中性原子成像儀地檢電子系統的研制

明晨曦，余慶龍，梁金寶，張煥新，荊 濤

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

中性原子成像儀地檢電子系統的研制

明晨曦1，2，余慶龍1，梁金寶1，張煥新1，荊 濤1

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

本文介紹了MIT衛星計劃中性原子成像儀（NAIS-H）的基本結構以及工作原理，通過分析MIT衛星NAIS-H的工作原理及測試需求，設計并實現了基于該成像儀的地面檢測，包括硬件電路系統及上位機軟件系統。本文分別從通訊、數據處理等方面，描述了地檢系統的主要結構設計以及工作流程，并詳述了上位機系統中串口通訊、數據解包、圖像處理等各軟件模塊設計以及java代碼編寫。最后，對地檢系統進行測試，得到的結果顯示該系統具有良好的性能，達到了設計要求。

能量中性原子；地面檢測；Java通信；圖像算法

MIT計劃是我國首個磁層、電離層和熱層耦合星座探測計劃，主要目標是對近地磁層中MIT耦合關鍵區域進行探測，揭示太陽活動影響地球空間環境的機制和規律。在衛星探測環境中，環電流區域由能量帶電粒子在徑向范圍2到7個地球半徑內繞地球漂移而形成，是磁層中最重要的中性原子源區之一［1］。環電流區內的能量中性粒子在產生后，由于其電中性的特性，運動方向不受磁場影響，在空間中傳播收到擾動很小［2］。因此，可以采用遙感技術對環電流源區進行高時空分辨率遙感成像觀測，從而反演得到源區帶電粒子分布及其在磁暴期間的時空演化規律［3-7］。

空間中心目前正在研制的高能中性原子成像儀（NAISH）是先導專項MIT衛星計劃中最重要的載荷之一。NAIS-H采用高壓偏轉加準直調制技術，通過30個方向探頭，將180°空間分成30個等分視場，利用衛星的自旋，可實現空間4π立體角全覆蓋成像。NAIS-H具有在不同磁層環境下探測高時空分辨環電流區的中性原子 （其能量分布在40～300 KeV）圖像的能力。探測器的組成包括準直器、高壓偏轉板和硅半導體探測器。在儀器對中性原子聚集區域進行探測時，中性原子粒子入射到探測器中，打在探測器內的傳感器上，產生電信號。電信號通過電子學處理及采集，在數據處理單元（DPU）中形成圖象并下行到衛星平臺［8］。本文基于MIT計劃中高能中性原子成像儀（NAIS-H），設計了其地面檢測系統電路，以及上位機軟件系統，并對NAIS-H進行了測試，得到實驗結果。

1 NAIS-H系統結構與工作原理

如圖1所示是NAIS-H儀器外觀，如圖2所示為NAIS-H系統結構示意圖。整個NAIS-H系統是MIT衛星上的載荷，系統由衛星平臺進行統一供電。在NAIS-H系統前端，有30個中性原子探頭，將空間視角分成30個等分視場，通過衛星的自旋，實現全面觀測空間4π立體角。中性原子通過高壓偏轉板進入探測器內，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、模數轉換等信號處理模塊后，數據被傳送至以FPGA為核心的數據處理中心。

數據處理中心的主要任務是處理傳感器探頭探測到的數據，以及與衛星總體之間的數據通訊。在接收到傳感器上的探測數據后，數據處理中心會將數據統一打包，經由RS422總線發送至衛星平臺。另外，FPGA的工作狀態還受到衛星平臺發送的太陽脈沖信號的控制，當衛星進入地影區時，衛星平臺無法向NAIS-H發送太陽脈沖，這時則需要NAIS-H自行產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結構示意圖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星平臺聯調條件，因此需要根據NAIS-H的研制一套地檢設備。本文即描述了針對NAIS-H的地檢系統設備與軟件的研制方案與測試結果。

2 地檢系統功能需求

2.1 地檢系統總體結構

地檢系統的主要目的是模擬NAIS-H系統在太空正常工作時，衛星平臺與NAIS-H的交互與數據處理。根據圖2中對NAIS-H工作原理的描述，我們對地檢系統設定了3個主要功能需求：1）電源配電功能，2）數據通訊功能，3）模擬太陽脈沖。根據這3大功能需求，我們對地檢系統進行了總體結構方案設計。NAIS-H地檢系統結構如圖3所示，地檢系統中的配電模塊，通過數控開關，向NAIS-H的各模塊提供28 V的一次電源；科學數據模塊通過RS422總線與NAIS-H相連，用于對NAIS-H探頭所采集到的數據包與相應的查詢指令進行統一的收發、轉存；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，并且模擬衛星進入地影區時，中斷發送太陽脈沖的行為。

