聚焦光學模塊5：對兩束X射線進行同相聚焦，在不改變入射X射線相位的條件下，將入射X射線聚焦到探測器端。
X射線單光子探測器6：具有高時間分辨與高能量分辨能力的單光子X射線探測器同時輸出到達光子的能量信息與時刻信息。分別對應於X射線波動方程的頻率與相位信息。
高精度時間補償電纜7：為了將回放的兩路數據流對準，必須對一路數據進行延遲補償。延遲補償值根據觀測目標源的赤經、赤緯和探測器坐標的初始值、觀測時刻等計算得到。
自相關處理器10：將經延遲和條紋旋轉後的數據流進行互相關運算相關處理，根據相關處理獲得的互相關數據，計算得到最佳的單通道和多通道延遲及延遲率觀測值。除相關處理機外，還有通用計算機用以相關後的數據處理，即利用相關處理機輸出的互相關數據，作進一步的數據處理。
氫原子鐘11：其主要功能是向VLBI系統的接收機和數據採集系統提供高穩定的頻標和時刻信息，氫原子鐘的秒信號時刻是通過使用GPS時刻信號進行對比而獲得的。
以下詳細描述本發明的工作原理：
微焦斑脈衝星X射線源1產生的X射線通過兩處光闌2後，以布拉格角入射到單晶矽反射鏡3表面，以單晶矽反射鏡3的截面作為反射面，出射的X射線方向與入射X射線以晶面法線對稱，從而改變了X射線的傳播方向，且形成了具有空間相干能力的兩束X射線。
兩束髮射光經過光路傳播後形成光程差，若X射線到達兩個探測器的時間分別為t1和t2，則其時間差為τg，稱為幾何延遲，有：
L＝Cτg (1)
D·cosθ＝C·τg (2)
式中，C為電磁波傳播速度，D是兩個X射線探測器間的距離(已知量)。τg是X射線光子由Q點運動到P2點的時間，即延遲時間值。如圖1所示，通過測算Q、P2兩點間，即兩個探測器之間的光子到達時間差值，根據式(2)即可得到發射源的角位置信息。
兩束反射光經由X射線聚焦光學模塊5同相聚焦後被兩路X射線單光子探測器6接收。具有高時間分辨與高能量分辨能力的X射線單光子探測器6對兩路輸入信號分別進行能量篩選，選取一定能量(波長)範圍內的「準單色」X射線，並對單個X射線光子的到達時間進行標記，提取出所測X射線的能量與到達時間信息，分別對應於X射線波動方程的頻率與相位，形成數據流輸出。
據觀測目標源與探測器坐標的初始值、觀測時刻值等參數計算得到一個延遲補償值，通過高精度時間補償電纜7，將兩路數據流進行初始對準。
將初始對準後的兩路數據流送入自相關處理器10中進行強度關聯計算。相關器是對兩路探測的信號進行相關處理，得到「幹涉條紋」。實際上自相關處理器10輸出的是一個幅度隨著延遲時間τg變化的餘弦信號，當延遲τg變化一個觀測波長λ時，其相關器輸出值變化一個周期，即把這種周期變化稱為「幹涉條紋」，該幹涉條紋只由延遲時間τg與延遲率Δτ決定。即通過多次測量，可以得到延遲時間與延遲率的值。其中，通過延遲時間可以推算得到脈衝星的角度位置，而延遲率決定了所測得角位置的實際精度。