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。     

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.     

候选射电脉冲星的预测

对已知脉冲星大样本的统计和分析表明,绝大多数脉冲星的线偏振大于１０％,谱指数低于－１,比较了脉冲星和射电类星体及致密陡谱源的频谱和偏振特性的差别,以高线偏振,高谐系数,高银纬及在低频下较低流量等作为射电脉冲星候选的判据,从新近释放的ＶＬＡ巡天和ＷＳＲＴ巡天结果中挑选出一个较粗的候选脉冲星样本。进一步考虑近期在部分天区中已作过高灵敏度的脉冲星巡天,所有落入这些天区内的候选源也都从本样本中排出,以候     

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.     

候选射电脉冲星的预测

对已知脉冲星大样本的统计和分析表明,绝大多数脉冲星的线偏振大于１０％,谱指数低于－１．比较了脉冲星和射电类星体及致密陡谱源的频谱和偏振特性的差别,以高线偏振、高谱指数、高银纬及在低频下较低流量等作为射电脉冲星候选者的判据,从新近释放的ＶＬＡ巡天和ＷＳＲＴ巡天结果中挑选出一个较粗的候选脉冲星样本．进一步考虑近期在部分天区中已作过高灵敏度的脉冲星巡天,所有落入这些天区内的候选源也都从本样本中排出．以候选源偏振度大小为序,给出了一个共４７颗候选源的子样本．     

射电脉冲星的逆康普顿散射（ICS）模型和偏振观测

近来我们在射电脉冲星的逆康普顿散射模型,致密星物理以及一些相关问题上做了下列几项工作：１） 对脉冲星物理中的一系列基本理论进行了较深入的研究,包括对裸奇异星比中子星更可能是射电脉冲星之起源的观点的论证。２） 进一步发展了射电脉冲星的逆康普顿散射（ＩＣＳ） 模型并完成了一系列相关工作。３） 进行了脉冲星的偏振分析和有关观测工作,并用其结果对银河系磁场和旋臂结构进行了分析。４） 研究了黑洞脉冲星双星系统的一些特性,为黑洞的搜寻工作作了初步准备。     

射电脉冲星搜寻工作的进展

评述了射电脉冲星搜寻及观测研究的巨大贡献和重要意义，分析了影响脉冲星搜寻工作的几个关键因素（如灵敏度，色散，观测频率及设备等），着重介绍和分析了自发现脉冲星（特别是发现第一颗秒脉冲星）以来所进行的卓有成效的脉冲星搜寻工作（包括脉冲星的早期寻，毫秒脉冲星的初期搜寻，高银续脉冲星搜寻，定向搜寻以及进一步的广域深空搜寻等）的情况，结果，意义和进展。     

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.     

银河系球状星团射电脉冲星的统计研究

球状星团是银河系中最古老的天体系统之一,其恒星密度极端高的核心有利于创造双星之间进行物质交换的环境,从而形成毫秒脉冲星双星、掩食脉冲双星、主序-毫秒脉冲双星、高轨道偏心率双星等双星系统,通过对这些系统进行研究有助于进一步认识球状星团的动力学、双星系统的演化和星际介质等相关问题。自30年前在球状星团中发现第一颗射电脉冲星至今,随着较高灵敏度射电望远镜的不断建成和使用,以及数据数字化处理能力的提高,天文学家在球状星团射电脉冲星的观测和理论研究方面取得很大进展。收集并分析了最新的球状星团脉冲星的数据,研究了球状星团射电脉冲星的自转周期和轨道周期的基本性质,讨论了球状星团脉冲星的搜寻,最后统计分析了双星系统,包括不同伴星类型的脉冲星的分布以及掩食双星系统的性质。     

特殊类型脉冲星的研究进展

脉冲星是演化末期的大质量恒星经过核坍缩形成的产物,它们在天体物理学、粒子物理学和卫星导航等方面具有重要的应用。自脉冲星发现50年来,其观测和理论研究取得了巨大进展。脉冲星主要在射电波段被探测到,部分脉冲星也有X射线和γ射线等波段的辐射,它们的信息非常丰富。根据其不同的观测特征可以把脉冲星分为多种类型。主要对射电、X射线以及γ射线波段的特殊类型脉冲星,包括旋转射电暂现源、间歇脉冲星、态转换X射线脉冲星、磁星、暗X射线孤立中子星、中心致密天体以及γ射线脉冲星的基本性质及其研究进展进行综述。     

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。     

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...     

