本發(fā)明涉及基于宇生繆子的行星探測系統(tǒng)及方法，特別涉及基于空間中宇宙線發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生繆子(μ子，muon)的行星探測方法，用于對行星淺表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測與研究，屬于行星探測。

背景技術(shù)：

1、行星探測常見的方法有衛(wèi)星探測、星球車探測、星表飛行物探測、繆子探測等，其中繆子可以對行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料進行探測，其他探測方法則主要集中于對行星表面物質(zhì)的探測與分析，而且受可視距離、光照條件、行走機構(gòu)運動效率等因素限制。專利cn110065055b給出了利用抓取技術(shù)對行星表面樣品抓取探測的方法，但也存在單次附著取樣面積和深度有限的問題。

2、基于繆子較強的穿透能力，可以實現(xiàn)對行星淺表和內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，進而分析行星地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)等，為行星資源開發(fā)等空間活動提供有效信息。文獻1(竇文強等."深空探測用塑料閃爍體陣列式繆子探測器電子學(xué)采集系統(tǒng)設(shè)計."航天器環(huán)境工程002(2022):039.)提出了宇宙線繆子成像有望成為火星和小行星淺表和內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)成分研究的新興深空探測手段。文獻2(kedar,s.,tanaka,h.k.m.,naudet,c.j.,jones,c.e.,plaut,j.p.,and?webb,f.h.:muon?radiography?for?exploration?of?mars?geology,geosci.instrum.method.data?syst.,2,157–164,https://doi.org/10.5194/gi-2-157-2013,2013.)分析了利用宇宙線繆子對火星地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行探測成像的可行性，介紹了繆子探測穿透力強、功耗低、數(shù)據(jù)量少等優(yōu)勢，并估計火星表面大氣繆子通量大于地球海平面的繆子通量，但火星大氣稀薄，會有其他粒子帶來的較強本底信號，同時存在未經(jīng)過行星、反方向來的繆子信號，需要在進行探測時對這些信號予以篩除。

3、針對地球、火星等行星的繆子探測研究主要集中在對探測器的系統(tǒng)組成進行設(shè)計，不過由于探測結(jié)果信息量少、本底噪聲大等問題，目前對地外行星的繆子探測研究仍然處于概念階段。與地球不同的是，大多數(shù)行星表面沒有大氣層或僅有稀薄大氣層，尤其是小行星，這些行星表面處的繆子通量遠不如地球海平面，難以進行繆子成像，且對探測器系統(tǒng)進行優(yōu)化無法解決繆子通量過低問題。這些星體表面繆子通量過低，且本身體積、質(zhì)量有限。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于宇生繆子的行星探測系統(tǒng)及方法，解決了星體表面繆子通量過低的問題，有望實現(xiàn)行星探測。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、本發(fā)明公開了基于宇生繆子的探測系統(tǒng)，包括繆子產(chǎn)生系統(tǒng)和繆子探測器系統(tǒng)；其中，

4、繆子產(chǎn)生系統(tǒng)，根據(jù)外部發(fā)送的繆子產(chǎn)生需求，對空間中或星體表面放置的靶體材料的位置、姿態(tài)、形狀和結(jié)構(gòu)進行控制，靶體材料在高能宇宙線的作用下產(chǎn)生繆子；

5、繆子探測器系統(tǒng)，用于對繆子進行采集、分析處理，獲取待探測區(qū)域參數(shù)和可視化影像結(jié)果。

6、進一步地，在上述系統(tǒng)中，繆子產(chǎn)生系統(tǒng)，包括控制模塊、靶體材料模塊、動力模塊和通信模塊；其中，

7、通信模塊，獲取繆子產(chǎn)生需求，并與控制模塊進行信息交互；

8、控制模塊，根據(jù)繆子產(chǎn)生需求，分析計算及下發(fā)控制指令到靶體材料模塊和動力模塊；

9、靶體材料模塊，根據(jù)控制指令，對靶體材料形狀尺寸和堆疊形變進行調(diào)整；

10、動力模塊，根據(jù)控制指令，對靶體材料模塊的位置和姿態(tài)進行調(diào)控。

11、進一步地，在上述系統(tǒng)中，所述繆子探測器系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖像生成模塊和通信模塊；其中，

12、數(shù)據(jù)收集模塊，對待探測區(qū)域前后的繆子信息進行采集及初步處理；

13、數(shù)據(jù)處理模塊，對數(shù)據(jù)收集模塊采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到分析結(jié)果，包括繆子通量、徑跡、散射角及待探測區(qū)域參數(shù)；

