中性原子成像儀地檢電子系統(tǒng)的研制

明晨曦，余慶龍，梁金寶，張煥新，荊 濤

（1.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190）

中性原子成像儀地檢電子系統(tǒng)的研制

明晨曦1，2，余慶龍1，梁金寶1，張煥新1，荊 濤1

（1.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190）

本文介紹了MIT衛(wèi)星計(jì)劃中性原子成像儀（NAIS-H）的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理，通過分析MIT衛(wèi)星NAIS-H的工作原理及測試需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于該成像儀的地面檢測，包括硬件電路系統(tǒng)及上位機(jī)軟件系統(tǒng)。本文分別從通訊、數(shù)據(jù)處理等方面，描述了地檢系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工作流程，并詳述了上位機(jī)系統(tǒng)中串口通訊、數(shù)據(jù)解包、圖像處理等各軟件模塊設(shè)計(jì)以及java代碼編寫。最后，對地檢系統(tǒng)進(jìn)行測試，得到的結(jié)果顯示該系統(tǒng)具有良好的性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

能量中性原子；地面檢測；Java通信；圖像算法

MIT計(jì)劃是我國首個磁層、電離層和熱層耦合星座探測計(jì)劃，主要目標(biāo)是對近地磁層中MIT耦合關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行探測，揭示太陽活動影響地球空間環(huán)境的機(jī)制和規(guī)律。在衛(wèi)星探測環(huán)境中，環(huán)電流區(qū)域由能量帶電粒子在徑向范圍2到7個地球半徑內(nèi)繞地球漂移而形成，是磁層中最重要的中性原子源區(qū)之一［1］。環(huán)電流區(qū)內(nèi)的能量中性粒子在產(chǎn)生后，由于其電中性的特性，運(yùn)動方向不受磁場影響，在空間中傳播收到擾動很?。?］。因此，可以采用遙感技術(shù)對環(huán)電流源區(qū)進(jìn)行高時空分辨率遙感成像觀測，從而反演得到源區(qū)帶電粒子分布及其在磁暴期間的時空演化規(guī)律［3-7］。

空間中心目前正在研制的高能中性原子成像儀（NAISH）是先導(dǎo)專項(xiàng)MIT衛(wèi)星計(jì)劃中最重要的載荷之一。NAIS-H采用高壓偏轉(zhuǎn)加準(zhǔn)直調(diào)制技術(shù)，通過30個方向探頭，將180°空間分成30個等分視場，利用衛(wèi)星的自旋，可實(shí)現(xiàn)空間4π立體角全覆蓋成像。NAIS-H具有在不同磁層環(huán)境下探測高時空分辨環(huán)電流區(qū)的中性原子 （其能量分布在40～300 KeV）圖像的能力。探測器的組成包括準(zhǔn)直器、高壓偏轉(zhuǎn)板和硅半導(dǎo)體探測器。在儀器對中性原子聚集區(qū)域進(jìn)行探測時，中性原子粒子入射到探測器中，打在探測器內(nèi)的傳感器上，產(chǎn)生電信號。電信號通過電子學(xué)處理及采集，在數(shù)據(jù)處理單元（DPU）中形成圖象并下行到衛(wèi)星平臺［8］。本文基于MIT計(jì)劃中高能中性原子成像儀（NAIS-H），設(shè)計(jì)了其地面檢測系統(tǒng)電路，以及上位機(jī)軟件系統(tǒng)，并對NAIS-H進(jìn)行了測試，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 NAIS-H系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示是NAIS-H儀器外觀，如圖2所示為NAIS-H系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。整個NAIS-H系統(tǒng)是MIT衛(wèi)星上的載荷，系統(tǒng)由衛(wèi)星平臺進(jìn)行統(tǒng)一供電。在NAIS-H系統(tǒng)前端，有30個中性原子探頭，將空間視角分成30個等分視場，通過衛(wèi)星的自旋，實(shí)現(xiàn)全面觀測空間4π立體角。中性原子通過高壓偏轉(zhuǎn)板進(jìn)入探測器內(nèi)，打在傳感器上。傳感器接收到中性原子探測信號后，通過前向放大器、主放大器、尖峰保持系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號處理模塊后，數(shù)據(jù)被傳送至以FPGA為核心的數(shù)據(jù)處理中心。

