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.     

带自定标的自动电磁环境频谱监测系统

脉冲星是一类自转极为稳定、辐射电磁脉冲的中子星。脉冲星研究的3个前沿领域使得与其相关的射电天文观测需要更多更宽的无线电频段。来自深空微弱的射电信号及射电望远镜的高灵敏度等特点,又使射电观测易受到来自人类活动产生的电磁干扰的影响,甚至有时对射电观测带来致命影响,因此射电观测需要选择电磁环境优异的地方建站。利用宽带噪声源、50Ω匹配负载、高低频天线组成具有三重定标校准的监测系统。系统处于哀牢山生态站进行不同频段(100 MHz~18 GHz)、多方位角、两个极化角、不同气候环境下的观测。阐述了对观测数据进行统计分析及处理的方式。系统可以广泛用于野外电磁环境监测及射电望远镜选址等领域。     

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.     

旋转射电暂现源研究进展

旋转射电暂现源是McLauglin等人在2006年采用单脉冲搜寻技术,对Parkes射电望远镜多波束脉冲星巡天数据的处理过程中发现的一类特殊天体。该类天体在绝大多数时间都处于射电宁静状态,偶尔发射特征宽度为毫秒量级的脉冲信号。对其进行长期脉冲到达时间观测发现,其具有类似于脉冲星到达时间特性,但目前还不清楚该天体和脉冲星之间的具体关系。综述了近10年来射电以及其他波段的观测研究和理论模型方面的进展。在射电观测方面,主要介绍观测认证技术(包括零色散滤波、DM搜寻、阈值设定、匹配滤波和效果图检验等)、到达时间以及偏振方面的观测研究进展;在其他波段方面,主要介绍X射线、光学以及近红外波段的观测研究进展。在相关理论模型方面,主要介绍远距离的脉冲星模型,物质与脉冲星磁层相互作用模型以及脉冲星磁层辐射带模型等研究进展。最后将对射电暂现源观测研究进行总结与展望。     

脉冲星VLBI观测软件相关处理进展

VLBI是进行高分辨率脉冲星观测研究的重要手段.脉冲星信号是非常微弱的脉冲序列,其VLBI观测面临多种挑战.在数据相关过程中采用有效技术提取脉冲星信号可提高观测成功率和精度.DiFX(Distributed FX-style Software Correlator)是目前国际上流行的开源软件相关处理机,它采用非相干消色散技术和“脉冲星数据分箱技术”(Pulsar Binning),在脉冲星VLBI观测数据的相关处理方面具有优异的性能.介绍了DiFX的构架,安装、调试方法,并对利用DiFX处理脉冲星VLBI观测数据的进展情况进行论述.利用单机环境下的DiFX,在普通模式和Pulsar Binning模式下对中国VLBI网(CVN)第一次脉冲星观测数据进行相关处理;利用德国马普射电天文研究所集群计算环境下的Bonn-DiFX,在Pulsar Binning模式下对流量仅有2.6 mJy的毫秒脉冲星PSRJ1022+1001的欧洲VLBI网(EVN)观测数据成功进行相关处理.最后,对使用DiFX处理脉冲星观测数据情况进行总结,并展望了今后CVN开展脉冲星观测研究的前景.     

基于自适应滤波的干扰消除方法研究

射电天文信号非常微弱,电磁环境对射电望远镜观测至关重要,通常可以利用地形、建立无线电宁静区、进行电磁屏蔽与防护等手段来减小电磁干扰.然而,仍有一些干扰难以屏蔽.故提出了一种基于自适应滤波的干扰消除方法,可用于复杂噪声环境中天文信号的提取.该方法借助自适应横向滤波器,采用最小均方(Least Mean Square, LMS)误差算法,以系统误差和收敛性为评判标准,通过改变步长与阶数对滤波效果进行优化,仿真结果显示该滤波器能在保证算法收敛的前提下有效提取信号.为了检验该算法的有效性,选取了新疆天文台南山26 m射电望远镜和Parkes 64 m射电望远镜记录的观测数据,采用设计的滤波器分别对不同的实测数据进行测试,验证了该滤波器的有效性.理论分析与实验结果一致表明该方法能有效消除天文观测中的干扰信号,具有一定的实用性.     

脉冲星观测技术

脉冲星的发现和研究取决于射电天文技术的发展。除了两颗脉冲星以外,目前已知的１０００颗脉冲星都是用射电望远镜发现的。９５％以上的脉冲星只观测到射电波段的脉冲辐射。可以说,没有射电天文技术就没有今天的蓬勃发展的脉冲星研究。图１美国阿雷西博直径３０５米球面...     

