双目标条纹搜索及GPU加速技术研究

深空探测中探测器处于轨道制动期间,由于预报轨道误差较大,如果用预报轨道模型作为输入,相关处理机有时很难获得清晰的条纹,因此需要快速条纹搜索程序给出准确模型值。针对快速条纹搜索算法,研究基于图形处理器(graphics processing unit,GPU)硬件平台的加速改进,同时针对后续探月任务中存在两个动态目标的情况,研究能同时计算两个目标的快速条纹搜索算法。     

基于天文开源软件的卫星干涉测量数据处理系统

VLBI (Very Long Baseline Interferometry)技术观测卫星需要对干涉测量数据进行相关和后处理,通过相关、时延校准、条纹搜索,最终得到卫星的基线几何时延.基于天文开源软件建立起一套卫星干涉测量数据处理系统.该系统可工作在实时和事后两种状态,实现相关、中性大气、电离层、钟模型以及仪器硬件的时延校准、条纹搜索、生成基线时延和时延率序列.使用该系统处理北斗GEO (Geosynchronous Earth Orbit)卫星的干涉测量试验数据,得到了精度在1–2 ns量级的卫星基线时延序列.     

中国VLBI网相关处理机研制进展

经过数年的艰苦努力，中国VLBI网相关处理机继2000年元月取得天文观测数据的互相关条纹后，VLBI技术实验室的研究人员又为提高相关处理机工作稳定性和处理结果质量进行了大量的软硬件调试工作，获得了较为稳定的相关处理机工作状态，于2000年8月获得射电源DA193在佘山－南册基线上的清晰互相关条纹，经验证，互相关条纹的相位变化值与台站时延补偿修改值相符，中国VLBI网相关处理机是一架两台相关处理机，它由两台数据注总计达秒648兆位的高速大容量磁带回放系统和接口电路，高速FFT和交叉相乘模块以及长期累加和控制部件组成，每台站最大信号带宽为128MHz，其高速FFT和交叉相乘模块每秒种可同时连续进行138亿次以上的浮点乘法和309亿次以上的浮点加法运算。     

脉冲星信号VLBI软件相关处理方法研究

脉冲星自发现以来一直是天文学家们关注的对象,甚长基线干涉测量(very long baseline interferometer,VLBI)更是以极高的角分辨率和灵敏度成为脉冲星研究的重要手段。为了使上海天文台现有的中国VLBI网(Chinese VLBI network,CVN)软件处理机能够处理脉冲星信号,讨论了用频率通道间时延补偿的方法实现非相干消色散,并通过加入矩形脉冲门同步信号,提取有效脉冲,提高了信噪比。然后改进现有CVN处理机结构,实现脉冲星信号的相关处理。最后,对脉冲位置搜索和脉冲星数据分箱(pulsar binning)技术做了初步分析与探索。VLBI数据处理结果表明此方法正确可行,能够消除色散,并获得脉冲星信号的相关处理条纹。     

VLBI软件相关处理机系统中的数据预处理方法

在绕月探测工程VLBI数据处理中心的软件相关处理机系统中，各VLBI观测站采集的原始数据必须经过预处理才能进行相关处理与条纹搜索等运算。处理机预处理模块对来自各个观测站的MARK5观测数据进行模式判别、寻找同步头、计算CRC校验码、时间同步等操作，生成时间长度为1min的标准Linux文件，并存放于硬盘阵列上，供相关处理和条纹搜索使用。预处理模块和软件相关处理模块、条纹搜索模块协调配合，保证了软件相关处理机系统在准实时和事后两种观测模式下的性能指标。     

PIMA软件在APSG测地VLBI数据处理中的应用

上海VLBI相关处理中心引进了一款国外新近研发的VLBI相关后处理软件PIMA,它在相位校准、复带通校准和条纹搜索等方面具有独到的优势,特别适合于射电源的成图和绝对天体测量。以亚太空间地球动力学计划(Asian Pacific Space Geodynamics,APSG)测地VLBI观测为样本,介绍了PIMA软件及配套数据分析软件VTD/Post-Solve的特点和处理流程。对PIMA获得的观测量文件以及国际VLBI天体测量和大地测量服务(International VLBI Service for Geodesy and Astrometry,IVS)常规数据处理获得的观测量文件,分别进行了台站坐标和射电源位置参数解算。二者的解算结果在测量误差范围内一致,且在低信噪比情况下,PIMA获得了更多的观测量。后续的APSG观测将包括更多数量的微弱射电源。PIMA软件有望在此类数据处理中发挥重要作用。     

上海—埃弗尔斯堡(西德)甚长基线干涉(VLBI)实验的综合结果

1981年11月上海和埃弗尔斯堡(Effelsberg)之间完成了中—西德之间的首次VLBI实验。所有被观测的射电源都获得干涉条纹。本文发表初步分析得出的综合结果:(1)测定了上海—埃弗尔斯堡基线向量,内部符合达2—3米;(2)测定了射电源1739+52和1928+73的位置,精度0″.05—0″.08,均未经电离层延迟误差的改正;(3)测定了14颗河外射电源的相关流量和可见度,并发现射电源1928+73具有双源结构,间距为8.9毫角秒。     

