声光频谱仪频率校准的研究

在声光频谱仪的中频输入端输入一个梳状讯号，分析输出的频谱，可以测定声光频谱仪的谱分辨率、频谱漂移等重要工作参数．这是进行谱线天文观测前必做的准备工作．我们对紫金山天文台用于13mm星际水脉泽观测的高频率分辨率的AOS－Ⅰ进行了仔细的频谱工作性能测定，结果发现它有良好的性能：平均通道间隔12.10±0.02kHz，平均谱分辨率221±1．8kHz，谱分辨率随时间变化1．0kHz／天，通带内谱分辨率起伏上1．0kHz，总工作带宽12．39MHz．     

比值校正法在射电频谱中的应用

分子谱线可以在射电频谱上显现,但是采用离散数字功率谱分析算法会引入离散误差,难以获得分子谱线准确的频谱信息。针对射电频谱上离散数字功率谱分析带来的频率偏移问题进行比值校正法研究,该方法是频谱校正方法的一种,特点在于算法简单,方便快捷。利用射频信号相同、分辨率不同和射频信号不同、分辨率不同情况下,归一化频率偏移量的变化确定该方法的校正效果,最终实现了射频为80.0 MHz,141.8 MHz和270.8 MHz的频谱校正,将相应的频谱分辨率提高到7.5 Hz/channel。通过实验结果对比,确定了测试系统的最佳频率分辨率为50 Hz/Channel或200 Hz/channel。     

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.     

一种TeO_2声光偏转器在射电天文上的应用—使用报告

采用上海硅酸盐所研制的离轴型慢横波TeO_2声光偏转器,设计和制造了一台高分辨率声光射电频谱仪。主要用于南天暗星云中一氧化碳分子谱线的观测研究。其频谱分辨率达28kHz,对CO分子的115GHz谱线而言,相当于速度分辨率0.07kms~(-1)。将这台声光频谱仪与澳大利亚的4米直径毫米波射电望远镜结合使用,观测到一些暗星云中具有不同形状的CO分子谱线。谱线轮廓清晰,细节清楚。     

基于多相滤波的多通道数字终端设计

数字终端技术在射电天文数据处理方面已成为主流,在国内外都有广泛的应用。回顾了滤波的基本原理,多相滤波技术在多通道滤波中的应用,探讨了对通道带通性能的优化方法。使用美国UC Berkeley CASPER团组研发的终端开发平台实现了一个观测带宽为400 MHz,通道数16 k,频谱分辨率约为25 k Hz的数字终端,并进行了扫频测试。在设计中,模拟信号首先通过模拟数字转换器转换成数字信号,利用多相滤波器组算法实现多通道输出,并对每个通道内的数据进行取平方运算并累加得到功率谱。累加后的数据可通过10 GbE传输到其他设备存储或继续处理。该终端可在FAST河外中性氢频谱巡天观测中使用。     

用于射电天文数字频谱仪的新进展

根据在射电天文频谱观测中出现的新需求,介绍了近年来数字技术的新进展.达到GHz采样速率的多位高速模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、海量数字处理芯片现场可编程门阵列(Field Progxammable Gate Array,FPGA)以及运行在这些芯片上的并行快速傅里叶变换知识产权(Fast Fourier,Transform Intellectual Property,FFT IP)内核,结合高性能数据总线的系统集成,为射电天文构建新型FFT频谱仪提供了可能的技术选择.与现有其他类型频谱仪相比,集成了这些新技术的数字型FFT频谱仪有更大的带宽、更高的谱分辨率、更高的动态范围和整体稳定性,此类频谱仪的出现显示了射电频谱技术已经进入了新一代数字技术应用的阶段.     

基于Lomb算法的非等间距VLBI观测资料频谱分析研究

研究非等间距采样频谱分析中所发生的虚假信号问题．利用Lomb非等间距频谱分析方法对准多周期采样的模拟资料和VLBI实测资料进行频谱分析,得出了准多周期采样会产生虚假谱峰的结论．通过对频谱特征的分析,给出了虚假谱峰的位置分布的经验公式并从统计学角度证明了该公式．利用该公式可以确认准多周期采样频谱分析中的虚假谱峰位置,同时对公式的具体应用进行了讨论．其结论是基于VLBI的观测资料采样特征得到的,但同样适用于一般的准多周期采样资料的频谱分析．     

TM65m望远镜谱线观测系统的频率校准

频率校准是进行谱线天文观测前必做的准备工作,对上海天文台TM65m射电望远镜的谱线终端DIBAS(Digital Backend System)进行了频率校准及测试工作,发现它有良好的性能.首先,进行了PCAL信号注入测试,对DIBAS终端的频率分辨率、频率漂移、谱之间间隔的稳定性进行了测试.1 h内,单个尖峰频率漂移的最大变化幅度为0.03通道,尖峰之间间隔的最大起伏为0.05通道.然后,通过对大质量恒星形成区的H_2CO脉泽与吸收线的观测,以及与GBT(Robert C.Byrd Green Bank Telescope)观测结果的比较,发现频率校准的结果是正确的.最后,对W3(OH)进行了1个多小时的羟基脉泽观测和5个多小时的甲醇脉泽观测,发现谱线的谱型保持一致,观测噪声与理论噪声一致,说明频率校准程序是稳定可靠的.     