精确时延补偿的自适应旁瓣相消射电抗干扰方法研究

导航信号作为射电干扰信号影响L波段射电观测时,与雷达、通信领域的干扰不同,其功率通常小于噪声功率,使得利用干扰信号相关性的传统抗干扰方法效果不佳,且缺乏有效的评价指标。针对以上问题,依据射电信号处理流程构建了射电抗干扰系统框架,并从射电观测数据应用出发,给出了干扰抑制度和信号损失度两个指标。同时提出在精确补偿时延后利用抑制干扰子空间噪声分量的自适应旁瓣相消方法来消除导航信号的影响;仿真结果表明,本方法能有效抑制导航信号对射电观测的影响,且性能优于传统基于特征子空间的自适应旁瓣相消方法。     

射电频率干扰的消减

一直以来,射电天文装备不断得到升级和发展,以使其具有更好的观测性能,包括提高数据记录的时间和频率分辨率以及获得更高的接收和记录带宽等.然而与之形成矛盾的是:国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)仅为射电天文分配了非常有限的频谱资源,导致的后果是射电观测设备不可避免地受到日益增强的非天文信号的影响,后者的来源主要是人类的通信活动和日常生活,这就构成了通常射电天文中所说的射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI).射频干扰会降低数据质量甚至导致数据无效,对科学结果的影响越来越严重.对RFI消减的需求进行分析,总结了RFI的特性、抑制和消减的技术和方案,并介绍了一些有代表性的射电望远镜(或阵列)中采用的RFI消减方法;还分析比较了4种常用方案,即预防、预检测、预相关和后相关的优势和不足.对RFI进行准确的识别和标记是减少数据损失从而有效提高数据质量的关键,也是发展RFI消减技术的最终目的.通过研究不难发现,上述4种方案的组合运用将具有更高的实用价值.近几年来,随着高速数字信号处理和高性能计算的迅速发展,依赖大量计算的实时模式下的预检测以及离线模式下从大型望远镜阵列所产生的大规模干涉相关数据中检测RFI已经成为可能.     

基于Matlab/Simulink的天线系统自适应滤波器的仿真实现

为了使天线系统接收和显示的信号更清晰,达到消除系统噪声和电磁干扰的目的,针对中国科学院新疆天文台南山观测基地对射电天文观测和深空探测(探月工程和火星探测)的特殊要求,利用Matlab/Simulink强大的数值计算与仿真功能实现了一种依据自适应方法滤除噪声的滤波器。首先选择脉冲星1910+0728和1913-0440的观测信号为滤波参考信号。在Matlab上通过编写M文件设计了滤波算法并有效滤除了噪声。然后运用Simulink进行建模仿真,通过不断改变系统阶数与步长找到了滤波效果最好的自适应滤波器,确定了其最优参数为8阶,迭代步长为0.005。实验表明在这种阶数和步长下,滤波器能在保证快速滤波的前提下有效地还原接收信号的轮廓,将偏差降到最小。仿真最终结果表明自适应滤波器滤波效果良好,实用性强,满足了射电天文观测和探月的需求。     

嫦娥四号低频射电频谱仪降低背景噪声方法的研究

嫦娥四号着陆器将搭载低频射电频谱仪在月球背面进行低频射电天文观测,低频射电频谱仪的观测波段为0.1～40 MHz。根据着陆器在中国空间技术研究院的微波暗室进行的电磁兼容性试验结果,着陆器平台在该频段内自身存在非常强的噪声,其强度甚至淹没大部分来自太阳爆发的信号,难以探测有效信号,实现预期的科学目标。通过模拟仿真分析谱减法、维纳滤波及自适应滤波3种方法对着陆器噪声消除的效果,从而选择更为有效的噪声消除方法,为低频射电频谱仪在轨探测任务的数据处理提供依据。     

人工智能在脉冲星候选体筛选中的应用

脉冲星搜寻是对脉冲星、引力波,以及对快速射电暴(Fast Radio Burst,简称FRB)等暂现源进行研究的基础。搜寻不仅可以扩大脉冲星样本,还可以发现极端性质的致密星。这有助于研究致密天体状态方程、星际介质、脉冲星导航、引力波探测等课题。目前,射电望远镜的单次巡天就可以产生百万数量级的脉冲星候选体。面对这些海量数据,仅仅依赖人工识别筛选,已不能满足数据的时效需求,更不能实现数据的实时处理。机器学习、计算机视觉应用等人工智能技术自诞生以来,其理论和技术已日益发展成熟,并已成功运用到脉冲星候选体筛选等射电天文研究领域。首先将介绍现有脉冲星搜寻的人工智能方法,再统计和分析已有脉冲星候选体筛选方法的性能,最后对FAST脉冲星候选体筛选工作进行展望。     

基于小波包阈值法的脉冲星信号去噪方法研究

小波变换去噪只对信号的低频部分进行分解和处理,忽略了信号的高频部分,无法对信号的整个频段进行有效的信息提取,进而影响脉冲星信号去噪的效果。提出利用小波包阈值法对脉冲信号进行分析,针对小波包分解后的系数选用不同的阈值函数处理。实验结果表明,脉冲星信号的去噪效果明显提高,其中,脉冲星信号的信噪比、峰值信噪比与平滑度指标都有相应的改善,为脉冲星信号去噪提供了一种新的思路。     