上位機軟件模塊負責接收、顯示分析與存儲NAIS-H發送而來的探測數據。上位機通過RS422總線轉USB接口與科學數據模塊相連，實現了硬件系統與上位機之間的通訊。上位機的串口通訊模塊負責實現控制信號的發送、數據包的接收；數據解包模塊負責解析數據，將數據存儲在緩存中；存儲顯示模塊負責對緩存中的數據進行作圖顯示與本地存儲，并且可隨時讀取本地數據并作圖顯示。

圖3 中性原子成像儀地檢系統結構圖Fig.3 Structure diagram of the ground test equipment for NAIS-H

2.2 軟件需求分析

本項目中的上位機軟件的主要任務是接收來自NAIS-H的探測數據以及工程參數，并對接收到的數據實現實時分析、作圖顯示、同步存儲、讀取等基本功能。所以，軟件系統必須以NAIS-H的科學數據接口，即數據包結構以及通訊協議為前提，為中性原子探測所需功能提供相應支持。經過分析，對于NAIS-H所探測到的數據，該上位機軟件系統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發送來的數據包；

2）數據解包，提取出工程參數，以及8個能道、30個探頭所探測到的數據；

3）實時顯示工程參數，并將探測數據轉換成RGB圖像，精確顯示在界面中，并實現在圖像界面中快速查看數據值；

4）將接收到的數據以txt文件存儲在目標文件夾中，以及從計算機中導入數據文件作圖顯示。

根據對軟件功能的需求分析，上位機將程序設計分為API通訊模塊、數據解包模塊、顯示模塊、存儲模塊，如圖4所示。軟件的詳細設計流程如圖5所示，當打開程序主界面，系統經過初始化后，打開串口，上位機則向NAIS-H發送通訊指令，NAIS-H收到指令后則返回當前探測數據包。當上位機的串口檢測到有數據輸入時，軟件系統則檢驗所接收到的數據是否是正確的數據包。若為正確數據包，則將數據包中的每一字節的數據存入緩存的對應位置，并將原數據包存儲在目標路徑下，最后進行解包分析，以及作圖顯示等。

圖4 軟件系統設計結構圖Fig.4 Schematic diagram of the software test system

3 軟件模塊設計與實現

3.1 串口通訊

該上位機軟件系統中采用java API技術，經由RS422轉USB接口，將NAIS-H所采集的數據包暫存于上位機緩存中。地檢系統中的硬件模塊通過RS422總線轉USB接口，使PC端對系統數據的獲取可直接通過USB模塊實現。接口芯片為CH341H，串口收發數據包定義：1位起始位，8位數據，1位停止位，波特率115200。以30775Byte/包的數據包發送給上位機。

圖5 軟件設計的流程圖Fig.5 Flow chart the software design

上位機與NAIS-H設定了通訊協議，上位機向NAIS-H發送控制信號，NAIS-H收到信號后當上位機則向上位機發送探測結果數據包。上位機接收到數據后，按照約定的格式及校驗方式對數據包進行校驗，若判斷為正確的數據包，則將其存入緩存中，等待數據解包等后續操作，否則進行丟包處理。此外，在串口通訊中，程序通過調用不同功能函數，函數分別實現了單次實時接收以及持續接收功能。

3.2 數據解包

上位機接收到正確的數據包后，將數據存儲在緩存數組（buffer［］）中，原數據包直接完整地存儲至本地，數據解包的執行對象為緩存中的數據。

發送的數據包結構及內容如表1所示。表1中的第一列是數據包中的主要結構內容，包括了包頭、工程參數、探測數據、包尾4個部分。其中，包頭與包尾用來識別及操作完整、正確的數據包；工程參數包括兩個部分——NAIS-H中16個監測點的監測值，以及30個探頭通道的傳感器噪聲；探測到的結果信息包括8個能道，對于每能道，30個探頭分別有128 Byte的探測數據，共3 840 Byte數據，每一個字節存儲一次探測數據，為NAIS-H所探測到的空間環境里中性原子通量，以8位無符號16進制整型數表示，范圍為0～FF（255）。

3.3 界面顯示

根據顯示功能的需求，在界面設計上，主界面共有3個部分組成：1）工具欄，2）工程參數顯示，3）8個能道數據作圖。上位機主界面如圖6所示，其中工具欄在界面的最上方，其中分別有“打開串口”、“接收數據”、“讀取數據”等按鈕，圖中的小窗口即為數據包中的工程參數，以16進制數據的字符串格式顯示。界面中央為NAIS-H探測結果顯示圖，在一個數據包內，探測數據包括8個能道的數據，每能道包括30個探頭的數據，每個探頭包括衛星自旋一周時掃描采樣的128個數據。顯示模塊以能道為單位，分別做出8幅數據圖，即每圖中有30*128=3 840個數據。每個數據均由比特數值映射到RGB顏色值，最終以RGB圖顯示出來。除了直接以顏色顯示數據之外，主界面上還實現了直接顯示當前數據值的功能。當鼠標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前所在的具體坐標，以及該點的具體探測數值。

