基于小波变换的射频干扰消除方法的研究

在射电天文观测中,射频干扰(Radio Frequency Interference, RFI)会以多种形式混入望远镜接收系统,给观测带来误判或者降低观测信噪比.近年来国内国际射电天文快速发展,国内国际大型射电望远镜和阵列先后建设,观测灵敏度大为提高,射频干扰的影响尤为突出.随着科技发展和人类活动的加剧,射频干扰日益严重且不可逆转.提出利用2维离散小波变换的方法分析射电天文观测的数据,对望远镜系统输出的时间频率序列进行小波变换,根据小波系数分离出原始信号中各分量,每个分量统计得到相应的阈值,将各分量与阈值相比较识别干扰成分并标记去除.利用该方法对实际观测数据进行了处理,结果表明该方法能够很好地标记并消减干扰信号,且提高了观测的信噪比.     

明安图观测基地复杂电磁环境和干扰消减措施

射频干扰是射电天文观测设备无法回避的问题。国家天文台(内蒙古)明安图观测基地多台各具特色的射电观测设备、各类电磁辐射源及其传播路径共同组成了复杂的电磁环境。现有超宽带高分辨太阳射电成像观测设备——明安图射电频谱日像仪,以及即将建设的子午二期工程的太阳行星际监测系统,包括米波-十米波射电日像仪、行星际闪烁望远镜和超宽带射电频谱仪等,全部频率覆盖1 MHz～15 GHz,观测结果用于太阳物理、空间天气监测和预报的关键问题研究,也对电磁环境提出了更高要求。介绍了明安图观测基地的观测设备及其地理环境,给出了方位频率功率谱、立体方向图、时间频率功率谱等射频干扰的初步监测结果,讨论了射频干扰预防、消减及射频干扰自监测方案。     

快速射电暴观测数据干扰缓解方法研究

从海量的天文观测数据中快速搜寻罕见的快速射电暴(Fast Radio Burst, FRB)事件, 干扰缓解是其中一项关键而具有挑战的工作. 射频干扰(Radio Frequency Interference, RFI)会淹没真实的天文事件, 还会导致搜寻管线输出大量的假阳性候选体. 由于干扰来源及其种类的复杂性, 目前并没有一种通用的方法可以解决这个问题. 为了降低干扰对FRB观测搜寻的影响, 分析和研究了南山26m射电望远镜L波段观测数据中的干扰情况, 针对主要的窄带干扰和宽带干扰建立了3层次的干扰缓解处理流程, 从而有效缓解了观测数据的干扰污染情况. 将该流程嵌入到FRB色散动态谱搜寻(Dispersed Dynamic Spectra Search, DDSS)管线中, 实验结果表明, 搜寻管线的检测率和检测精度得到了进一步的提高. 该方法为FRB观测数据干扰缓解处理提供了有价值的参考.     

德令哈13.7m望远镜接收机抗射频干扰研究

在天文观测中,射频干扰会造成假谱,降低数据的可靠性和有效性.射频干扰消减旨在减少干扰信号对射电天文观测的影响,包含器件方面的技术革新和数据处理领域的方法研究.针对德令哈13.7 m望远镜接收机中频部分引入的射频干扰,通过优化中频器件的抗射频干扰能力,提高了接收机的整体抗射频干扰能力,以主动消除方法来减少射频干扰耦合到接收机内部.分析了接收机干扰的传输路径,提出了器件射频干扰的直接耦合系数和器件射频干扰的系统耦合系数的概念,为定位干扰敏感器件并量化干扰引入比重提供了基础.经过抗射频干扰优化后,接收机抗干扰能力改善30 dB左右,望远镜的天文观测效率提高10%以上.     

基于多项式模型的射电天文中的移动干扰消除

射电天文观测数据受无线电的影响日益严重。因此,射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI)消除已经成为信号处理流程中不可或缺的一步。考虑了自适应阵列信号处理中的移动干扰源的消除问题,对于阵列天线望远镜而言,射频干扰消除可以通过采样协方差矩阵在空域实施处理。在很多应用场景中,可得到的零点深度受限于协方差矩阵的估计误差,进而影响干扰子空间的估计精度。方法应用了一种多项式模型以跟踪阵列协方差矩阵随时间的变化,消除干扰子空间的估计误差,提高干扰消除性能。最后通过仿真对比了传统的子空间投影(Subspace Projection,SP)算法和基于多项式模型的子空间投影(Polynomialaugmented Subspace Projection,PSP)算法,仿真结果证明了所提方法的有效性。     

射频干扰检测的SumThreshold算法

射频干扰(Radio Frequency Interference, RFI)是射电目标搜寻和精确分析研究的关键影响因素,因此RFI检测是相关数据处理中的一个重要环节.已有RFI检测方法可分为成分分解法、阈值分析法、机器学习类方法.从应用广泛性和可解释性方面考虑,阈值分析法最具代表性,特别是SumThreshold是近年备受关注的一个RFI检测方法.从SumThreshold方法的原理、算法设计、优化要点、适用性等方面进行介绍和探讨,以供同行参考.     