带有时延的VLBI数字基带信号仿真

研究了利用时域相关法和频域相位加权法,仿真生成具有小数比特时延的实信号,通过数值试验验证了两种方法的一致性和正确性,并且对量化和积分的影响做了分析。最后对射电源信号和双目标探测器信号进行仿真,并通过软件处理机处理得到结果。未来可为VLBI相关处理机的处理精度估计、各类噪声分析及未来多目标试验创造必要条件。     

CVN硬盘系统和软件相关处理在e-VLBI试验中的应用

介绍了中国VLBI网（CVN）的e-VLBI技术研究进展．CVN包括上海佘山、乌鲁木齐南山2个固定观测站和云南昆明的流动站，以及上海天文台的2台站硬件相关处理机。2003年上海天文台自行研制了基于PC技术的VLBI数据记录、回放系统，命名为CVN硬盘系统，并成功将其安置于CVN观测站和处理机系统。硬件处理机经过改造后，已能处理来自硬盘和原有磁带系统的数据．从2003年至今，中国VLBI网采用该硬盘系统进行了多次VLBI观测和e-VLBI试验。在CVN硬盘系统基础上，软件相关处理技术的研究也得以开展。软件相关处理原型程序已经被用于台站条纹检测、卫星条纹搜索和数据处理中。该软件获得的计算结果被成功用于国内第一个3台站卫星VLBI的延迟和延迟率闭合试验，以及国内首次利用VLBI数据进行的卫星定轨试验。除此之外，该软件还用作硬件处理机的条纹引导器。为适应未来“嫦娥”月球探测工程，CVN将扩展成含有4个观测站和2个相关处理机（硬件、软件）的实时VLBI网。今后，e-VLBI将被应用于月球卫星导航以及测地和天体物理的VLBI观测。     

利用国内VLBI网跟踪大椭圆轨道卫星

2004年7月,昆明VLBI站经过改造,由上海、乌鲁木齐和昆明站组成的中国VLBI网(CVN)采用统一的MARK4格式编制器和CVN硬盘记录系统,对大椭圆轨道卫星“探测1号”的2圈轨道的共同可视弧段进行了跟踪观测．软件相关处理程序已成功地用于检测卫星遥测信号的干涉条纹和数据相关处理．采用基于条纹幅度的加权最小二乘条纹拟合方法,获得了卫星VLBI观测量及其精度估计,完成了卫星VLBI观测量的3基线闭合误差检验．应用河外射电源校准方法和多频点相位校正信号提取方法,进行了台站钟差和仪器延迟等系统误差改正．经系统差改正后的卫星VLBI观测量序列已用于“探测1号”卫星的轨道确定．     

地球同步卫星的VLBI观测

介绍了差分VLBI技术确定空间飞行器位置的原理。在上海、乌鲁木齐和昆明站开展了对地球同步卫星的首次国内差分VLBI观测 ,实验中选择 3颗角距小于 15°的ICRF射电源作为参考源 ,克服了卫星观测的特殊性带来的困难 ,成功地获得了卫星信号的干涉条纹。基于条纹拟合的结果和系统差分析 ,估计双差单向测距的总误差约为 4 1cm ,双差单向测速的总误差约为 0 .14 8mm/s,相当于在地球同步轨道上 8m的位置误差和 2 .8mm/s的速度误差     

一种基于傅里叶变换和图像二值化阈值遍历的干涉条纹角度计算方法

消除综合孔径望远镜子孔径之间的相对光程差是实现高分辨率干涉成像的前提条件,条纹检测法是一种检测相对光程差的有效办法。因子孔径的空间位置排布使干涉条纹具有一定的方向性,若不能精确获知干涉条纹的角度,则无法沿条纹的法线方向行采样,进而无法根据对比度变化曲线的最大值获得子孔径之间的最小光程差位置。提出了一种基于傅里叶变换和图像二值化阈值遍历的获得干涉条纹角度的方法,首先介绍了算法的基本原理,其次通过对条纹角度为43°的仿真数据进行算法验证得到的角度为43.007 8°,与理论值的误差为0.018%,证实了方法的可行性。最后对比了未旋转相机和旋转相机两种情况下的条纹对比度变化曲线,可知通过旋转相机使条纹转至相机靶面纵轴方向再进行采样的办法,更有利于精确得到相对光程差的最小位置。     

FX型相关处理机长期累加器子系统的研究

介绍了中国VLBI网FX型相关处理机的结构和功能,并着重阐述了相关处理机的长期累加器子系统(LTA),它是相关处理机的条纹数据压缩部件。通过对长期累加器子系统的研究,提出了对该子系统的改进方案,以提高硬件线路的集成度和系统的可靠性,适应了对相关处理机更快速度、更高精度及多台站测量的要求,并说明了实现方法及其改进后的特点。     

