射电天文终端电子设备辐射特性测试

针对新疆乌鲁木齐市南山25 m射电望远镜终端电磁屏蔽改造,以及新疆拟建的110 m射电望远镜电磁兼容性设计等需求,开发了电子设备辐射特性测试系统,基于标准噪声源Agilent346C,运用Y因子法对系统进行校准。通过关闭其它电子设备,分别打开和关闭测试设备获得环境电平频谱和设备辐射频谱;对测试数据进行了数据处理、成图与分析;给出了25 m射电望远镜典型终端电子设备的辐射频谱。针对终端电子设备辐射特性测试与分析,对系统电磁屏蔽改造提供重要依据。     

中阿40m射电望远镜选址与电磁环境监测

优良站址的选择是射电望远镜完成既定科学目标并实现高效运行的重要保障。影响射电望远镜选址的主要因素包括电磁环境、水文、气象、地质条件、隔离性与可及性等。对于射电天文观测而言,来自宇宙天体的射电信号往往极其微弱,对望远镜系统及设备的灵敏度要求极高。然而,随着人类活动的不断加强,人们日常工作和生活中使用的电子通讯设备越来越多,无线电干扰源呈爆炸式涌现。在射电望远镜选址工作中,进行电磁环境监测,选择一个电磁环境良好的站址,对于射电望远镜实现常规观测运行、获取有效数据资料至关重要。同时,电磁环境监测结果也是射电望远镜接收机系统研制、站址电磁环境及无线电宁静区立法保护的重要依据。中阿天文学者和技术人员历时1年半完成了16个候选站址的初步勘察,并对优选出的3个主要候选站址进行了深入细致的电磁环境监测工作,获得了大量可靠数据。中阿双方依据电磁环境监测结果并结合各主要候选站址的水文、气象、地质及道路等条件,最终将位于Talacasto戈壁的3号候选站址确定为中阿CART射电望远镜的建设站点。     

电子设备电磁辐射评估软件设计及实现

射电天文台址内仪器设备众多,电磁环境复杂,电磁兼容设计、屏蔽设计及辐射评估均依赖基于测试的数据处理与分析,而程序化是提高测试及数据分析效率的唯一手段。浅析了电磁辐射评估系统的硬件组成、评估流程、软件开发目标及关键技术点;基于软件需求分析及评估过程中的数据传递、数据处理及数据存储,给出了评估软件的设计流程图、数据流图及二维差值算法流程图;分析了电磁辐射评估过程中主要数据特征,开发了基于数据源、数据库的数据存储及管理模块。其次,基于Microsoft Visual Studio 2010开发平台,通过大量的程序调试与界面优化,完成了电磁辐射评估软件开发,能够对仪器设备辐射特性进行快速测试、分析与评估,为射电天文台址电磁兼容性改造和射电望远镜系统兼容性设计提供重要的参考依据。     