应用于射电天文的高效实时管道数据流传输与处理技术

针对超宽带及多波束接收系统海量天文信号实时高效传输与处理问题,对基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)+图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)的主流终端设备软件系统进行了测试分析。超宽带接收设备要求终端系统软件能够在更宽带宽、更高时间分辨率和频率分辨率的条件下,实现数据流实时传输与处理。结合大口径射电观测设备未来发展的方向,提出了利用高速并行环形缓冲区实现数据流缓存,基于图形处理器集群实现数据流实时处理,基于BeeGFS实现分布式并行数据存储,模块化构建射电天文信号传输管道软件的设计思路。     

基于Spark Streaming的明安图射电频谱日像仪实时数据处理

目前天文观测中对数据的实时处理需求越来越多,性能要求也越来越高,我国明安图射电频谱日像仪(Mingant U Sp Ectral Radioheliograph,MUSER)是同时以高时间、高空间和高频率分辨率对太阳进行射电频谱成像的设备。在低频部分的日常观测中,包含了两方面的需求:(1)对历史数据的处理;(2)5秒钟抽样观测数据的处理。抽样观测数据需要实时处理,并在监控终端显示,数据处理过程包含了数据校验、修正、成图、洁化等多个步骤,传统的单机处理模式已无法满足大数据量下的实时性要求。因此,实时数据计算中,使用Spark Streaming流式计算这一新兴的分布式计算方法,设计了自定义的接收器,并将多个图形处理器节点加入到分布式集群中。通过实验对性能进行评估,结果证明基于内存的高速执行引擎的特点能显著提高性能。期待能通过实验进一步优化算法和配置,获得更好的结果,并最终运用到实际环境中。     

基于ROACH的Zoom-PFB设计与实现

简述了基于ROACH和Xilinx System Generator平台的接收机数字后端系统的设计与实现。介绍了Zoom-PFB算法原理,讨论了该算法的核心部分低通滤波和抽取的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)实现。针对谱线观测局部高精度分辨率的需要,给出了将400 MHz带宽分为带宽25 MHz的16个通道,对其中任一通道做通道数为6 k、频率分辨率为4 k Hz的频谱细化系统的具体设计方案。在实验室条件下,对该数字后端的性能进行了分析和测试,并以4.5 m口径X/Y结构天线进行银道面中性氢谱线观测检验其应用效果,验证了方案的可行性。     

基于OpenStack的天文台站计算节点自动管理研究

天文数据处理是天文研究的一个重要环节。随着新一代望远镜功能与观测能力的快速发展,在观测地点构建高性能实时计算平台,快速完成数据的分析与处理是一种趋势。针对明安图射电频谱日像仪和明安图观测站实时数据处理系统的建设要求,系统研究了基于OpenStack的本地云实现方法与系统自动管理模式,提出了动态进行计算节点启停的方法,并进行了实际测试。实验表明,该模式完全可以满足天文数据处理的需求,并且比传统的静态分配计算资源的数据处理方法更高效,可以有效地节省能源开销,降低观测成本,对未来天文台站高性能计算平台的建设有一定的参考价值。     

图像板图像高速读出方法

天文图像采集处理一直是天文观测领域的一个重要方面，普通的视频ＣＣＤ由于其本身所具有的物美价廉，快速简便等特点且能够满足大多数天文观测的需要而成为目前常用的终端探测设备，这样必不可免地要使用图像板进行视频信号的截取以及处理；在一段时间内获得尽可能多的观测图像无疑是提高观测质量的一个手段，而其中最关键的问题在于如何将图像板上的图像快速读出。本文对目前我台配备较多的Ｍ５４０图像板与ＣＡ６３００图像板的图     

基于Camera Link总线的CCD高速图像采集技术

现代天文学研究越来越依赖于高质量的天文观测结果。针对天文实测的需要,对基于Camera Link总线的CCD高速图像采集技术进行了系统调研,分析对比了Camera Link总线技术及其优缺点,对基于Camera link接口的高速CCD采集技术进行了深入的研究,着重讨论了单缓存与双缓存高速采集技术和实现机制。经实际测试,所实现的技术稳定、可靠,CPU负载低,采集速度达到了厂家给出的CCD相机的最高采集速度,可以满足天文大数据量采集与准实时观测的需要。     