298颗VLBA校准源的射电成图和结构效应分析

为了提高甚长基线阵列(very long baseline array, VLBA)校准射电源位置的精度,建立新一代的国际天球参考架(international celestial reference frame, ICRF),VLBA开展了第二个历元校准源巡天观测(VLBA calibrator survey Ⅱ, VCS-Ⅱ)。BG219I是其中第8组观测,共有298颗射电源在S和X双波段被成功检测到,其中48颗是首次被检测到的射电源。给出了这298颗射电源的成图结果,并根据它们的亮度分布,用δ函数分量建模,计算出这些射电源的结构时延和结构指数。研究了致密度跟结构指数的关系,发现结构指数越小的射电源,具有越大的致密度。还统计了21颗谱指数小于-0.8的陡谱射电源,发现它们在单个波段或者两个波段的结构指数均超过3.0,表明这些射电源不够致密,因而不适合高精度的天体测量。最后,研究了射电源的位置精度与结构指数的关系,发现射电源的位置精度随着结构指数的变大而逐渐降低。     

VLBI观测信号相关处理中的小波保角变换

Daubechies小波可以表征为幂函数或e指数函数的形式 ,保持相关相位条纹的幅角不变。在VLBI观测信号相关处理过程中引入了小波分析方法 ,以探讨小波理论在VLBI技术中的应用特点。两个台站的VLBI观测信号经过时间补偿和干涉条纹旋转后 ,利用静态小波算法在线性空间中的保角变换特征可提取VLBI信号的干涉相位特征 ,并完整保留相位的时序关系。     

嵌入式千兆以太网传输系统在VLBI硬件相关处理机中的应用

甚长基线干涉测量（VLBI）是重要的射电天文技术，具有极高的空间分辨率，是国际上广泛采用的深空探测器高精度测量手段。硬件相关处理机则是VLBI数据预处理的核心设备。随着以FPGA（Field Programmable Gate Array）为实现平台的嵌入式系统的不断发展，用FPGA和嵌入式系统作为实现方式成为硬件相关处理机研究的一个方向。研究了如何利用嵌入式千兆以太网传输系统对硬件相关处理机的长期累加子系统（LTA）进行改进。     

VLBI观测信号相关处理中的小波保角变换

Daubechies小波可以表征为幂函数或e指数函数的形式，保持相关相位条纹的幅角不变。在VLBI观测信号相关处理过程中引入了小波分析方法，以探讨小波理论在VLBI技术中的应用特点。两个台站的VLBI观测信号经过时间补偿和干涉条纹旋转后，利用静态小波算法在线性空间中的保角变换特征可提取VLBI信号的干涉相位特征，并完整保留相位的时序关系。     

乌鲁木齐天文站在月球探测同波束干涉测量中的作用

首先简要介绍同波束干涉测量技术,随后叙述中国科学院国家天文台乌鲁木齐天文站在2008年成功完成了约200 h日本月球卫星SELENE同波束较差甚长基线干涉测量,并阐述乌站在此次VLBI中的作用。给出利用SELENE的观测数据,分析、解算出乌站25 m天线与日本VERA网相关台站基线Rstar、Vstar的S1、S2、S3、X频段的较差相关相位、较差相关相位残差,以及对各频段的较差相关相位、较差相关相位残差比对,最后获得较差相位时延。结果显示,同波束甚长基线干涉测量比传统VLBI观测得到的群时延精度提高了1～2个量级。     

基于傅里叶变换色散条纹法的实验研究

光干涉要求实现各光路共相位叠加,对于宽波带的白光干涉要求更加苛刻。因此,要实现稳定的白光光干涉需要对光程进行实时探测和控制。对基于傅里叶变换的色散条纹法进行了理论推导、算法设计,并利用实验室建立的Fizeau型干涉实验装置开展开环、闭环实验研究。在开环实验中,采集不同光程差的多幅色散条纹图像研究了图像频谱次峰偏移量和光程差的关系,结果显示,偏移量与光程差之间呈现良好的线性关系。在闭环实验中,利用光程差的实时计算结果和光程补偿机构对光程差进行闭环控制,结果显示,在外加扰动的情况下,系统能够始终保持在初始的干涉状态。     

利用DiFX处理CVN天文观测数据进展

相关处理机是VLBI观测数据处理的核心单元,相关处理机的输出结果可以直接作为天文成图、测地学以及航天器干涉测量等应用的输入。DiFX是运行在分布式计算、共享存储单元的集群环境下最成功的软件相关处理机之一。首先介绍上海天文台DiFX综合平台的现状;然后介绍利用DiFX相关处理机处理中国VLBI网(CVN)天文观测数据的进展:最后简短展望了DiFX平台为CVN及国际VLBI天文观测提供相关处理服务的前景。可为利用该平台的相关处理结果开展科学研究提供参考。