大口径射电望远镜电磁兼容评估技术研究

电磁兼容性是设备或系统的重要性能指标, 也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素. 大口径射电望远镜运行阶段, 台址周围无线电业务及内部潜在的电磁干扰会降低观测系统灵敏度、影响天文观测的质量. 本论文针对拟建的新疆110 m全向可动射电望远镜(Qi Tai raido Telescope, QTT)开展了系统电磁兼容评估技术及控制方法研究, 具有重要的工程应用价值. 首先, 依据现有电波环境测量方法的不足, 深入分析了仪器设备的关键参数配置方法及测量时间计算方法, 采用Y因子法校准测量数据, 提出一种准实时电波环境测量方法. 面向高重复性宽带频谱, 分析了宽带频谱信号和噪声特征, 结合标准差理论, 提出一种基于邻值比较的信噪分离方法, 并采用邻值统计方法优化关键参数, 提高信噪分离精度. 针对QTT台址, 开发了自动化电波环境监测系统, 该系统6 GHz以下频段系统增益大于40 dB, 系统噪声系数小于2 dB, 测量不确定度小于1.49 dB, 具有极高的系统灵敏度和测量精度; 分析了频谱监测数据流, 设计了基于HDF5 (Hierarchical Data Format version 5)的数据存储格式, 开发了自动化电波环境测量和监控软件及数据处理软件. 依据QTT台址长期监测数据, 评估分析了台址电磁环境、主要干扰源特征及其影响. 其次, 提出大口径射电望远镜馈源口面干扰电平限值量化方法, 建立了基于台址地形的电波传播模型, 分析了现有电波传播模型的优缺点及适应性, 结合QTT台址实际地形及地质特征, 采用Longley-Rice和Two-Ray电波传播模型, 预测分析了QTT台址潜在干扰区域电磁干扰达到射电望远镜的电波路径衰减, 结合大口径射电望远镜天线增益量化方法, 提出设备所在位置干扰电平限值量化方法, 运用该方法对QTT台址潜在干扰区域的干扰电平限值进行量化. 依据设备所在位置干扰电平限值, 调研分析了国内外军用、民用电磁兼容测量标准, 结合电磁干扰对射电天文观测的影响, 提出一种大口径射电望远镜电磁兼容控制方法, 解决了现有电波暗室测量系统无法直接测量评估电子设备电磁兼容的问题, 该电磁兼容控制方法计划应用于QTT建设及运行阶段, 确保系统拥有良好的电磁兼容性. 最后, 依据QTT台址潜在干扰区域干扰电平限值, 结合典型电子设备电磁辐射频谱, 分析了QTT电磁兼容设计需求, 提出电磁兼容设计初步方案. 另外, 针对台址建筑设施内的中低电磁辐射干扰源, 提出一种低成本建筑屏蔽方法, 应用于QTT台址现有建筑.     

一种面向FAST PB量级脉冲星数据处理加速方法及系统

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)已投入科学运行,其中脉冲星漂移扫描巡天采集数据量已达数PB,预计每年至少新增5 PB。现有的数据处理软件如PRESTO,SIGPROC等无法满足PB量级数据的快速处理要求。提出了一种基于PRESTO的分布式并行计算方法,整合利用数据库技术和异地异构计算资源,构建了一套命名为Craber的计算加速系统,由FAST早期科学数据中心与国家天文台共同设计实现。启用Craber子网计算集群D中55个计算节点,应用澳大利亚帕克斯(Parkes)望远镜多波束巡天数据集和500 m口径球面射电望远镜漂移扫描数据验证了系统流程和搜索数据库。单个100 MB帕克斯巡天数据文件平均耗时36 s,单个128 MB 500 m口径球面射电望远镜巡天数据文件平均耗时22 s。该系统目前已实际参与数据处理并发现了数十颗脉冲星,有效帮助500 m口径球面射电望远镜加速数据处理和扩大新样本数量。     

射电天文台址电子设备电磁辐射评估

射电望远镜具有极高的系统灵敏度,且系统内、系统间及台址内电子设备众多,电磁环境复杂,科学合理地评估台址内电子设备辐射发射对射电天文观测的影响,对系统电磁兼容性设计、无线电管理、屏蔽改造等有重要的指导意义。浅析了射电望远镜系统灵敏度及射电天文领域仪器设备辐射发射相关评估标准;基于射电望远镜系统灵敏度及观测需求,计算了南山25 m射电望远镜馈源口面干扰电平限值,并给出了天线旁瓣增益的计算方法;提出一种基于干扰电平限值、旁瓣增益、干扰测量、路径衰减的电子设备电磁辐射评估方法,并针对南山25 m射电望远镜天线驱动电磁辐射进行了评估,给出了屏蔽需求。     

