基于卷积神经网络的快速射电暴候选体分类

针对目前从海量的快速射电暴(Fast Radio Burst, FRB)候选体中人工筛选FRB事件难以为继的现状,提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)的FRB候选体分类方法.首先,通过真实的观测数据和仿真FRB组成训练和测试样本集.其次,建立了二输入的深度卷积神经网络模型,并对其进行训练、测试和优化,获取FRB候选体分类器.最后,利用来自脉冲星的单脉冲数据对该分类器的有效性和性能进行了验证.实验结果表明,该方法可以快速从大量候选体中准确识别出单脉冲事件,极大地提高了FRB候选体的处理速率和效率.     

基于深层残差网络的脉冲星候选体分类方法研究

随着下一代射电天文望远镜的不断改进和发展,脉冲星巡天观测将发现数百万个脉冲星候选体,这给脉冲星的识别和新脉冲星的发现带来了巨大挑战,迅速发展的人工智能技术可用于脉冲星识别.使用Parkes望远镜的脉冲星数据集(The High Time Resolution Universe Survey,HTRUS),设计了一个14层深的残差网络(Residual Network,ResNet)进行脉冲星候选体分类.在HTRUS数据样本中,存在非脉冲星候选体(负样本)的数目远远大于脉冲星候选体(正样本)数目的样本非均衡问题,容易产生模型误判.通过使用过采样技术对训练集中的正样本进行数据增强,并调整正负样本的比例,解决了正负样本非均衡问题.训练过程中,使用5折交叉验证来调节超参数,最终构建出模型.测试结果表明,该模型能够取得较高的精确度(Precision)和召回率(Recall),分别为98%和100%,F1分数(F1-score)能够达到99%,每个样本检测完成只需要7 ms,为未来脉冲星大数据分析提供了一个可行的办法.     

脉冲星数据比对分析和可视化系统设计与实现

脉冲星数据比对分析和可视化系统(PSRDB,URL:http://www.psrdb.net/),由FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope)早期科学数据中心团队为快速开展脉冲星候选体比对分析和数据管理研发.通过前端数据提交页面,接收和维护来自FAST及其他研究机构的候选体数据.目前,PSRDB已收录自1967年人类发现第1颗脉冲星以来所有公开文献发表的2811颗脉冲星样本,并采集了当前主要巡天项目尚未正式发表的源和候选体,如FAST多科学目标同时扫描巡天(CRAFTS)候选体数据.基于入库基础数据,利用位置、周期、色散等参数进行比对分析,辅助科研工作者在线检索匹配已知星表数据,最后将检索匹配、比对分析结果生成图表供进一步分析.目前,PSRDB已被应用于FAST脉冲星搜寻和候选体数据管理.未来,PSRDB可在新源认证、后随观测、观测计划制定和原始数据处理流程设计等方面提供数据和工具支撑.     

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。     

基于图像相减和随机森林的AST3巡天暂现源及变源搜寻方法

AST3-2 (Antarctic Survey Telescopes)光学巡天望远镜位于南极大陆最高点冰穹A,其产生的大量观测数据对数据处理的效率提出了较高要求.同时南极通信不便,数据回传有诸多困难,有必要在南极本地实现自动处理AST3-2观测数据,进行变源和暂现源观测的数据处理,但是受到低功耗计算机的限制,数据的快速自动处理的实现存在诸多困难.将已有的图像相减方案同机器学习算法相结合,并利用AST3-2 2016年观测数据作为测试样本,发展一套的暂现源及变源的筛选方法成为可行的选择.该筛选方法使用图像相减法初步筛选出可能的变源,再用主成分分析法抽取候选源的特征,并选择随机森林作为机器学习分类器,在测试中对正样本的召回率达到了97%,验证了这种方法的可行性,并最终在2016年观测数据中探测出一批变星候选体.     

基于机器学习的单脉冲搜索候选体识别对FAST观测CRAFTS数据的应用研究

单脉冲搜索作为脉冲星探测的有力工具,在探测旋转射电暂现源以及快速射电暴中扮演着重要角色。为了从海量的射电巡天数据中快速筛选出最有价值的单脉冲搜索候选体,候选体识别已经从早期启发式阈值判断发展到基于机器学习自动识别。对于FAST观测,研究了基于机器学习的单脉冲搜索候选体识别应用到CRAFTS (the commensal radio astronomy FAST survey)超宽带脉冲星数据的性能表现。在评估过程中,使用单脉冲事件组识别(SPEGID)和单脉冲搜索器(SPS)两类自动识别方法,通过7种不同机器学习分类器对CRAFTS基准数据集产生的单脉冲搜索候选体进行自动识别;作为对比,也使用了启发式阈值判断的方法 (RRATtrap和Clusterrank)。结果表明,SPEGID具有最好的性能表现(最高的F1-score值95.1%、次高的召回率95.4%、最低的假阳性率4.7%),SPS具有最快的筛选速度(平均每小时筛选4 010个候选体)。通过对比分析结果,探讨了如何基于FAST观测数据开展高效的单脉冲搜索候选体识别。     

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.     

