具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种中性原子二维成像装置，本实施例中，该中性原子二维成像装置包括卫星平台以及设置在所述卫星平台上的成像模块单元。

本实施例中，上述卫星平台为三轴稳定平台，即，该卫星平台不会随时间自转，在每一个时间段，卫星平台上的成像模块单元的方向不变。图1示出了三轴稳定的卫星平台以及分布在卫星平台的成像平面内的成像模块单元。

如图1所示，卫星平台100示意为卫星桁架，在卫星桁架内选取成像平面101，该成像平面101可以根据卫星的轨道以及计划观测的区域200来选取。成像模块单元300分布在成像平面101的不同方向上。具体地，在成像平面内，沿成像平面的中心O将成像平面在0～180°的范围内等分为n份，每一份均对应一个角度，即，一个方向，其中n为大于1的自然数。沿每一个方向放置一个成像模块单元，使得成像模块单元在成像平面内沿中心O呈放射状排列。在成像平面内，第i个成像模块单元的视场方向的中心角度φ对应为： 其中i＝1，……，n。上述n个成像模块单元形成一个完整的中性原子成像仪，实现45°×45°视场内的二维成像。

本实施例的一可选实施例中，以n＝10为例进行说明。如图2a所示，将成像平面在0～180°的范围内等分为10份，每一份对应一个方向，即将成像平面划分为10个方向，在图2a中，份数1、2、……、10对应的一条直径即为一个方向。在每一个方向上放置一个成像模块单元300，即成像模块单元的视场方向的中心角度对应上述均分的各个方向。由此，在保证成像模块单元的视场中心角对应各个方向的前提下，成像模块单元可以在成像平面内的平移，位于成像平面的任意位置上。成像模块单元的放置位置可以根据成像装置中成像平台的大小等因素进行调整。在成像平面内，第i个成像模块单元300的视场方向的中心角度φ对应为： 其中i＝1，……，10。

如图2b示出了成像模块单元300在中的分布。其中部分(例如5个)成像模块单元在成像平面内沿成像平面的不同角度中心呈放射状分布，另一部分(另外5个)成像模块单元沿成像平面的不同角度分布在成像平面内。该排布方式能够保证成像模块单元的分布在成像平面内的10个不同方向上，而成像模块单元的位置可以在对应方向不变的情况下任意改变。例如可以处于成像装置尺寸的考虑，以占用面积尽量小的方式布置上述成像模块单元。

在本实施例的另一可选实施例中，以n＝11为例，如图2c所示将成像平面在0～180°的范围内等分为11份，每一份对应一个方向，即将成像平面划分为11个方向，在图2c中，份数1、2、……、11对应的一条直径即为一个方向。在每一个方向上放置一个成像模块单元300，即成像模块单元的视场方向的中心角度对应上述均分的各个方向。由此，在保证成像模块单元的视场中心角对应各个方向的前提下，成像模块单元可以在成像平面内的平移，位于成像平面的任意位置上。成像模块单元的放置位置可以根据成像装置中成像平台的大小等因素进行调整。在成像平面内，第i个成像模块单元300的视场方向的中心角度φ对应为： 其中i＝1，……，11。

如图2d示出了成像模块单元300在中的分布。其中，11个成像模块单元在成像平面内沿成像平面的不同角度中心呈放射状分布。该排布方式能够保证成像模块单元的分布在成像平面内的11个不同方向上。应该理解的是，成像模块单元的位置同样可以在对应方向不变的情况下任意改变。

如图3所示，示出了成像模块单元300中的调制栅格301及探测器线阵列302。每一个成像模块单元均包括至少一个半导体探测器线阵列以及至少一个调制栅格，每一个半导体探测器线阵列均包括由多个半导体探测器组成的半导体探测器条带；至少一个调制栅格设置在至少一个所述半导体探测器线阵列的前方与所述半导体探测器线阵列具有间距D，并且与至少一个所述半导体探测器线阵列一一对应，所述调制栅格对入射的中性原子进行空间傅里叶变换。