低能损率射电脉冲星辐射研究

脉冲星辐射理论认为,当中子星旋转磁场产生的感应电场及电压降低,以致不能产生足够多的正负电子对时,其射电辐射将消失,即"死亡".统计分析了34颗"死亡线"以下源,即低能损率射电脉冲星的空间分布及自转周期等物理性质.首先,这类脉冲星都是场星,与特殊种类脉冲星和高能辐射脉冲星没有明显的相关性;其次,这类脉冲星大多分布在低银纬和距离太阳系较近的区域;再次,这类脉冲星具有较大的特征年龄和较长的自旋周期;最后,这类脉冲星1400 MHz射电光度L1400和自转能损率˙E弱相关.低能损率射电脉冲星可能是由于星体通过辐射损失能量,导致自转减慢,自转能损率降低至"死亡线"以下.建议对于低能损率射电脉冲星的搜寻,应针对银河系场中年老的、长周期的射电源,而无需针对特殊种类的脉冲星,也无需针对特殊的空间位置.目前我国正在运行的500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)具有较高的灵敏度,有望观测到更多低能损率射电脉冲星.     

大规模脉冲星候选体信号的无监督聚类分析研究

随着500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)等大型射电望远镜的建设和使用,脉冲星巡天数据进入PB时代.为解决如此大量高速采样的标量数据挖掘问题,促进新天文现象的发现,提出一种基于无监督聚类的脉冲星候选体筛选方案.该方案采用基于密度层次、划分方法的混合聚类算法,结合MapReduce/Spark并行计算模型和基于滑动窗口的分组策略,进而提高大量候选体信号筛选的效率.通过在脉冲星数据集HTRU2 (High Time Resolution Universe)上的对比实验,结果表明该算法能取得较高的精确度和召回率,分别是0.946和0.905,并且当并行节点足够时,该算法的时间复杂度相比串行执行明显下降.可见,该方法为脉冲星观测大数据的分析挖掘提供一种可行思路.     

引力波引起的脉冲星计时残差模拟与分析

为了能将引力波引起的脉冲星计时残差从总的脉冲星计时残差中分离出来,我们介绍了3种形式的引力波(单一持续的引力波、单一瞬时的引力波和随机引力波背景)及其对脉冲星计时残差的影响,并利用脉冲星计时处理软件Tempo2进行了模拟,对模拟得到的这三种引力波源引起的脉冲星计时残差进行了分析比较。该工作在脉冲星时间尺度的建立及其应用方面具有参考意义。     

基于ROACH2的脉冲星终端研制进展

脉冲星观测研究一直是新疆天文台的主要研究方向,未来建设的新疆110 m口径全可动射电望远镜(简称QTT)也将其作为主要研究方向之一。南山25 m射电望远镜当前使用的脉冲星单脉冲观测终端AFB已使用近20年,系统老化严重,为升级现有单脉冲观测系统,也为QTT的终端设计做预研,基于ROACH2研制了一套脉冲星观测系统。该系统采用氢钟与GPS时间同步以提供秒起始信号,对采样时钟计数并打入数据帧以获取精准时间间隔,两者合成即可获得精确时间信息;采用共享内存缓冲区,使数据在多进程间共享实现并行实时处理。该系统可用于脉冲星单脉冲或到达时间观测,也可用于脉冲星、RRAT或FRB等搜寻。已在南山进行单脉冲、长时间折叠、FRB实时搜寻等观测试验,试验数据表明该终端准确、稳定、可靠,已达到投入观测使用的要求。     

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.     

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。     

脉冲星的一种分类方法及辐射部位的统计研究

本文对83颗脉冲星进行了分类统计研究。主要结果如下: 1.采用转动能损失率与射电光度的比值作为分类参数可以较好地反映不同类型脉冲星的物理特性和演化方式。 2.由于各类脉冲星的射电光度和光速圆柱附近的磁能之间都有着相关系数较高的回归关系,而射电光度和表面磁能之间却不相关,由此推论脉冲星辐射部位很可能在光速圆柱附近。 3.在周期变率户和周期P的关系图上,光速圆柱附近的“缠绕”磁能PP-4的某一临界值可作为射电辐射的截止线,它比Lyne等提出的光速圆柱处的磁能户PP~(-5)作为射电辐射截止线更接近观测事实。