无人值守GNSS方法测定射电望远镜参考点

为解决常规射电望远镜归心测量工作耗时耗力的问题,引入GNSS (Global Navigation Satellite System)同步监测技术实现了一种针对射电望远镜参考点的无人值守监测方法.设计了针对GNSS靶标点观测数据的归算方法,包括数据匹配、数据检核以及后续精度评估等步骤,并对2018年佘山25-m射电VLBI (Very Long Baseline Interferometry)望远镜的GNSS靶标点实测数据开展了数据预处理、解析与归心解算等,证明了该方法的可行性.结果表明基于该方法,采用单日内部分(5%)数据(约7600个靶标点),所测定的VLBI望远镜参考点的点位形式精度可达3 mm.总结了针对射电望远镜采用GNSS开展无人值守归心测量先行试验中的一些经验教训,明确了利用该方法测量过程中应该注意的问题,为今后更高精度射电望远镜参考点无人值守归心监测提供重要参考.     

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.     

基于双谱滤波的综合脉冲星时算法研究

毫秒脉冲星的自转频率非常稳定,提供了一种独立的基于遥远自然天体并能持续数百万乃至数十亿年的时间基准,具有稳定性强、运行时间长、服务范围广等特点.为了减弱毫秒脉冲星计时观测中各种高斯噪声对脉冲星时的影响,研究了一种基于双谱滤波的综合脉冲星时构建算法,处理分析了国际脉冲星计时阵(International Pul-sar Timing Array,IPTA)最新发布的4颗毫秒脉冲星(PSR J0437-4715、J0613-0200、J1713+0747和J1909-3744)的观测数据,分析了不同时间尺度综合脉冲星时的稳定性,并与构成国际原子时(International Atomic Time,TAI)的4家授时单位原子钟稳定性进行了比较.结果表明:双谱滤波算法能够较好地抑制观测噪声,提高综合脉冲星时的稳定性.相比于经典加权算法,综合脉冲星时1 yr、10 yr稳定度从7.77×10^-14、8.56×10^-16分别提高到1.50×10^-14、3.50×10^-16,单脉冲星时稳定性的提升也类似.同时发现,综合脉冲星时稳定性在5 yr及以上时间尺度上优于原子钟稳定性,可用于改善当前原子时的长期稳定性.     

Research on Pulsar Candidate Identification Method Based on Deep Residual Neural Network

As the next-generation radio astronomical telescopes continuously improve and develop, the pulsar survey will produce millions of pulsar candidates, which pose considerable challenges for pulsar identification and classification. The rapidly evolving artificial intelligence (AI) techniques are being used for pulsar identification and discovery of new pulsars. Using the pulsar data set observed with the Parkes telescope, namely the High Time Resolution Universe Survey (HTRUS), a 14-layer deep residual network has been designed (called the Residual Network, ResNet) for pulsar candidate classifications. In the HTRUS sample data, the number of non-pulsar candidates (i.e., negative samples) is much larger than that of pulsar candidates (i.e., positive samples). The imbalance between the positive and negative samples is prone to result in model misjudgement. By using the over-sampling technique to enhance the data of positive samples in the training set and adjusting the ratio of positive and negative samples, we have solved this imbalance problem. In the training process, the hyperparameters are adjusted by means of 5-fold cross validation to build the model. The test results indicate that the model can achieve a high precision (98%) and recall (100%), the F1-score can reach 99%, and that the implementation of each sample test needs only 7 ms, it has provided a feasible approach for the future big-data analysis of pulsars.     

An interference removal technique for radio pulsar searches

Searches for radio pulsars are becoming increasingly difficult because of a rise in impulsive man-made terrestrial radio-frequency interference. Here, we present a new technique, zero dispersion measure filtering, which can significantly reduce the effects of such signals in pulsar search data. The technique has already been applied to a small portion of the data from the Parkes multi-beam pulsar survey, resulting in the discovery of four new pulsars, so illustrating its efficacy.     

Red supergiants in the LMC — II. Spectrophotometry and model atmospheres

We have analysed polarization data for a large number of isolated pulsars to investigate the evolution of pulsar radio beams. Assuming that a circular beam is directed along the axis of a dipolar magnetic field, we demonstrate that the distribution of magnetic inclination angles for the parent population of all pulsars is not flat but highly concentrated towards small inclination angles and that, consequently, the average beaming fraction is only ∼ 10 per cent. Furthermore, we find that there is a tendency for the beam axis to align with the rotational axis on a time-scale of ∼ 10⁷ yr. This has interesting consequences for statistical studies of the pulsar population. Finally, the luminosity of pulsars is shown to be independent of the impact parameter, which indicates that pulsar beams are sharp-edged and have a relatively flat integrated intensity distribution.     

A baseband recorder for radio pulsar observations

Digital signal recorders are becoming widely used in several subfields of centimetre-wavelength radio astronomy. We review the benefits and design considerations of such systems and describe the Princeton Mark IV instrument, an implementation designed for coherent-dedispersion pulsar observations. Features of this instrument include corrections for the distortions caused by coarse quantization of the incoming signal, as well as algorithms that effectively excise both narrow-band and broad-band radio frequency interference. Observations at 430 MHz, using the Mark IV system in parallel with a system using a 250-kHz filter bank and incoherent dedispersion, demonstrated timing precision improvement by a factor of 3 or better for typical millisecond pulsars.     

High time-resolution spectroscopic imaging using intensified CCD detectors

The micro‐channel plate intensified CCD photon counting detector developed at University College London has been upgraded to allow time-resolved spectroscopic optical data to be acquired on periodical sources such as pulsars. First observing trials have been carried out, acquiring spectroscopic data on the Crab pulsar. The detector was phase locked to the pulsar period and a temporal resolution of 41.4 μs employed. The phase locking allowed the coaddition of time slices over a large number of pulsar periods to build up quantifiable spectroscopic data when observing in a flux-limited regime.