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。     

新疆天文台NSRT观测数据存储系统

新疆天文台南山26 m射电望远镜经过多年观测积累了大量的科学数据。针对26 m射电望远镜天文观测数据的在线存储与备份问题,建设了远程、异地、容灾备份系统,在新疆天文台本部及南山观测站分别建设了可独立运行的存储系统,实现了两套存储系统间的远程、异地数据实时容灾备份。以基于对象的存储技术Lustre为基础实现了存储系统,并对存储的读写性能进行了详细测试。建设的容灾备份系统有效解决了新疆天文台观测数据及次生数据的在线存储与数据安全问题。     

基于惯性测量的天线副面位姿测量系统的设计

以新疆天文台奇台110 m大型射电望远镜建设项目为背景,研发了一套基于惯性测量原理应用于大型射电望远镜的副面位姿精确测量系统。系统基于惯性测量和嵌入式技术,分别设计了信号采集终端和上位机处理软件,解决了超大型射电天线工作中副面位置摆动较大而无法确定精确位置,进而无法基于副面上六杆并联机器人对副面进行精确调节以提高观测效率的问题。该测量系统是射电望远镜副反射面控制系统构建成为闭环控制系统的关键模块。副反射面控制系统构建成为闭环控制链路以后,可以极大地提高射电望远镜的整体观测效率。     

基于Roach Ⅱ的数字频谱仪开发设计

为实现宽频带电磁环境实时测量,基于Roach II开发平台,开发设计了数字频谱仪,实时带宽10 MHz～2 GHz,动态范围达到55 dB。首先,分析了数字频谱仪开发设计理念和模块参数设置,实现快速扫描模式、脉冲监测模式的测试功能。其次,通过频率响应、动态范围、线性度等关键指标测量及分析,并与商用频谱仪测量结果对比,确定该数字频谱仪具有相对准确的测试精度,可应用于射电望远镜台站宽带实时频谱监测及瞬态信号分析。     

采用VC + + 的射电望远镜控制软件在Windows XP下的设计和实现

射电望远镜控制软件的主要功能是控制射电望远镜精确、实时的跟踪指定目标,本文介绍了Windows XP系统下基于Visual C 的射电望远镜控制软件的设计,重点叙述了软件的功能、通信方式、图形界面的实现[2]。     

基于Python的全息测量数据校准软件

微波全息测量是检测抛物面面形分布的重要手段之一,数据校准软件是全息处理软件中关键的一部分。以新疆天文台南山25 m天线改造计划为背景,在分析全息测量中引起误差的几个因素的基础上,开发了全息测量数据校准软件。该软件以Linux为开发平台,使用Python语言进行编程,其优点是:具有误差评估功能,方便用户筛选由于误差过大造成的数据不合理;标准化接口更易嵌入天线控制软件中;可视化界面既能方便用户操作,又可以直观显示运行结果。软件调试结果显示该软件运行时间在2 min以内,效果良好,具有一定的实用价值,不仅对于25 m的改造至关重要,也为未来110 m射电望远镜的技术预研创造了条件。     

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。     

紫台13.7米射电望远镜控制机与数据处理机之间的数据通讯

为了提高观测效率和便于观测,在紫台青海站13.7米射电望远镜的计算机系统上实现了控制计算机与数据处理机间的数据传送,从而使观测资料在现场的实时处理成为可能。本文介绍了数据传送的硬件接口以及分别在控制机和数据处理机上所做的软件工作,并给出了观测资料实时传送和处理的实例。     

基于图像的天体搜索研究与自动化集成软件开发

天体搜索是天文数据处理流程的一个重要环节,也是以平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)为代表的下一代射电望远镜在面向海量数据处理中的挑战之一.现今天体自动搜索算法、软件已日趋成熟并投入应用,不过在自动化、兼容性等方面仍具有提升空间.以更自动化、更适应海量数据需求的天体搜索算法研究为宗旨,以现有算法为研究基础,天体自动搜索软件系统得到设计和开发.该系统包含友好的交互式用户操作界面,具备可视化输出数据显示、兼容不同数据输入和输出并包含为实际应用服务的文件管理功能.该系统对于大天区图以及图像集,均能够很好地进行自动化处理.测试结果显示,上述方法对于天体搜索的改进有一定成效.后续将在此基础上对该集成系统做进一步的改进开发,以适应更多的需求.     