如图1所示，成像平面101朝向观测空间200，成像平面内的成像模块单元300中的调制栅格301朝向观测空间200。

如图4所示，给出了图3所示的调制栅格301的结构示意图。在本实施例中，调制栅格301为单层调制多重狭缝栅格。如图4所示，调制栅格301包括狭缝3011以及形成该狭缝的栅格实条3012，每一个狭缝3011与形成该狭缝30111的栅格实条3012的宽度相同，并且一个狭缝3011和一个实条3012组成一个节距。应该理解的是每一个狭缝均由沿图2所示的狭缝101的排列方向上的左右两个栅格实条限定，在此，将狭缝101右侧的栅格实条102定义为形成该狭缝的栅格实条。

参照图5示出了图3中的半导体探测器线阵列302的结构示意图。如图5所示，半导体探测器线阵列302排列设置在其承载板303上，该半导体探测器线阵列的承载板的大小介于150mm×45mm～180mm×60mm。在本实施例的更加优选的实施例中，所述半导体探测器线阵列与所述调制栅格之间的距离D介于10mm～15mm。一个半导体探测器线阵列302中包括多个半导体探测器条带3021，每一个半导体探测器条带3021包括多个线性排列的半导体探测器。再次参照图3，半导体探测器线阵列中的半导体探测器条带的延伸方向与调制栅格301的狭缝3011的延伸方向一致。优选地，半导体探测器线阵列的长度与调制栅格的长度一致。

在可选实施例中，定义半导体探测器条带3021的宽度为d。半导体探测器条带的宽度因半导体探测器的类型不同而不同。

在本实施例的一可选实施例中，所述半导体探测器条带3021中的半导体探测器包括阈值大约为2keV的薄窗、极低能量阈值的半导体探测器(SSD)，该半导体探测器的灵敏区的表面附镀有多晶硅层以及附镀在该多晶硅层的铝层。由该半导体探测器形成的半导体探测器条带的宽度d大约为0.45mm，而半导体探测器条带之间的间隙是很小的，仅为0.05mm。在本实施例的更加优选的实施例中，多晶硅的厚度介于铝层的厚度介于 在本实施例的最优选的实施例中，所述半导体探测器包括多晶硅层厚度为铝层厚度为的窗厚度的半导体探测器以及多晶硅层厚度为铝层厚度为的窗厚度的半导体探测器。在该优选实施例中，上述半导体探测器能够探测的粒子包括中性的氢原子(H)和氧原子(O)，探测的H的能量范围介于2keV～200keV，O的能量范围介于8keV～250keV。

再次参照图4，本实施例中，一个调制栅格10包括多个栅格周期，每一个栅格周期包括多条狭缝。在一个栅格周期中，狭缝的宽度呈规律地变化。调制栅格301包括x个栅格周期，定义一个栅格周期中包含z条狭缝，最宽的狭缝为第1条狭缝，第y个狭缝的宽度为w_y，第y个狭缝的宽度为w_y与半导体探测器线阵列的宽度为d满足如下关系：在优选实施例中，定义一个栅格周期中最窄的狭缝(即第z条狭缝)的宽度与半导体探测器条带的宽度d相同，即w_i＝d。可选实施例中，x≥2，z≥8。根据上述狭缝宽度的公式可以确定一个栅格周期中各狭缝及形成该狭缝的栅格实条的宽度，进而根据调制栅格中的栅格周期数量形成所需的调制栅格。根据中性原子成像的原理，调制栅格的厚度越小越好，理想的厚度为0，而本实施例中，为了得到尽量薄的调制栅格，定义调制栅格的厚度为s，并且满足：在更加优选的实施例中，调制栅格的厚度接近0.1mm。

如上所述，确定了半导体探测器条带的宽度(即调制栅格中最窄的狭缝的宽度)d，以及调制栅格与半导体探测器线阵列之间的距离D之后，可以确定中性原子成像单元的角分辨率为：

仍然参照图4，在优选实施例中，调制栅格301的外侧长度L₁介于120mm～130mm，内侧长度L₂介于110mm～120mm，外侧宽度H₁介于30mm～50mm，内侧宽度H₂介于20mm～30mm。即，所述多重狭缝栅格的大小介于120mm×30mm～130mm×50mm。多重狭缝栅格的厚度可以是0.1mm或0.2mm。

