嫦娥四号低频射电频谱仪2C数据对宇宙黑暗时代的探测能力分析

嫦娥四号着陆器搭载的低频射电频谱仪(Low Frequency Radio Spectrometer, LFRS)已成功开展观测,每月把观测数据传回地面,并且把经过一定预处理后的2C级别的频谱数据释放给科学团队。旨在评估该级别数据是否满足探测宇宙黑暗时代21 cm整体谱的要求,对生成的2C级别数据进行了长时间积分,并模拟仿真银河系前景射电辐射。通过对两套数据进行对比分析发现,2C数据减弱40～50 dB,几乎不包含银河系前景的远场辐射信号,这种大幅度的减弱进而影响了该载荷对宇宙黑暗时代的探测能力。     

极低频射电天文观测现状与未来发展

极低频(40 MHz)是现代天文观测一个十分重要的频段,通过极低频探测可以开展太阳爆发、恒星形成、星系演化、宇宙早期状态等重要研究。但是对于频率低于10~20MHz的信号而言,由于地球电离层的反射或严重失真影响,以及地球上存在低频无线电干扰源,无法对该频率范围内的信号进行探测研究。月亮背面是开展低频射电观测的一个独特的平台,相比于地球来说是一个得天独厚的理想环境。对具有代表性的极低频射电望远镜进行了调研,就极低频天文观测的科学意义、发展现状和相关技术做一个回顾性总结。在可预见的未来几年,我国嫦娥4号搭载的极低频射电频谱仪将是世界上最重要的低频观测设备之一,本文也对该设备进行了初步介绍。     

基于CLEAN算法的嫦娥四号低频射电频谱仪信号干扰抑制

嫦娥四号低频射电频谱仪(Low Frequency Radio Spectrometer,LFRS)放置在月球背面,观测条件得天独厚.然而,嫦娥四号平台存在约10-15 W/(m2·Hz)的强干扰,并且干扰在每道时域数据中存在明显差异,大大削弱了低频射电频谱仪的观测灵敏度.为此,从两组信号的相关性出发,提出基于CLEA...     

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。     

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。     

2003年10月26日至11月3日CME事件的射电初步分析

基于我国的太阳射电宽带频谱仪(0．625～7．600GHz)在2003年10月22日～11月3日观测到8个伴生日冕物质抛射(CME)的太阳射电爆发,结合Nobeyama Radio Polarimeter(NORP)的单频观测、Nobeyama Radioheliograph (NORH)、Siberian Solar Radio Telescope(SSRT)的成像观测以及Culgoora和WAVE／WIND的低频射电频谱观测,对8个射电爆发的射电辐射特征进行了初步分析．试图从中寻找与CME伴生的射电爆发的特征。     

太阳耀斑中的射电漂移结构

结合紫金山天文台的太阳射电观测资料,对太阳耀斑中的射电漂移结构进行研究。过去的观测发现,漂移结构太阳耀斑产生的射电爆发伴随一种特殊的结构。观测特征是其中的细结构是由许多小脉冲组成,但整体随时间漂移。过去观测到的这种结构是向低频漂移。观测上他们与太阳耀斑中的等离子团抛射相对应。2003年3月18日,紫金山天文台射电频谱仪观测到的漂移结构是漂向高频。     

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。     

基于多相滤波器的宽带射电频谱仪设计

提出了一种基于多相滤波器的新型宽带射电频谱仪的设计方案。通过多相滤波器实现宽带射电信号的滤波,对滤波后的基带信号进行数字功率检波,再通过积分控制,最终得到射电信号的频谱强度。仿真分析表明,这一设计具有很好的效果,通过多相滤波器,使信号的速率大为降低,克服了传统频谱仪以及采用FFT实现频谱变换方法的缺点,可以实现对超宽带射电信号的实时频谱分析。     