射电望远镜台站的Android手机干扰管理软件设计与实现

无线电监测表明,手机与基站通信产生的干扰信号影响射电天文观测数据,为了抑制射频干扰,天文学家提出屏蔽站内电子设备、设置无线电宁静区等管理办法,其中的手机信号因易移动、基数大而难以监测和管理。然而,开启手机的飞行模式或关机可以降低射频干扰。基于此设计和开发了一款基于安卓(Android)系统的手机干扰管理应用程序,采用定位技术自动判别手机是否处于无线电宁静区,以提醒用户管理手机,并记录用户在宁静区内的操作。测试结果表明,当用户处于无线电宁静区时,应用程序能主动提醒用户开启飞行模式或关机,有效降低手机信号对天文观测数据的影响。     

基于独立成分分析的射频干扰信号消除方法

射电天文已成为人类研究宇宙的重要途径。但随着人类生产、生活的发展,射频干扰信号对射电天文观测的影响越来越严重,观测数据的好坏关系到科学成果的质量甚至结论的真伪。目前广泛采用基于阈值判断射频干扰,对干扰信号直接舍弃部分观测数据的方法。此类方法存在阈值确定困难、观测带宽和时间被缩减等问题。针对脉冲星观测射电信号中,各干扰信号及射电信号统计独立以及呈现出的非高斯性,利用独立成分分析对混合信号进行分解,并根据观测信号中脉冲星信号和干扰信号的分布特点识别脉冲星信号,实现干扰信号消除。使用该方法对云南天文台40 m射电望远镜接收到的脉冲星观测信号进行独立成分分析,分解出独立的射频干扰信号和脉冲星信号,消除射频干扰信号。独立成分分析法在干扰信号消除、射电信号保留及信噪比方面均取得良好效果。     

中国射电天文频率保护进展

由于所观测的宇宙信号非常微弱,射电天文极易受到有源业务的干扰。有限的频谱资源和中国观测台站无线电环境的日趋恶化,制约了中国射电天文研究的可持续发展。为保护射电天文观测频率,广泛调研国际电信联盟的相关规则和建议书;结合实测,分析中国现有和规划中的台站无线电环境情况,开发适用的无线电干扰监测系统。对于中国部分现有和新建的大型射电天文设备,通过与各级主管部门协商,在台址周边设立无线电宁静区,从而为射电天文观测的顺利开展提供了重要的无线电频谱保障。     

射电天文自适应抗干扰算法研究

全球性卫星导航系统占用了L波段在1.1 GHz~1.6 GHz之间约150 M带宽,严重限制了射电天文在该频段的观测。将通信、雷达等领域的自适应滤波方法应用于消除"北斗二号"卫星信号给中性氢(HI)21 cm谱线观测带来的射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI)。为了提高最小均方误差(Least Mean Square,LMS)自适应算法的性能,在对一类传统变步长最小均方误差算法研究的基础上,提出了步长与误差信号之间的一种新的函数关系,进一步改善了自适应滤波算法的性能。在相同收敛速度或者相同稳态误差的前提下,改进后的算法具有更小的稳态误差或者更快的收敛速度。计算机仿真实验结果与理论分析一致,验证了改进后的变步长自适应滤波算法在射电天文射频干扰消除中的性能优于传统算法。     

阵列接收系统的噪声温度分析

针对射电天文抗干扰技术对于射电天文观测设备灵敏度的影响,分析了评估自适应波束形成技术对阵列接收系统的噪声温度影响.首先通过噪声信号模型,获取了影响系统噪声温度变化的参数,并在此基础上研究了天线增益、接收机增益和耦合性等系统参数的不确定性对于噪声温度的影响,最后利用仿真实验分析了理想系统条件下当前主要的自适应波束形成算法对于系统噪声温度的影响.结果表明基于自适应波束形成的抗干扰方法在天文信号源和干扰信号源重合的情况下已不再适用.     

孔径阵列技术及其在射电天文中的应用

该文概述了近十余年来得到较多研究和发展的孔径阵列技术及其在射电天文中的应用,如高效馈源照明、扩大单反射面射电望远镜的视场、高效多波束、射频干扰抑制、对射电望远镜反射面缺陷的补偿等.随着孔径阵列(Aperture Array Tiles,简称 AAT)技术的日益成熟和成本的降低,AAT技术有可能成为全新一代射电望远镜(例如无反射面射电望远镜和软件射电望远镜)的基石.     