来自相同入射方向(即速度相同)的中性原子，通过狭缝宽度变化的调整多重狭缝栅格，该调制多重狭缝栅格对入射的中性原子进行空间傅里叶变换，因此被探测器线阵列所接收的中性原子的计数率会随探测器的位置变化而变化。利用中性原子成像单元的上述特性，通过对半导体探测器线阵列探测到的中性原子进行傅里叶反演，可以获得中性原子在不同方向的空间分布，从而得到源区的位置和大小。在本实施例中，由于在成像平面内沿不同的方向设置多个成像模块单元，每一个成像模块单元对中性原子进行上述探测，因此，通过本实施例的中性原子探测系统可以实现中性原子的二维成像，反演的到观测空间内的中性原子分布。

在本实施例的另一优选实施例中，所述中性原子成像模块单元还包括准直偏转模块，所述准直偏转模块包括准直器和偏转板。该准直偏转模块包括准直器和偏转板，通过对偏转板施加偏转电压，将带电粒子，如各种电子和离子偏转掉，使所述栅格成像单元仅探测所述中性原子，并对所述中性原子进行成像。

如图6所示，示出了所述中性原子成像单元的原理示意图。在图6中，所述中性原子成像单元中的成像张角为45°，为了便于图示，在XY方向上示出了中性原子成像单元的调制栅格301和半导体探测器线阵列302，实际上，在成像过程中，中性原子成像单元的调制栅格和半导体探测器线阵列是沿图6所示的YZ平面放置的，具有45°的成像张角，中性原子成像单元在XZ平面45°视场角内进行中性原子的探测成像，即，图6中圆圈A部分的视图实际上是沿着YZ平面的法线方向旋转了90°的视图。中性原子成像单元在XY平面内的视场张角为10°。在本优选实施例中，偏转板313的长度设为190mm，两偏转板之间的间距设为30mm，偏转板313与调制栅格10之间的间距设为30mm，在偏转板313上施加6kV的电压，进入偏转板313的粒子通常包括中性原子及各种带电粒子，进入带有上述电压的偏转板313后，在电压的作用下，偏转板313对各种带电粒子进行偏转。在本实施例中，上述偏转板能够偏转掉绝大部分30keV的带电粒子，使得仅中性原子进入中性原子成像单元，由中性原子成像单元的调制栅格对中性原子进行空间傅里叶变换，并由半导体探测器对中性原子进行探测并成像。

本实施例的二维成像装置，通过布置在成像平面内的不同方向上的n个成像模块单元，可以同一时刻在不同方向上成像，在成像平面内的不同方向实现45°×45°视场内的二维成像。

在可选实施例中，上述中性原子二维成像装置还包括用于处理成像模块单元的成像信号的信号处理系统，该信号处理系统包括至少一个前置放大器单元以及至少一个主控和接口单元，中性原子成像模块单元、至少一个前置放大器单元以及至少一个主控和接口单元之间彼此电性连接。

前置放大器单元读取至少一个中性原子成像模块单元的成像数据，并对该成像数据进行初步放大。前置放大器单元包括多个专用集成电路，多个专用集成电路实时读取至少一个中性原子成像单元的成像信号，并对该成像信号进行放大。

前置放大器单元包括至少一个电荷灵敏前置放大器、至少一个多级整形器以及至少一个峰值检测器，该峰值检测器对成像信号的峰值进行检测并保持该峰值，直至该峰值被读出。

主控和接口单元为上述至少一个专用集成电路提供操作时序、控制至少一个专用集成电路完成成像信号的采集及读出，对成像信号进行初步融合及处理。

上述信号处理系统还包括数据处理单元，该数据处理单元接收中性原子成像仪中的前置放大器传输的成像信号，并对该成像信号进行处理、打包及压缩存储。在本实施例的一优选实施例中，中性原子成像模块单元以其中的主控和接口单元作为接口与该数据处理单元通信连接。

本实施例还提供一种中性原子成像方法，该成像方法通过本实施例的上述的中性原子成像系统进行成像。如图7所示，该方法包括如下步骤：

S101：在成像平面内布置成像模块单元，所述成像模块单元分布在所述成像平面的不同方向上；

S102：由所述成像模块单元接收不同方向上的中性原子；

在可选实施例中，成像模块单元接收到不同方向的中性原子，首先对入射的中性原子中混杂的带电粒子进行偏转，使得仅中性原子被探测到而带电粒子不会到达成像模块单元的半导体探测器线阵列。