基于小波分析的脉冲星信号消噪处理

脉冲星信号是一种典型的非平稳信号,且信噪比非常小．目前对脉冲星信号的处理仅局限于对脉冲星信号不同周期的迭加．根据脉冲星信号的特点采用小波消噪的方法对其进行处理,并对小波的选取和分解层数的优化进行了研究．结果表明小波阈值消噪能够对脉冲星信号实现噪声剔除,达到既净化信号,又不丢失高频有用信息的目的．从而实现了迭加较少的信号周期就能够获得与较长时间迭加相似或更好的效果,可以大大提高脉冲星观测的轮廓精度．     

高速同步数据采集系统性能测试方法研究

在射电天文观测中,天文信号十分微弱,在大部分情况下可以看成是噪声功率的微小增加,需要长的积分时间才能从噪声中显现,因此在进行射电天文数据采集时对采集系统的性能具有较高的要求.针对射电天文数据的特点,从噪声特性、频率特性和同步特性3方面给出了系统性能的衡量指标,围绕这些指标,分别研究了其测试方法,最后以某个实际射电天文数据采集系统为测试平台,进行了指标的测试.测试结果验证了所提指标的有效性和指标测试方法的合理性.     

经验模态分解方法在脉冲星计时残差分析及预报中的应用

高精度脉冲星计时分析在脉冲星诸多应用领域中占重要地位,而多个未能消除的误差源的存在,限制了脉冲星计时精度的进一步提高.分析其观测特征,这种影响将导致脉冲星计时残差波动的多样性.利用从北美计时阵(NANOGrav)观测的4颗毫秒脉冲星数据,采用经验模态分解(EMD)方法对计时残差的波动特征进行了研究.通过分析发现:计时残差的振荡可用几个内在本征模态函数和一个剩余趋势揭示其多时间尺度的振荡结构和非平稳性.进一步比对脉冲星间多振荡结构对计时残差波动贡献的差异,发现经验模态分解非常有利于寻找脉冲星计时残差数据间的共性及个性.同时,采用自回归滑动平均模型进行残差预报,发现应用经验模态分解方法将残差序列分解后再预报,在短期预报时具有明显的优势.上述结果有利于拓展脉冲星计时残差在时域的分析.     

基于小波变换的脉冲星弱信号的去噪方法研究

利用小波变换去除噪声的基本原理和方法及消色散方法对毫秒脉冲星极弱信号进行了提取,并对噪声进行了最佳阈值选取实验研究,实现了脉冲星弱信号消色散积累后的检测和抑噪.并研究了软硬阈值估计子等不同阈值消噪技术,进而对PSR 0437-4715信号采用不同方法去噪后的结果进行了分析比较,认为在最大分解层数J=5时对脉冲星信号处理有普适意义.研究结果认为基于小波变换的消噪方法是一种提高信噪比、展示噪声和突变信号的优越方法.     

基于DBBC＋Mark5B记录系统的脉冲星观测

2009年11月,云南天文台射电天文研究团组采用40m射电望远镜以及基于DBBC（Digital Base Band Conveter）和Mark5B的VLBI记录系统对PSRJ08354510和PSRJ0332＋5434进行了观测。观测选用S波段右旋圆极化信号,起始频率为2206．99MHz,总带宽为32MHz。对数据进行相干消色散和平均后,得到PSRJ0332＋5434的单脉冲图像和两颗脉冲星的平均脉冲轮廓。由平均轮廓的展宽随时间的变化关系,对脉冲星的视周期作了一定修正后,得到信噪比更高的平均轮廓图。最后对轮廓的信噪比随时间的变化作了初步分析,由此可了解整个系统在观测时的稳定性。     

脉冲星观测研究的某些进展

近年来,对日益增加的脉冲星观测资料的分析和对毫秒脉冲星、射电和X射线脉冲双星的观测,对脉冲星的形成、演化和辐射机制等提出了越来越多的新问题。本文对这些新问题的观测依据进行了介绍。主要涉及下述几方面的问题:是否存在着在结构、形成和演化上均不相同的两类脉冲星?脉冲星是否有两种或两种以上的辐射机制在同时起作用?脉冲星射电辐射中的两种相互垂直的偏振模式,以及近年来在毫秒脉冲星、射电和X射线脉冲双星的观测中所发现的新现象等。     

基于DBBC+Mark 5B记录系统的脉冲星观测

2009年11月,云南天文台射电天文研究团组采用40 m射电望远镜以及基于DBBC(Digital Base Band Conveter)和Mark 5B的VLBI记录系统对PSR J0835-4510和PSRJ0332+5434进行了观测。观测选用S波段右旋圆极化信号,起始频率为2 206.99 MHz,总带宽为32 MHz。对数据进行相干消色散和平均后,得到PSR J0332+5434的单脉冲图像和两颗脉冲星的平均脉冲轮廓。由平均轮廓的展宽随时间的变化关系,对脉冲星的视周期作了一定修正后,得到信噪比更高的平均轮廓图。最后对轮廓的信噪比随时间的变化作了初步分析,由此可了解整个系统在观测时的稳定性。