[發明專利]基于光場高階關聯的脈沖星光子流仿真系統及方法

有效

• 申請號: 201910924850.3
• 申請日: 2019-09-27
• 公開（公告）號: CN110686702B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 韋震;喻虹;陸榮華;韓申生
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C21/02;G01C21/24
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明提供了一種基于光場高階關聯的脈沖星光子流仿真系統及方法，該系統包含：光子流模擬子系統，用于生成光子時間序列，將探測面光強分布歸一化作為空間概率分布，劃分探測面區域，區域概率求和得到光子坍縮至各個區域的概率，光子流依次按照區域概率坍縮，標記坍縮至探測器區域的光子，從光子時間序列中提取出被標記光子的時間，向符合算法子系統輸出兩路探測器時間序列；符合算法子系統，用于識別符合光子對，對所述的兩路探測器時間序列進行算法符合，記錄符合光子對的時間差，輸出時差分布曲線。本發明的仿真系統能得到與熱光符合測量結果相一致的時差分布曲線，實現了對基于符合計數的脈沖星X射線強度關聯干涉測量系統的仿真。

技術領域

本發明涉及脈沖星觀測及導航領域，具體為一種基于光場高階關聯的脈沖星光子流仿真系統及方法，特別是光子流模擬及數據符合處理方法。

背景技術

脈沖星是高速旋轉的中子星，會周期性地發射脈沖信號，被稱作宇宙中的“燈塔”。對脈沖星信息的高精度測量，有利于建立星體導航網絡，實現航天器的高精度自主導航。在現有的脈沖星天文觀測手段中，射電陣列觀測受限于波長，分辨率最高能達到10毫角秒；可見光波段觀測受限于波長和探測器口徑，分辨率難以實現數量級精度的提高。考慮到X射線波長相比于可見光要短數個量級，在X射線波段對脈沖星進行觀測有望實現微角秒量級的高精度測量。

干涉測量是天文觀測的重要方法，常規的干涉測量是利用光場的一階關聯特性來獲取信息，對于X射線系統而言，需要光學器件加工精度達到納米量級，這在工程實現上具有較大難度。考慮脈沖星輻射場是熱光場，具有隨機漲落，且服從高斯統計，利用脈沖星X射線的高階關聯來獲取信息，是實現脈沖星高分辨率觀測的可行途徑。

脈沖星與地球相距大于數千光年，到達衛星探測器的光通量極低(例如最亮的Crab脈沖星，其光通量也僅為1.54photon/cm²·s)，只能進行單光子探測。現有的脈沖星仿真系統通過記錄到達探測器的光子時間序列，模擬測量星間相對距離、確定脈沖星的相位信息等，從而有助于實現高精度的脈沖星導航。然而，現有的脈沖星仿真系統在光子流模擬及數據信號處理中均未考慮脈沖星X射線的高階關聯特性，無法應用于基于高階關聯的脈沖星干涉測量系統研發。

在先技術1(傅靈忠，帥平，一種高精度的X射線脈沖星信號模擬方法，CN104567937A)，和在先技術2(胡慧君，邵飛，一種基于隨機單光子發射機制的X射線脈沖星信號模擬源，CN103697908A)，基于單光子發射機制進行了X射線脈沖星的信號模擬，確定起始光子到達時間后，根據脈沖星的相位預測模型計算出光子相位，再利用反函數法遞推得到下一個光子相位，將該相位代入相位預測模型即可求解下一個光子到達時間。其中光子到達探測器并被記錄的過程為泊松過程，光子到達時間為隨機數。

在先技術3(張華，許錄平，一種X射線脈沖星光子序列的頻域加權比相方法，CN105300386A)，對兩航天器接收到的兩列光子到達時間序列等間隔采樣得到光子強度序列，經過FFT變換到頻域內提取相位信息得到相位差，對相位差關于頻率的比值進行能量加權得到歸一化延遲，能有效提高相位的估計精度。

在先技術4(孫海峰，方海燕，X射線脈沖雙星光子序列仿真方法，CN108981750A)，和在先技術5(孫海峰，方海燕，在軌X射線脈沖星計時模型構建方法，CN107144274A)，對X射線脈沖星光子到達時間進行了預處理，將近地軌道航天器的固有時轉換到太陽系質心坐標系的坐標時，考慮了儀器響應延遲、相對論效應的Einstein延遲、大質量天體引起時空彎曲的Shapiro延遲、時鐘校正、周年視差校正等，提高了光子到達時間的估計精度。

在先技術6(張華，許錄平，一種基于X射線脈沖星的星座定向仿真系統及方法，CN103674020B)，闡述了光子到達時間對X射線脈沖星導航的意義，通過X射線脈沖星信號在衛星間傳播的光行時差，可以測量星間相對距離，獲取星座內衛星基線之間的夾角，以實現衛星導航、編隊衛星定向。