奇台低频射电阵列在18～50 MHz首次探测到Ⅱ型射电暴

Ⅱ型射电暴是日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections, CME)的最佳示踪器,当日冕物质抛射的速度超过本地阿尔芬速度时,会产生日冕激波或行星际激波,并对地球的磁层产生十分剧烈的影响,在射电波段观测到Ⅱ型射电暴也就意味着观测到了日冕激波,预测激波到达地球的时间,是空间天气预报的重要内容之一。2021年9月28日06:20 UT左右,奇台低频射电阵列(Qitai Low-Frequency Radio Array, Qitai LFRA)首次探测到一次Ⅱ型射电暴爆发事件,频率覆盖范围为18～50 MHz,持续时间10多分钟。由于在极低频(<40 MHz)频段还没有进行过具有有效空间分辨率的观测,未来在这个频段发现未知现象的可能性极大。观测结果表明,奇台低频射电阵列性能良好(增益典型值6 dBi)、灵敏度高(-78 dBm/125 kHz,动态范围72 dB),可以在25周太阳活动峰年发挥独特作用。     

月基低频天线技术研究

月基低频天线是近年来射电天文技术领域的研究热点之一。由于地球电离层的屏蔽,频率在30 MHz以下的电波在地面上难以有效观测。月球表面尤其是月球背面被证实是进行低频射电天文观测的绝佳地点。通过对国内外月基低频天线研究现状的调研,阐述了月基低频天线相较地基低频天线在低频射电观测上的优势,介绍了月基低频天线国内外研究的现状,详细论述了国家天文台月球与深空探测重点实验室的交叉偶极子阵列天线设计方案。利用电磁仿真软件HFSS对该阵列天线进行了建模和仿真,给出了仿真结果。仿真结果表明,交叉偶极子阵列天线具有较高的增益,方向性较好,具有分辨来波方向的能力。最后介绍了月基低频天线的关键技术,为了满足航天器有效载荷小型化、轻量化、可折叠的设计要求,给出了交叉偶极子阵列天线单元的一种卷尺型设计方式。     

1998年4月15日微波爆发观测

北京天文台１ ．０２ ．０ＧＨｚ 太阳射电频谱仪从１９９４ 年开始观测至１９９８ 年９ 月记录到太阳射电爆发１７１ 个,２ ．６３ ．８ＧＨｚ 太阳射电频谱仪１９９６ 年９ 月投入观测至１９９８ 年９ 月,记录到１４６ 个太阳射电爆发。１９９８ 年４ 月１５ 日太阳射电爆发同时在这两台频谱仪上记录到。这个事件在时间和频率上显示了丰富的幅度和结构的变化。发现了微波Ⅲ型爆发对群,并存在着丰富的快速活动现象。取得了高时间分辨率、高质量的动态谱资料,为研究耀斑各种尺度的时间及空间演化过程提供了丰富的信息。     

利用P_bM_0O_4(钼酸铅)声光器件进行太阳米波射电频谱观测

一九七九年八月间,中科院上海硅酸盐研究所二室与云南天文台射电室合作在昆明进行了国内首次声光型射电频谱仪实验。实验旨在探索利用国产声光器件进行太阳射电动态频谱观测的性能、为建立太阳射电频谱观测准备条件。并为进一步发展星际谱线观测手段摸索经验。 本文详细地叙述了实验的构思,进行情况及一些初步的结果分析。讨论了存在的问题及解决的意见。     

紫金山天文台太阳射电频谱仪定标

定标是射电天文观测中基础而重要的工作.定标工作可以得到太阳观测中的一个重要物理量:太阳射电辐射流量,可以扣除射电频谱仪的通道不均匀性,清晰显示射电频谱特征.结合紫金山天文台射电频谱仪的观测数据,详细介绍了定标的基本方法,分析了定标常数的变化情况,最后给出了定标结果,并与野边山射电偏振计以及RHESSI(The Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager)卫星硬X射线波段的几个太阳耀斑的观测结果进行了比较,结果符合耀斑的光变特征.其中对一个耀斑脉冲相硬X射线流量和微波光变的相关性的分析表明这些观测可以用来研究有关的辐射机制以及相应的能量释放和粒子加速过程.     