表1 中性原子成像儀數據包格式Tab.1 Data package format of NAIS-H

圖6 上位機界面圖Fig.6 Interface chart of the PC system

3.4 色彩映射算法

數據包中的探測結果數據范圍在0～255之間，上位機數據處理系統將其轉化成RGB圖。由于上位機中對顏色的定義采用RGB值方式，即調用Color（int r，int g，int b）函數，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果值，即探測結果值result（0～255）對應顏色值 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，可以直接根據灰度的深淺來直觀看出圖中各點值的大小關系。

2）彩色圖算法

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

上位機軟件采用如下算法，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分成5個部分，每個部分之間的視覺區分度較大。并將探測值的結果域分成5個部分，對于每一個探測值，先根據數據值判斷其屬于顏色空間中的哪一部分，再根據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，每個部分的色調不同，分別為黃、橙、紅、紫、藍色。整體顏色變化在視覺更加容易分辨，也可根據顏色直接判斷該值所處的數據段，該功能對于宏觀觀測數據分布有很大幫助。

4 測試結果及分析

在進行測試前，按正確方式連接好儀器硬件電路及上位機。啟動上位機程序后，點擊界面中的接收數據按鈕，并選擇接收數據方式，即可測試NAIS-H探測結果。我們在實驗室中對儀器進行測試，采用了灰度圖算法來顯示數據，測試結果如圖7和圖8所示。

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

如圖7所示，結果圖像為實驗室中對NAIS-H單個探頭給予放射源照射時地檢系統所得到的數據結果。實驗人員對NAIS-H儀器上的第25探頭進行了測試，NAIS-H根據一個探測周期6 s內的圖像，生成了128個時分像素，每個像素等效于探頭掃過2.81°的探測結果。圖7中圖像在縱坐標為26處成一條直線，即第26探頭在一個探測周期6 s內持續有探測結果，且探測數據一致。該結果符合預期。

圖8 圓形光斑模擬數據顯示圖Fig.8 The simulated picture of

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

通過了對單個探頭對平行放射源的測試結果與整個NAIS-H對球形放射源模擬探測結果數據的成像，我們所得到的實驗結果符合要求，進而驗證了地檢軟件系統對圖像處理的能力。另外，每張圖都有灰度圖與彩色圖兩種顯示方式，且圖上有刻度標記，并且當鼠標懸停在某一像素點上時，主界面中會顯示出該點的探測數據值。所以，該上位機軟件系統，既能實現從色彩上宏觀進行數據分析，又能實現對任意具體數據實時查詢。

5 結 論

該地檢系統采用FPGA作為數據通訊硬件基礎，軟件設計采用模塊化設計思想，基于Java語言，提高了系統的可靠性、可維護性以及可移植性，并且為下一步將上位機移植至Android系統提供了良好的結構及代碼基礎。目前該測試系統已應用于NAIS-H地面檢測，在實際應用中表明該系統具有測試準確、穩定可靠、界面友好、操作方便等特點。

［1］Daglis I A，Thorne R M，Baumjohann W，et al.The terrestrial ring current:Origin，formation，and decay［J］.Reviews of Geophysics，1999，37（4）:407-438.

［2］Roelof E C，Mitchell D G，Williams D J.Energetic neutral atoms（E～50 keV）from the ring current:IMP 7/8 and ISEE 1 ［J］.Journal of Geophysical Research:Space Physics（1978-2012），1985，90（A11）:10991-11008.

［3］Lui A T Y，Williams D J，Roelof E C，et al.First composition measurements of energetic neutral atoms［J］.Geophysical Research Letters，1996，23（19）:2641-2644.

［4］Le G，Russell C T，Takahashi K.Morphology of the ring current derived from magnetic field observations［C］//Annales G-eophysicae，2004:1267-1295.

［5］陳志青，沈超，路立，等.基于中性原子通量數據的磁暴期間環電流研究［J］.地球物理學報，2012，55（3）:727-737.

［6］沈超，劉振興.環電流區中性原子觀測特性模擬研究［J］.地球物理學報，2003，46（1）:1-10.

［7］王馨悅，劉振興，沈超，等.代數重建法反演環電流分布的初步結果［J］.空間科學學報，2007，27（2）:104-109.

［8］Mitchell D G，Jaskulek S E，Schlemm C E，et al.High energy neutral atom（HENA）imager for the IMAGE mission［C］//The IMAGE Mission.Springer Netherlands，2000:67-112.

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：空間環境中高能粒子探測電子學。