數(shù)據(jù)處理中心的主要任務(wù)是處理傳感器探頭探測到的數(shù)據(jù)，以及與衛(wèi)星總體之間的數(shù)據(jù)通訊。在接收到傳感器上的探測數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理中心會將數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包，經(jīng)由RS422總線發(fā)送至衛(wèi)星平臺。另外，F(xiàn)PGA的工作狀態(tài)還受到衛(wèi)星平臺發(fā)送的太陽脈沖信號的控制，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地影區(qū)時，衛(wèi)星平臺無法向NAIS-H發(fā)送太陽脈沖，這時則需要NAIS-H自行產(chǎn)生太陽脈沖信號控制自身的工作。

圖1 中性原子成像儀外觀Fig.1 Appearance of NAIS-H

圖2 中性原子成像儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of NAIS-H system

由于NAIS-H在研制及測試過程中不具備與衛(wèi)星平臺聯(lián)調(diào)條件，因此需要根據(jù)NAIS-H的研制一套地檢設(shè)備。本文即描述了針對NAIS-H的地檢系統(tǒng)設(shè)備與軟件的研制方案與測試結(jié)果。

2 地檢系統(tǒng)功能需求

2.1 地檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地檢系統(tǒng)的主要目的是模擬NAIS-H系統(tǒng)在太空正常工作時，衛(wèi)星平臺與NAIS-H的交互與數(shù)據(jù)處理。根據(jù)圖2中對NAIS-H工作原理的描述，我們對地檢系統(tǒng)設(shè)定了3個主要功能需求：1）電源配電功能，2）數(shù)據(jù)通訊功能，3）模擬太陽脈沖。根據(jù)這3大功能需求，我們對地檢系統(tǒng)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。NAIS-H地檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，地檢系統(tǒng)中的配電模塊，通過數(shù)控開關(guān)，向NAIS-H的各模塊提供28 V的一次電源；科學(xué)數(shù)據(jù)模塊通過RS422總線與NAIS-H相連，用于對NAIS-H探頭所采集到的數(shù)據(jù)包與相應(yīng)的查詢指令進(jìn)行統(tǒng)一的收發(fā)、轉(zhuǎn)存；太陽脈沖模塊則向NAIS-H提供模擬的6 s一周期的脈沖信號，并且模擬衛(wèi)星進(jìn)入地影區(qū)時，中斷發(fā)送太陽脈沖的行為。

上位機(jī)軟件模塊負(fù)責(zé)接收、顯示分析與存儲NAIS-H發(fā)送而來的探測數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過RS422總線轉(zhuǎn)USB接口與科學(xué)數(shù)據(jù)模塊相連，實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通訊。上位機(jī)的串口通訊模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制信號的發(fā)送、數(shù)據(jù)包的接收；數(shù)據(jù)解包模塊負(fù)責(zé)解析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在緩存中；存儲顯示模塊負(fù)責(zé)對緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖顯示與本地存儲，并且可隨時讀取本地?cái)?shù)據(jù)并作圖顯示。

圖3 中性原子成像儀地檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the ground test equipment for NAIS-H

2.2 軟件需求分析

本項(xiàng)目中的上位機(jī)軟件的主要任務(wù)是接收來自NAIS-H的探測數(shù)據(jù)以及工程參數(shù)，并對接收到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時分析、作圖顯示、同步存儲、讀取等基本功能。所以，軟件系統(tǒng)必須以NAIS-H的科學(xué)數(shù)據(jù)接口，即數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)以及通訊協(xié)議為前提，為中性原子探測所需功能提供相應(yīng)支持。經(jīng)過分析，對于NAIS-H所探測到的數(shù)據(jù)，該上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要需具備以下幾個功能：

1）串口通訊，以波特率115 200的速率接收NAIS-H發(fā)送來的數(shù)據(jù)包；

2）數(shù)據(jù)解包，提取出工程參數(shù)，以及8個能道、30個探頭所探測到的數(shù)據(jù)；

3）實(shí)時顯示工程參數(shù)，并將探測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB圖像，精確顯示在界面中，并實(shí)現(xiàn)在圖像界面中快速查看數(shù)據(jù)值；