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.     

日冕电子加速的诊断—多频射电高时间分辨率观测结果

一个太阳耀斑约含数千个微耀斑［１］，每个微耀斑以热的，低频波和加速粒子的形式释放能量。耀斑期间大部分能量的释放是通过电子加速转移的结果，然而电子加速是在耀斑前相开始，并在整个耀斑持续期间继续保持。在耀斑发展的不同相期间伴有各种各样的射电辐射现象（及其它波段共生现象），多波段射电观测和比较可以给出有关电子加速过程和耀斑自身发展的重要信息，尤其可检测加速开始的时间和频率部位（目前仍为太阳物理的前沿）。微耀斑能量的瞬时释放可能是引起不同类型快速精细结构的原因，射电毫秒级尖峰辐射是起因于连续能量释放的证据，其辐射源位于或靠近能量释放区［２］，公认射电辐射的快速结构是日冕电子束的特征信号［３，４］，所以今后使用高时间和高频率分辨率的宽带频谱仪同时观测可详细地探测加速过程，从而对预耀斑的加热和初始能量释放，耀斑的逐步建立和演化都具有重要意义。本文介绍几个典型事件，包括射电尖峰脉冲辐射，类尖峰辐射和短时标漂移结构     

米波太阳射电频谱仪的科学目标和技术方案

介绍了70～700MHz低频太阳射电频谱仪的科学目标和技术方案,给出了11m 网状抛物面天线、接收系统、数字频谱终端的技术指标.并对系统的整机噪声系数、灵敏度、最小可测流量密度、LNA输入端的噪声功率进行了估计.系统频谱分辨率优于0.2MHz,时间分辨率最高可达2 ms.     

低频射电天线数字终端的设计与实现

自天文观测进入全波段观测时代以来,全波段中的低频射电信号是新的重要观测波段以及研究窗口。鉴于此波段的信息对于研究太阳以及行星的射电爆发具有重要意义,并且人类对此频段的研究几乎处于空白状态,现在欧美一些国家以及我国都已经适时地开启了相关研究。目前中国科学院云南天文台已经开启了此项目的建设,现已有4台低频射电天线可以测试使用。其低频射电天线阵可以和云南天文台已有的10 m太阳射电望远镜以及11 m太阳射电望远镜配合使用,用于更精确地观测太阳或者其他行星的射电信息。设计首先由A/D板卡接收来自低频射电天线的低频天文信号,接着A/D板卡把转换的数字信号以差分信号的形式传至现场可编程门阵列板卡;现场可编程门阵列对数据整合处理,通过异步先入先出队列(First Input First Output,FIFO)跨时钟域的形式把数据通过千兆以太网以UDP协议的形式传至PC端;然后PC端设计的软件对传输来的数据做加窗和快速傅里叶变换处理并显示。     

边带分离型超导SIS接收机本振耦合噪声研究

超导SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor)接收机因极低的接收机噪声温度成为毫米波和亚毫米波段射电天文观测的首选.本振系统耦合噪声也是接收机噪声的一部分,在多年的天文观测中,发现本振耦合噪声无法完全忽略,对天文观测的灵敏度有一定影响.采用两个不同种类的信号发生器作为本振系统初级信号源,测试了超导SIS接收机的噪声温度,发现信号发生器输出的基底噪声能够耦合到接收机内部,从而增加接收机噪声强度.分析研究了本振系统热噪声和信号发生器基底噪声对接收机噪声的影响.通过在信号发生器输入端加入窄带滤波器滤除其基底噪声,消除了信号发生器基底噪声引入的接收机噪声,降低了接收机的整体噪声,提高了望远镜的灵敏度.     

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.