基于天文开源软件的卫星干涉测量数据处理系统

VLBI (Very Long Baseline Interferometry)技术观测卫星需要对干涉测量数据进行相关和后处理,通过相关、时延校准、条纹搜索,最终得到卫星的基线几何时延.基于天文开源软件建立起一套卫星干涉测量数据处理系统.该系统可工作在实时和事后两种状态,实现相关、中性大气、电离层、钟模型以及仪器硬件的时延校准、条纹搜索、生成基线时延和时延率序列.使用该系统处理北斗GEO (Geosynchronous Earth Orbit)卫星的干涉测量试验数据,得到了精度在1–2 ns量级的卫星基线时延序列.     

探月卫星同波束VLBI差分相位时延闭合计算与分析

针对同波束干涉测量中差分相位时延模型验证、解算结果周跳检测与校正问题进行分析。给出了相位闭合和差分相位时延闭合计算原理与方法,并以SELENE任务中解算的差分相位时延数据为算例进行分析,差分相位时延闭合计算结果小于几皮秒。验证了差分相位时延基于同一波前的模型,可用于对差分相位时延中周跳问题进行检测,可对数据波动情况进行监视,为数据后处理提供依据。在实际应用中,该方法可随着数据处理过程的推进同步进行,因此,十分有利于同波束干涉测量方法的实时实施,并应用于卫星导航。     

基于分布式执行框架的低频射电干涉阵列成像管线优化

平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)项目是建设全球最大射电望远镜的国际合作项目,其灵敏度和测量速度将比当前所有的射电望远镜都要高出一个数量级.连续谱巡天是SKA的主要观测模式之一,基于连续谱成像建立巡天区域的标准星图,将能为后续天文科学研究奠定重要基础.银河系与河外星系全天默奇森宽场阵列拓展巡天(GaLactic and Extragalactic All-sky Murchison Widefield Array survey eXtended,GLEAM-X)是2018—2020年利用SKA先导望远镜默奇森宽场阵列(Murchison Wide-field Array,MWA)二期拓展阵列开展的新的射电连续谱巡天项目,观测期间积累了大量的低频巡天观测数据.海量观测数据的自动化、大批量处理是SKA望远镜项目所面临的的最大挑战和难题之一,基于分布式执行框架的成像管线优化经验将有助于解决海量数据处理问题.详细介绍了GLEAM-X成像管线并对其进行整合和改进,在中国SKA区域中心原型机(China SKA Regional Centre Prototype,...     

大口径离轴非球面镜预应力环抛方法研究

提出了一种加工离轴非球面的预应力环抛方法,基于预应力加工方法的基本原理,利用环抛机来磨制离轴非球面.设计了一套专门的加载装置,将拼接镜面中具有不同离轴量的非球面子镜转化成曲率半径相同的球面子镜进行磨制,可以在同一台环抛机上进行抛光.利用这种方法,花费连续40 h的时间,磨制了一块按照中国30 m极大口径望远镜(CFGT)主镜参数比例缩小的离轴抛物面,顶点曲率半径21.6 m,离轴量3.6 m,离轴口径为330 mm,最大非球面度为16μm.试验表明该方法效率高,适用于批量加工,特别是极大口径天文望远镜拼接主镜的大批量非球面子镜研制.     

VLBI相位校正信号提取的软件实现方法

从VLBI相关处理结果中提取的延迟值包括了天线、终端等设备的时延,必须对其加以修正,最终结果才能达到精度要求。提取相位校正信号,可以消除这些设备引入的时延,从而校正同一波前信号到达基线两端的几何时延。该文介绍了提取相位校正信号的原理、算法及软件实现方法。软件采用多线程和SSE技术,具备4台站多通道全部相位校正信号提取能力。     

一种低噪声硅微条探测器读出电子学系统的设计

硅微条探测器空间分辨率高、工作性能稳定, 广泛地应用于空间高能粒子探测领域. 如费米gamma射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope, FGST)以及阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer 2, AMS-02)的径迹探测器中都采用了高位置分辨率的硅微条探测器. 基于硅微条探测器在空间观测领域的应用前景, 针对硅微条探测器单元设计了一套低噪声的电子学读出系统. 整个电子学系统分为前端电子学、数据获取电路和上位机软件. 前端电子学为提高集成度, 采用了一款电荷读出芯片VATAGP8, 实现了多通道、低噪声的电荷信号测量; 数据获取电路使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现了对前端电子学的时序控制以及对测量信号的采集控制; 上位机用来接收、处理数据获取电路采集的信号数据. 在对电子学通道的线性、基线、噪声等性能进行测试之后, 得到系统在0--200fC电荷输入范围内的线性增益约为13.41bin/fC, 积分非线性小于1%, 噪声小于0.093fC. 为了验证电子学读出系统对硅微条探测器单元的读出能力, 将两者集成在一起并测试了宇宙线缪子的能量沉积, 得到读出电子学系统的信噪比大于32, 缪子的电离损失能谱与Landau-Gaussian分布符合较好, 能够满足硅微条探测器单元读出电子学的设计要求.     