4）將接收到的數(shù)據(jù)以txt文件存儲在目標(biāo)文件夾中，以及從計(jì)算機(jī)中導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件作圖顯示。

根據(jù)對軟件功能的需求分析，上位機(jī)將程序設(shè)計(jì)分為API通訊模塊、數(shù)據(jù)解包模塊、顯示模塊、存儲模塊，如圖4所示。軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程如圖5所示，當(dāng)打開程序主界面，系統(tǒng)經(jīng)過初始化后，打開串口，上位機(jī)則向NAIS-H發(fā)送通訊指令，NAIS-H收到指令后則返回當(dāng)前探測數(shù)據(jù)包。當(dāng)上位機(jī)的串口檢測到有數(shù)據(jù)輸入時，軟件系統(tǒng)則檢驗(yàn)所接收到的數(shù)據(jù)是否是正確的數(shù)據(jù)包。若為正確數(shù)據(jù)包，則將數(shù)據(jù)包中的每一字節(jié)的數(shù)據(jù)存入緩存的對應(yīng)位置，并將原數(shù)據(jù)包存儲在目標(biāo)路徑下，最后進(jìn)行解包分析，以及作圖顯示等。

圖4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of the software test system

3 軟件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 串口通訊

該上位機(jī)軟件系統(tǒng)中采用java API技術(shù)，經(jīng)由RS422轉(zhuǎn)USB接口，將NAIS-H所采集的數(shù)據(jù)包暫存于上位機(jī)緩存中。地檢系統(tǒng)中的硬件模塊通過RS422總線轉(zhuǎn)USB接口，使PC端對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取可直接通過USB模塊實(shí)現(xiàn)。接口芯片為CH341H，串口收發(fā)數(shù)據(jù)包定義：1位起始位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，波特率115200。以30775Byte/包的數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)。

圖5 軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.5 Flow chart the software design

上位機(jī)與NAIS-H設(shè)定了通訊協(xié)議，上位機(jī)向NAIS-H發(fā)送控制信號，NAIS-H收到信號后當(dāng)上位機(jī)則向上位機(jī)發(fā)送探測結(jié)果數(shù)據(jù)包。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，按照約定的格式及校驗(yàn)方式對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，若判斷為正確的數(shù)據(jù)包，則將其存入緩存中，等待數(shù)據(jù)解包等后續(xù)操作，否則進(jìn)行丟包處理。此外，在串口通訊中，程序通過調(diào)用不同功能函數(shù)，函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)了單次實(shí)時接收以及持續(xù)接收功能。

3.2 數(shù)據(jù)解包

上位機(jī)接收到正確的數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)存儲在緩存數(shù)組（buffer［］）中，原數(shù)據(jù)包直接完整地存儲至本地，數(shù)據(jù)解包的執(zhí)行對象為緩存中的數(shù)據(jù)。

發(fā)送的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)及內(nèi)容如表1所示。表1中的第一列是數(shù)據(jù)包中的主要結(jié)構(gòu)內(nèi)容，包括了包頭、工程參數(shù)、探測數(shù)據(jù)、包尾4個部分。其中，包頭與包尾用來識別及操作完整、正確的數(shù)據(jù)包；工程參數(shù)包括兩個部分——NAIS-H中16個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測值，以及30個探頭通道的傳感器噪聲；探測到的結(jié)果信息包括8個能道，對于每能道，30個探頭分別有128 Byte的探測數(shù)據(jù)，共3 840 Byte數(shù)據(jù)，每一個字節(jié)存儲一次探測數(shù)據(jù)，為NAIS-H所探測到的空間環(huán)境里中性原子通量，以8位無符號16進(jìn)制整型數(shù)表示，范圍為0～FF（255）。

