大面积硅微条径迹探测器数据压缩算法研究

The silicon micro-strip track detector (SSD) has the advantages of high position resolution, fast response, low noise and low power consumption. Since the new century, it has been widely used in space exploration to track incident particles. SSD, whose channel number is usually several tens of thousands, must have a data compression process on-orbit, in order to effectively reduce the amount of data to achieve actual data transmission. In this project, an improved data compression algorithm for SSD for space application is proposed. By exactly modeling for the detector, the response characteristics of incident particles in the silicon micro-stripe track detector are studied, and the method to further improve the data compression rate is sought. The design idea can provide a reference for the space application of SSD.

硅微条探测器具有位置分辨高、响应快、噪声低、功耗低等优点，新世纪以来，被广泛应用于空间探测领域，测量入射粒子的径迹。在空间应用中，硅微条探测器通道数多以万计，必须经过在轨数据压缩，才能有效降低数据量，实现数据下传。为大幅提高数据压缩速率，本课题对传统的硅微条探测器在轨数据压缩算法提出了改良方案；通过对探测器的建模，研究入射粒子在硅微条径迹探测器中的响应特点，寻求进一步提高数据压缩率的方法。该设计思想可以为硅微条探测器的空间应用提供参考。

硅微条探测器具有位置分辨高、响应快、低噪声、低功耗等优点，广泛应用在各大加速器试验中，测量粒子径迹。新世纪以来，逐渐应用于空间探测领域。计划中的“悟空”2号暗物质粒子探测卫星的硅微条探测器将至数十万计，数据采集过程中将产生海量的原始数据。如何实现探测器快速实时的数据压缩，是其需要解决的一大难题。.本课题为硅微条探测器量身定制了一种基于FPGA流水线结构的在轨数据压缩算法，通过极致的并行化处理，寻求压缩速率的飞跃式突破，可实现高达38.4M通道/秒的数据压缩，压缩速率达“悟空”号现有算法的100倍以上，远超目前所有相关空间探测项目。该算法设计既可以满足我国计划中的“悟空”2号对大面积硅微条探测器的应用需求，也为我国其它大型空间观测项目上硅微条探测器的运用提供有价值的参考和经验积累。.此外，本课题探索了基于量能器径迹的硅微条二维压缩算法，利用量能器径迹指导硅微条通道数据的获取。模拟分析表明，以“悟空”号为例，该算法的应用可使硅微条径迹探测器数据量至少降低30%，节约了星上大容量存储空间；可使数据获取系统每次触发仅需启动不到四分之一的硅微条径迹探测器，这将大大降低硅微条径迹探测器的功耗，有效减少对数据缓存等硬件的使用，节约了探测器的研制成本，同时降低了需要采集、处理和传输的cluster数据，又可以进一步降低数据获取系统的死时间。空间高能粒子探测器的有效面积越大，接收度越高，使用该算法对数据获取以及数据存储下传压力的缓解效果则约显著，节约下来的探测器研制成本则越可观。