25m射电望远镜驱动柜实时监视系统

射电望远镜驱动柜监视软件调用MSComm控件对实现25m射电望远镜天线系统上位机与下位机之间的串行通讯;调用WinSock控件实现远程网络监控的功能;同时加入驱动柜历史工作状态记录、浏览、报警等功能.软件自动挂接Excel作为文件处理系统,可以对驱动柜历史工作状态记录进行附条件筛选、查找和图表生成.时钟消息确保监视的多台电机参数同步显示.经实际测试达到了对射电望远镜驱动柜工作状态监视的要求.     

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.     

新疆奇台110米射电望远镜主焦点馈源换馈方案研究

随着射电天文研究的不断深入,科学家对望远镜分辨率和灵敏度的要求也不断提高,同时要求望远镜具有更宽的观测波段。单口径望远镜低频波段用主焦点接收,馈源尺寸可以更紧凑。为了不影响双反射面天线次焦点的馈电功能,主焦点馈源的放置及换馈方案必须高效合理。以建于新疆奇台的110 m口径全可动射电望远镜为研究对象,以意大利SRT 64 m和德国Effelsberg 100 m射电望远镜为参考,对两种方案应用于奇台110 m射电望远镜的可行性进行分析,并提出一种利用线性模组进行主焦馈源快速切换的新型方案。进行了直线模组机构的建模和仿真,并对口径面信号遮挡进行了分析,结果表明,此方案能有效满足望远镜的工作需求。     

基于GPU加速的FRB实时搜寻算法研究与测试

新疆天文台接收机团组以南山25 m射电望远镜科研需求和计划建设的奇台110m射电望远镜(QiTai radio Telescope,简称QTT)关键技术研究为背景,在原有的基于CPU(Central Processing Unit)的快速射电暴(Fast Radio Burst,简称FRB)搜寻算法基础上,研究了基于图形处理器(Graphics Processing Unit,简称GPU)加速的FRB搜寻算法,并搭建了相应的FRB实时搜寻系统平台.对CPU系统和GPU系统进行了对比与分析,测试结果表明:在保证搜寻精度的基础上,使用GPU加速的FRB实时搜寻算法相比CPU算法计算速度可提高35–45倍.     

基于嵌入式人工智能设备的流星光学监测系统

流星光学监测网是定位陨石和观测火流星的基础科研设施. 流星光学监测系统利用光学相机高速采集天空图像, 使用嵌入式系统实时处理数据, 能够快速识别流星并获取流星位置和陨石落点信息, 是构成流星监测网的关键仪器. 为提高流星光学监测系统获取信息的实时性及准确性, 提出了一种基于嵌入式人工智能设备的流星光学监测系统. 该系统由软件及硬件部分组成: 硬件部分包括观测设备(商用高空抛物摄像头)以及数据处理设备(嵌入式人工智能设备); 软件部分运行于数据处理设备内, 主要包括控制界面模块、流星监测模块、数据管理模块. 实际工作时, 摄像头采集天空视频信息, 流星监测模块从视频流中实时监测流星并存储包含流星视频的数据, 数据管理模块将流星位置信息实时传回数据中心用于预警. 观测结束后, 将原始观测数据同步至数据中心用于后续科学研究. 在整个系统中, 流星监测模块决定了整个监测系统的实时性及准确性. 该系统采用嵌入式人工智能设备与人工智能算法结合的方法构建流星监测模块. 通过使用实测数据对搭载监测模块性能进行测试, 结果表明: 流星监测模块能够达到0.28%的低误检率以及100%的召回率, 且数据处理速度达到了Mobilenetv2的8倍. 进一步将包含监测模块的整个流星光学监测系统部署于太原理工大学-张壁古堡远程天文台, 通过实测表明流星光学监测系统实用中能达到100%的召回率和较低的误检率.