3.3 界面顯示

根據(jù)顯示功能的需求，在界面設(shè)計(jì)上，主界面共有3個部分組成：1）工具欄，2）工程參數(shù)顯示，3）8個能道數(shù)據(jù)作圖。上位機(jī)主界面如圖6所示，其中工具欄在界面的最上方，其中分別有“打開串口”、“接收數(shù)據(jù)”、“讀取數(shù)據(jù)”等按鈕，圖中的小窗口即為數(shù)據(jù)包中的工程參數(shù)，以16進(jìn)制數(shù)據(jù)的字符串格式顯示。界面中央為NAIS-H探測結(jié)果顯示圖，在一個數(shù)據(jù)包內(nèi)，探測數(shù)據(jù)包括8個能道的數(shù)據(jù)，每能道包括30個探頭的數(shù)據(jù)，每個探頭包括衛(wèi)星自旋一周時掃描采樣的128個數(shù)據(jù)。顯示模塊以能道為單位，分別做出8幅數(shù)據(jù)圖，即每圖中有30*128=3 840個數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)均由比特?cái)?shù)值映射到RGB顏色值，最終以RGB圖顯示出來。除了直接以顏色顯示數(shù)據(jù)之外，主界面上還實(shí)現(xiàn)了直接顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)值的功能。當(dāng)鼠標(biāo)懸停在圖片中的某一像素上時，工具欄的最右邊即可顯示當(dāng)前所在的具體坐標(biāo)，以及該點(diǎn)的具體探測數(shù)值。

表1 中性原子成像儀數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Data package format of NAIS-H

圖6 上位機(jī)界面圖Fig.6 Interface chart of the PC system

3.4 色彩映射算法

數(shù)據(jù)包中的探測結(jié)果數(shù)據(jù)范圍在0～255之間，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化成RGB圖。由于上位機(jī)中對顏色的定義采用RGB值方式，即調(diào)用Color（int r，int g，int b）函數(shù)，使用r，g，b三維向量來唯一表示一個顏色，其中r、g、b取值范圍均為0～255。對于色彩映射的算法，本項(xiàng)目中采用了灰度圖算法和彩色圖算法兩種方式。

1）灰度圖算法

灰度圖中各顏色值的r、g、b分量相等，均為接收到的探測結(jié)果值，即探測結(jié)果值result（0～255）對應(yīng)顏色值 Color （result，result，result）。該算法的RGB色彩值取值范圍為Color （0，0，0），Color（1，1，1），…Color（255，255，255），顏色由白色至黑色依次變深，所以，可以直接根據(jù)灰度的深淺來直觀看出圖中各點(diǎn)值的大小關(guān)系。

2）彩色圖算法

灰度圖雖然可以直觀地表示各數(shù)據(jù)之間的大小關(guān)系，卻不易看出某個數(shù)據(jù)所處的數(shù)據(jù)段。由于人眼對灰度深淺的敏感度不及對彩色色調(diào)的敏感度強(qiáng)，所以除了灰度圖外，我們還采用了RGB彩色圖算法來表示數(shù)據(jù)。在普通RGB彩色圖中，r、g、b分別表示紅、綠、藍(lán)3種顏色通道的強(qiáng)度，通過對3個通道顏色的疊加來得到整體顏色。

上位機(jī)軟件采用如下算法，使得由探測值映射的RGB值在顏色空間中均勻分布：將整個顏色空間按色調(diào)分成5個部分，每個部分之間的視覺區(qū)分度較大。并將探測值的結(jié)果域分成5個部分，對于每一個探測值，先根據(jù)數(shù)據(jù)值判斷其屬于顏色空間中的哪一部分，再根據(jù)其在該部分的偏移量來確定RGB顏色的精確值。該算法將顏色空間所分成的5個部分，每個部分的色調(diào)不同，分別為黃、橙、紅、紫、藍(lán)色。整體顏色變化在視覺更加容易分辨，也可根據(jù)顏色直接判斷該值所處的數(shù)據(jù)段，該功能對于宏觀觀測數(shù)據(jù)分布有很大幫助。