影响射电天文观测的有害干扰

本文从理论上推导出射电天文接收机的灵敏度公式,由此估算了射电天文各个波段观测的灵敏度和有害干扰电平的极限值。简述了三种类型的有害干扰和减小干扰影响的技术措施。     

相控阵馈源MVDR波束合成器缓解RFI仿真

相控阵馈源(Phased array feeds, PAFs)接收机作为下一代微波接收机,为大口径射电天文望远镜的射电干扰(Radio Frequency Interference, RFI)缓解工作带来了新的解决方法. PAFs接收机对射电望远镜焦平面的电磁波进行空域采样,返回时域阵列信号,使用最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束合成器可以自适应地识别RFI的方向,同时抑制RFI在输出信号中的功率,从而达到提升射电望远镜灵敏度的效果.仿真结果表明MVDR波束合成器对有源高能量的射电干扰有很强的识别能力和一定程度的缓解能力,同时,该波束合成器对各阵元信道中加性噪声累积引起的无源干扰有很强的抑制能力,因此, PAFs接收机的MVDR波束合成器可以增强日益复杂电磁波环境下射电望远镜的抗干扰能力.     

相控阵馈源MVDR波束合成器缓解RFI仿真

相控阵馈源(Phased array feeds, PAFs)接收机作为下一代微波接收机, 为大口径射电天文望远镜的射电干扰(Radio Frequency Interference, RFI)缓解工作带来了新的解决方法. PAFs接收机对射电望远镜焦平面的电磁波进行空域采样, 返回时域阵列信号, 使用最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束合成器可以自适应地识别RFI的方向, 同时抑制RFI在输出信号中的功率, 从而达到提升射电望远镜灵敏度的效果. 仿真结果表明MVDR波束合成器对有源高能量的射电干扰有很强的识别能力和一定程度的缓解能力, 同时, 该波束合成器对各阵元信道中加性噪声累积引起的无源干扰有很强的抑制能力, 因此, PAFs接收机的MVDR波束合成器可以增强日益复杂电磁波环境下射电望远镜的抗干扰能力.     

基于Python的SKA-RASCIL中的天线增益校准实现

天线增益校准是射电天文观测数据处理过程中的一个关键步骤。分析了经典的天线增益校准算法Antsol的基本原理,并基于Python对Antsol算法进行了高性能实现,所完成的程序代码已经集成到平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)的射电天文模拟校准成像软件(Radio Astronomy Simulation,Calibration and Imaging Library,RASCIL)中,不仅为当前平方公里阵列数据处理提供了支撑,也为未来数据处理的性能优化提供算法参考。     

德令哈毫米波望远镜本振谐波干扰问题

射电天文中,射频干扰问题多样而复杂,面对不同的射频干扰问题,针对不同的干扰机制,采取针对性的方法。从器件阶段消减射频干扰,可以预防射频干扰进入望远镜内部。介绍了德令哈毫米波望远镜9波束边带分离型超导接收机, 1个本振链路系统分配18路本振信号方案,针对本振链路中信号发生器的谐波信号引起的中频窄带干扰,设计了注入模拟谐波信号的测试方案,确认了干扰产生机制并得出谐波信号频率与干扰信号频率和功率的对应关系,分析并验证了谐波干扰的传输路径。为了消减谐波干扰,利用YIG滤波器可变频段的带通特性,在本振链路上滤除谐波信号,防止谐波信号耦合到接收机系统,完成了谐波干扰的消减。     

基于分布式控制的天线闭环控制系统设计和实现

给出了天线阵列系统中单天线闭环控制系统的模型,对于同步跟踪某种信号源进行射电天文观测的天线阵列系统而言,具有通用性、可配置性和良好的可扩展性.     

太阳低频射电干涉阵的构建仿真

介绍了低频射电干涉阵的发展情况、研究领域,讨论了国际上的LOFAR、LWA和MWA等低频射电项目.借鉴当今的低频射电项目,结合云南的地理和太阳射电优势,设想在云南省内构建一个太阳低频射电干涉阵,观测频率在30 MHz～250 MHz范围内,文中仿真了太阳低频射电干涉阵(4台站),比较和分析了通过优化算法得到的阵列的UV覆盖、脏束(Dirty beam);讨论了低频射电干涉阵的观测模式、射电干扰、低频射电成像等问题;分析低频射电阵在观测太阳爆发性活动产生的日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections,CME)、耀斑、射电爆发的可能性;通过上述的仿真和分析构建太阳低频射电干涉阵面临的问题,可以为今后建立阵列提供依据.     

关于射电望远镜台址航空信号处理方法的研究

来自飞行器的航空信号会严重干扰邻近频段的射电天文观测,有效地分析确定射电天文台址附近航空信号分布范围,能够为射电天文观测干扰源的查找及抗航空信号干扰策略提供重要支撑.介绍了航空信号的获取方法.根据航空信号位置信息估算了飞机到测站距离随时间的分布情况,评估了航空信号到测站的功率损耗.提出了一种基于最小二乘多项式拟合和聚类算法划定高峰时段航迹分布范围的方法.首先通过最小二乘多项式拟合,获得航迹样本点在时间上的分布趋势和高峰时段;其次,对高峰时段的航迹样本点进行聚类分析,得到各高峰时段样本点空间分布范围;最后,采用相同方法对验证数据样本点进行聚类分析,计算航迹分布在已划定区域范围内的概率,验证了方法的有效性.