14、圖像生成模塊，結(jié)合數(shù)據(jù)處理模塊的分析結(jié)果，對待探測區(qū)域進行成像，生成可視化影像結(jié)果；

15、通信模塊，用于數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖像生成模塊之間及天基設(shè)備與地面系統(tǒng)之間的信息交互。

16、進一步地，在上述系統(tǒng)中，所述靶體材料模塊，包括靶體材料和調(diào)節(jié)機構(gòu)，其中：

17、靶體材料為固體、液體或氣體形態(tài)；

18、調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于根據(jù)控制指令，對靶體材料的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)進行調(diào)節(jié)。

19、進一步地，在上述系統(tǒng)中，所述數(shù)據(jù)收集模塊，包括探測動力控制模塊和繆子探測器；其中：

20、繆子探測器，包括繆子探測器a和繆子探測器b；

21、繆子探測器b和繆子探測器a分別位于待探測區(qū)域兩側(cè)；

22、繆子探測器b，位于待探測區(qū)域和靶體材料之間；

23、繆子探測器b，對經(jīng)過待探測區(qū)域前的繆子信息進行采集及初步處理；

24、繆子探測器a，對經(jīng)過待探測區(qū)域后的繆子信息進行采集及初步處理；

25、探測動力控制模塊，對繆子探測器a和繆子探測器b的軌道位置及姿態(tài)進行調(diào)整控制。

26、進一步地，在上述系統(tǒng)中，所述繆子探測器為閃爍體探測器、切倫科夫探測器或核乳膠投影室。

27、進一步地，在上述系統(tǒng)中，所述繆子散射角，具體為：

28、根據(jù)繆子探測器b和繆子探測器a，得到繆子徑跡信息；

29、根據(jù)繆子徑跡信息，得到繆子穿過待探測區(qū)域的偏轉(zhuǎn)方向與入射方向的夾角，即為散射角。

30、進一步地，在上述系統(tǒng)中，所述待探測區(qū)域參數(shù)，為待探測區(qū)域的結(jié)構(gòu)和材料信息。

31、進一步地，在上述系統(tǒng)中，所述繆子產(chǎn)生需求，包括區(qū)域范圍、位置及產(chǎn)量。

32、本發(fā)明公開了基于宇生繆子的行星探測方法，包括：

33、根據(jù)外部發(fā)送的繆子產(chǎn)生需求，對靶體材料的位置、姿態(tài)、形狀和結(jié)構(gòu)進行調(diào)整；

34、對經(jīng)過待探測區(qū)域前和待探測區(qū)域后的繆子進行采集、分析處理后，得到穿過待探測區(qū)域的繆子通量、徑跡、散射角和待探測區(qū)域的可視化影像；

35、根據(jù)待探測區(qū)域前后的繆子通量、徑跡、散射角，獲取待探測區(qū)域參數(shù)；

36、根據(jù)待探測區(qū)域參數(shù)和待探測區(qū)域的可視化影像，對待探測區(qū)域進行繆子成像和材料分析。

37、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于：

38、(1)本發(fā)明通過主動放置靶體材料與高能宇宙線發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生繆子用來對行星探測，解決了無大氣或僅有稀薄大氣的行星表面繆子通量低難以用來成像的問題，可以對行星淺表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探測與研究。

39、(2)本發(fā)明可實現(xiàn)對行星淺表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測，與衛(wèi)星探測、星球車探測、星表飛行物探測等方法主要對行星表面物質(zhì)探測分析不同，本發(fā)明方法可用于對行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料進行探測，可不受可視距離、光照條件、行走機構(gòu)運動效率等因素限制，且數(shù)據(jù)產(chǎn)生率低便于傳輸與保存。

40、(3)本發(fā)明可通過平臺運動、多角度、多位置成像等對不同尺度大小、不同演化程度的行星進行探測成像，在完善行星形成理論、發(fā)展星表接觸探測裝備設(shè)計技術(shù)、評估地外物質(zhì)資源經(jīng)濟價值等方面具有重要意義。

41、(4)本發(fā)明基于高能宇宙線與靶體材料中的原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生繆子用于行星探測，考慮到高能宇宙線通量低于地面大型質(zhì)子加速器出口通量以及宇宙背景低溫環(huán)境，采用的靶體材料可忽略材料活化產(chǎn)生環(huán)境輻射及發(fā)熱過多導(dǎo)致靶體材料開裂問題，從而降低對靶體材料的種類要求，可以是發(fā)生核反應(yīng)截面高的高z材料，也可以是大量低z材料堆積形成的靶體材料等。

42、(5)本發(fā)明針對這些星體表面繆子通量過低，且本身體積、質(zhì)量有限的星體，提出了一種基于主動放置靶體材料，利用空間宇宙線與靶體發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生繆子用于行星探測的方法。