4 測試結(jié)果及分析

在進(jìn)行測試前，按正確方式連接好儀器硬件電路及上位機(jī)。啟動上位機(jī)程序后，點(diǎn)擊界面中的接收數(shù)據(jù)按鈕，并選擇接收數(shù)據(jù)方式，即可測試NAIS-H探測結(jié)果。我們在實(shí)驗(yàn)室中對儀器進(jìn)行測試，采用了灰度圖算法來顯示數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 單一探頭探測結(jié)果圖Fig.7 Result picture of the single probe

如圖7所示，結(jié)果圖像為實(shí)驗(yàn)室中對NAIS-H單個探頭給予放射源照射時地檢系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)人員對NAIS-H儀器上的第25探頭進(jìn)行了測試，NAIS-H根據(jù)一個探測周期6 s內(nèi)的圖像，生成了128個時分像素，每個像素等效于探頭掃過2.81°的探測結(jié)果。圖7中圖像在縱坐標(biāo)為26處成一條直線，即第26探頭在一個探測周期6 s內(nèi)持續(xù)有探測結(jié)果，且探測數(shù)據(jù)一致。該結(jié)果符合預(yù)期。

圖8 圓形光斑模擬數(shù)據(jù)顯示圖Fig.8 The simulated picture of

如圖8所示，為實(shí)驗(yàn)室模擬的完整中性原子探測數(shù)據(jù)。模擬目標(biāo)源為球形放射源，放射源中心亮度大、邊緣亮度小。當(dāng)探頭掃過放射源時，探測到放射源邊緣數(shù)據(jù)，隨著探頭掃向放射源中心，探測數(shù)據(jù)不斷變大，之后隨著探頭離開放射源，探測數(shù)據(jù)變小。且位置高度與放射源越接近的探頭，所得到的整體探測數(shù)據(jù)越大。圖8所示的結(jié)果中，以（18，80）處的探測數(shù)據(jù)值最大，圖像數(shù)據(jù)整體呈橢圓形，且越接近邊緣的數(shù)據(jù)越小，符合預(yù)期結(jié)果。

通過了對單個探頭對平行放射源的測試結(jié)果與整個NAIS-H對球形放射源模擬探測結(jié)果數(shù)據(jù)的成像，我們所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合要求，進(jìn)而驗(yàn)證了地檢軟件系統(tǒng)對圖像處理的能力。另外，每張圖都有灰度圖與彩色圖兩種顯示方式，且圖上有刻度標(biāo)記，并且當(dāng)鼠標(biāo)懸停在某一像素點(diǎn)上時，主界面中會顯示出該點(diǎn)的探測數(shù)據(jù)值。所以，該上位機(jī)軟件系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)從色彩上宏觀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，又能實(shí)現(xiàn)對任意具體數(shù)據(jù)實(shí)時查詢。

5 結(jié) 論

該地檢系統(tǒng)采用FPGA作為數(shù)據(jù)通訊硬件基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，基于Java語言，提高了系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性以及可移植性，并且為下一步將上位機(jī)移植至Android系統(tǒng)提供了良好的結(jié)構(gòu)及代碼基礎(chǔ)。目前該測試系統(tǒng)已應(yīng)用于NAIS-H地面檢測，在實(shí)際應(yīng)用中表明該系統(tǒng)具有測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、界面友好、操作方便等特點(diǎn)。

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Ground test equipment for neutral atom imaging system-high

MING Chen-xi1，2，YU Qing-long1，LIANG Jin-bao1，ZHANG Huan-xin1，JING Tao1
（1.CSSAR，CAS，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

This paper introduces the structure and working principle of the Neutral Atom Imaging System-High（NAIS-H）which is in the MIT project.Based on the testing needs of the instrument，we have designed ground test equipment，including the circuit system and the host computer system.In this paper，we show the structure and working principle of the ground test for NAIS-H，and tell structure and java programming of the sub modules of the host computer system in detail，such as API communicating system，data analyzing system and data saving system.At last，we test the equipment，and the result shows the ground test system has good performance and achieves the design requirement.

energy neutral atoms；ground test；java program；image algorithm

TN4

A

1674－6236（2016）04-0190-04

2015-03-30 稿件編號：201503427

明晨曦（1990—），女，湖北武漢人，碩士研究生。研究方向：空間環(huán)境中高能粒子探測電子學(xué)。