S103：由所述成像模块单元中的调制栅格对所述中性原子进行空间傅里叶变化；

S104：由所述成像模块单元中的半导体探测器线阵列探测经空间傅里叶变换后的所述中性原子，并生成所述成像模块单元所在方向上的成像信号；

S105：综合每一个所述成像模块单元在对应方向上的成像信号，获得中性原子的二维成像信号。

在本实施例的一优选实施例中，所述方法还包括如下步骤：

对所述成像信号进行放大；

对被放大的所述成像信号进行处理、打包及压缩。

在本实施例的另一优选实施例中，对所述成像信号进行放大的步骤还包括以下步骤：

向至少一个所述前置放大器单元提供操作时序；

按照所述操作时序采集并读取所述成像信号；

对采集并读取的所述成像信号进行初步融合及处理。

在本实施例的另一优选实施例中，所述按照所述操作时序采集并读取所述成像信号还包括以下步骤：

将所述成像信号进行信号整形，将所述成像信号转换成模拟信号；

检测并保持所述模拟信号的峰值，直至所述峰值被读出。

实施例二

本实施例同样提供一种中性原子二维成像装置，该中性原子二维成像装置同样包括卫星平台以及设置在所述卫星平台上的成像模块单元。其中成像模块单元与实施例一种的成像模块单元相同，在此不再详细描述。本实施例的中性原子二维成像装置与实施例一的中性原子二维成像装置的不同之处在于：

如图8所示，本实施例中的卫星平台100为自旋稳定平台，该卫星平台100绕自旋轴P沿逆时针或顺时针方向稳定旋转。在本实施例中，如图8所示，卫星平台100绕自旋轴P沿逆时针方向(图8中箭头R所示)自旋。

针对图8所示的自旋稳定的卫星平台100，同样选定一成像平面101，该成像平面为与卫星平台的自旋轴P垂直的平面，该成像平面101同样可以根据卫星的轨道以及计划观测的区域200来选取。

假设卫星平台100的自旋周期为T(秒)，则垂直自旋轴的平面在T/2的时间内即可旋转180°。以成像平面的中心O为中心，将成像平面在0～180°的范围内等分为m份，每一份对应一个角度，即一个方向。在每个方向上放置一个成像模块单元；同时，再将T/2的时间等分k份；第j个时间段，所述成像平面内的第i个成像模块单元的视场角度的中心角度为 其中i＝1，……，m，j＝1，······，k，k为大于1的自然数。其中，第j个时间段所对应的时间其中j＝1,2,……,k。

成像模块单元在成像平面内的分布方式与实施一所示的排布方式相同，可参照实施例一及附图2b和2d所示，在此不再详细描述。

由于卫星平台自旋的优势，对相同的空间进行中性原子探测，在自旋稳定的卫星平台中设置的成像单元模块的数量m要比三轴稳定平台上设置的成像模块单元的数量n少。然而要实现相同方向的探测，需要自旋稳定平台自旋才能完成，因此自旋稳定卫星平台的成像时间要比三轴稳定未定平台的成像时间略长。成像模块单元在成像平面内的分布与图2所示的分布相似，仅仅是数量上的差别。

对于实施例一中设置10个成像模块单元所实现的成像范围，在本实施例的自选稳定卫星平台上，只需将成像平面在0～180°范围内等分为5分，即m＝5；将T/2均分为2分，即k＝2，即可实现三轴稳定平台n＝10的效果。每一个成像模块单元在不同时刻对应不同的方向，因此在卫星平台的自旋周期T内可以完成二维空间的中性原子探测。

对于后续成像模块单元的探测数据的处理与实施例一的方法相同，在此不再赘述。

综上，本发明上述实施例提供的中性原子二维成像装置及中性原子成像方法，至少具有如下技术效果：

本发明在卫星平台上选定适合的成像平面，在成像平面内沿不同的方向布置成像模块单元，例如将成像模块单元沿成像平面的中心呈放射状地均匀布置，每一个成像模块单元对应一个方向。每一个成像模块单元覆盖45°×10°的视场(FOV)范围，多个成像模块单元实现45°×45°视场内的二维成像，最终得到探测空间内中性原子的二维分布。另外，本发明通过选择不同的卫星平台，例如三轴稳定卫星平台及自旋稳定卫星平台，可以设置不同的成像模块单元的分布，通过不同的方式实现中性原子的二维成像。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。