基于CAPS系统的信号调制方式的比较研究

概述了二元相移键控(BPSK)调制以及二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)的调制原理,并基于由中国科学院主导研发的中国区域定位系统(Chinese Area Positioning System,CAPS)的实际情况,对其调制信号的测距精度、跟踪性能、多径误差的影响做了分析。分析结果对于中国区域定位系统信号体制设计、调制方式的选取具有一定的借鉴意义。     

基于相位差方法的天文目标高分辨率成像研究

基于相位差方法的天文目标高分辨率成像,是利用在焦面和离焦位置上同时采集的一对或者多对短曝光图像,对目标和大气湍流引入的波前相位分布进行估计．在计算机模拟望远镜成像系统和相位差方法图像采集过程的基础上,利用信号估计和最优化理论,确定了高斯噪声模型下的目标函数,采用适合于大规模无约束优化的有限内存拟牛顿法对图像恢复问题进行了数值求解．恢复结果表明,基于相位差方法的高分辨成像技术,可以有效地克服大气湍流的影响,解决天文扩展目标的图像恢复问题．     

基于VGOS单基线的UT1测定能力评估

对2021年VLBI (Very Long Baseline Interferometry)全球观测系统(VLBI Global Observing System,VGOS)单基线开展的1 h世界时(Universal Time, UT1)加强观测数据进行分析,结果表明, VGOS单基线测得的UT1与IERS (International Earth Rotation Service) C04序列提供的UT1之差的RMS (Root Mean Square)为25.3μs,优于传统S/X双频段UT1加强观测(Intensive observation, INT1)试验的28.2μs,且UT1的平均形式精度提高1倍.因VGOS单基线1 h观测数目比INT1多1倍,其测得的UT1受极移误差的影响更加稳定,每100μas的极移误差将对UT1引入2.8μs的偏移.此外分析了VGOS 30 min观测数据,除平均形式精度变差外, UT1测量结果与1 h结果相当,表明VGOS单基线30 min观测可用于UT1的超快速服务.同时分析和评估了2021年国内佘山与南山13 m VGOS基线的UT1加强观...     

Research on the Application of Fast-steering Mirror in Stellar Interferometers

In stellar interferometers, the fast-steering mirror (FSM) is widely utilized to correct the wavefront tilt caused by the atmospheric turbulence and internal instrumental vibration, because of its high resolution and fast response frequency. In this study, the non-coplanar error between the FSM and the actuator deflection axis introduced by the manufacturing, assembly, and adjustment is analyzed systematically. Via a numerical method, the additional optical path difference (OPD) caused by the above factors is studied, and its effect on the fringe tracking accuracy of a stellar interferometer is also discussed. On the other hand, the starlight parallelism between the beams of two arms is one of the main factors for the loss of fringe visibility. By analyzing the influence of wavefront tilt caused by the atmospheric turbulence on fringe visibility, a simple and efficient real-time correction scheme of starlight parallelism is proposed based on a single array detector. The feasibility of this scheme is demonstrated by a laboratory experiment. The results show that after the correction of fast-steering mirror, the starlight parallelism meets preliminarily the requirement of a stellar interferometer on the wavefront tilt.     

Detection of Faint Asteroids Based on Image Shifting and Stacking Method

In order to improve the ability to find the faint and small celestial bodies in the solar system, a method of shifting and stacking images which improves the detection efficiency of faint moving objects is applied to process the sequential optical images. This method determines the existence of moving objects by using the method of false position to pre-estimate the apparent velocities of moving objects, then determines iteratively the accurate positions of moving objects based on the SNR (Signal-to-Noise Ratio) and elongation of stellar image. Using the sequential images of the China Near Earth Object Survey Telescope (CNEOST), we carry out an experiment and succeed in detecting asteroids fainter than 21 magnitude which are invisible on a single image. Thus, the feasibility of this method is verified.     

一种基于元学习的大口径射电望远镜俯仰轴承故障辨识方法研究

在经过长期运行后大口径射电望远镜俯仰轴会出现微小扭曲, 滚动轴承作为承载俯仰轴的核心部件, 也会因长期承受交变载荷增加疲劳风险, 导致轴承寿命以及望远镜指向精度的下降, 极大影响望远镜的性能. 以俯仰轴承为研究对象, 开展故障辨识方法研究, 可为望远镜天线的高性能运行提供重要支撑. 为实现在有限数据和复杂工作条件下准确地辨识俯仰轴承故障, 提出了一种小样本条件下基于元学习的故障辨识方法(Few-shot Meta-learning Fault Identification, FMFI). 首先将不同工况下的原始信号转换为时频图像数据, 之后按照元学习协议将数据样本随机采样到不同的学习任务中. 在有限样本的条件下, FMFI可以通过训练任务中的样本信息获取通用的先验知识, 在未知的测试任务下实现准确快速的故障辨识. 选取了与望远镜俯仰轴承工况具有相似性的变负载轴承数据集进行实验, 实验结果表明, FMFI方法具有很高的准确性和可靠性, 为大口径射电望远镜俯仰轴承的主动运维和高质量服役提供了有力的技术支持.     

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.