射电天文自适应抗干扰算法研究

全球性卫星导航系统占用了L波段在1.1 GHz~1.6 GHz之间约150 M带宽,严重限制了射电天文在该频段的观测。将通信、雷达等领域的自适应滤波方法应用于消除"北斗二号"卫星信号给中性氢(HI)21 cm谱线观测带来的射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI)。为了提高最小均方误差(Least Mean Square,LMS)自适应算法的性能,在对一类传统变步长最小均方误差算法研究的基础上,提出了步长与误差信号之间的一种新的函数关系,进一步改善了自适应滤波算法的性能。在相同收敛速度或者相同稳态误差的前提下,改进后的算法具有更小的稳态误差或者更快的收敛速度。计算机仿真实验结果与理论分析一致,验证了改进后的变步长自适应滤波算法在射电天文射频干扰消除中的性能优于传统算法。     

基于WEB的MUSER远程监控数据可视化展现方法

天文远程监控是天文研究的重要组成部分。为及时发现由于天气原因、电磁干扰、天线故障等导致的异常数据,提高数据处理的可靠性,我国明安图频谱射电日像仪迫切需要实现实时观测状态的远程监控。提出了一种基于WEBSOCKET技术的远程监控数据的可视化展现方法,并以观测过程中功率图和频谱图的实时展现为例进行了验证。实验表明,方法可满足实时监控数据可视化展现需求,并且改变了传统的现场监控模式,打破了地域限制,具有可靠性高、实时性好和扩充性广等诸多优点,提高了工作效率和设备利用率,对其它远程监控数据可视化展现系统有一定的参考价值。     

基于LabVIEW的双通道太阳射电频谱观测系统设计

太阳射电爆发是太阳耀斑和日冕物质抛射等爆发过程的重要表现形式,是卫星通信和导航系统、地面电网系统、人类生活环境的潜在影响因素之一。对太阳射电爆发的监测与研究不仅可以预报空间天气,还可以作为太阳物理的研究工具。介绍了基于LabVIEW平台设计开发的双通道高速太阳射电频谱观测系统,针对太阳射电爆发具有随机性和持续时间短、变化快的特点实现对太阳射电爆发的监测。系统采用高速信号采集卡以1.5 GS/s的速率进行信号采集,系统时间分辨率可达4 ms,频率分辨率达45.776 4 kHz。采集的信号经过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)功率谱分析处理后输出显示其频谱图和瀑布图,得到太阳射电爆发的频率、强度以及持续时间等信息。观测数据利用文件传输协议(File Transfer Protocol, FTP)上传至服务器,实现存储资源的优化,观测数据的共享。该系统集成度高,可以应用于分析澄江抚仙湖观测基地11 m太阳射电望远镜输出的70～700 MHz信号。     

利用WinView软件进行图像处理

ＷｉｎＶｉｅｗ是一个用于图像采集和处理的软件包。在图像处理方法，具有很强的图像后处理功能，它除了能对图像进行线性、非线性、像素合并、多图关联和阈值处理外，还能对图像进行边增强、锐化、平滑等处理。本文详细介绍了这些功能及在天文观测上的应用，以期对使用这个软件的观测者有所帮助。     

VLBI软件相关处理机脉冲星信号脉冲轮廓搜索算法

VLBI观测比单天线观测拥有更高的角分辨率,在脉冲星观测,尤其是成图和定位研究中有着重要的作用。相关处理机在进行脉冲星信号处理时,首先必须知道脉冲信号到达时刻、脉冲星相位及脉冲宽度等脉冲轮廓信息。研究了利用脉冲信号自功率谱来绘制脉冲星轮廓图的算法,此算法只需对单站信号进行频谱分析就可确定脉冲位置和宽度,然后在VLBI软件相关处理机中完成脉冲信号的相关计算。实际的VLBI数据相关处理结果表明,用上述方法可准确获得脉冲星的轮廓。     

相干消色散脉冲星观测系统的研究

云南天文台射电天文研究团组利用从美国伯克利大学CASPER天文信号与电子学研究中心购买的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)接收机平台ROACH2,实现了512 MHz输入带宽,512 MHz带宽分为128通道输出(每个通道4 M带宽),8比特采样和双极化输入(1 024 MHz)的基带数据采集终端。海量数据传输方式通过SFP+万兆网口实现,利用编写的脚本文件调用DSPSR程序包实现数据的解码、相干消色散、偏振计算和折叠等处理。数据处理结果以PSRFITS格式存储。构建以ROACH2为基带数据采集终端和DSPSR为数据处理核心的脉冲星观测系统,相比于以VLBI观测终端为基础构建的观测系统,在观测模式、数据处理方法、运算效率和观测数据的通用性等方面具有更好的优越性。