基于小波分析的脉冲星信号消噪处理

脉冲星信号是一种典型的非平稳信号,且信噪比非常小．目前对脉冲星信号的处理仅局限于对脉冲星信号不同周期的迭加．根据脉冲星信号的特点采用小波消噪的方法对其进行处理,并对小波的选取和分解层数的优化进行了研究．结果表明小波阈值消噪能够对脉冲星信号实现噪声剔除,达到既净化信号,又不丢失高频有用信息的目的．从而实现了迭加较少的信号周期就能够获得与较长时间迭加相似或更好的效果,可以大大提高脉冲星观测的轮廓精度．     

基于小波变换的脉冲星弱信号的去噪方法研究

利用小波变换去除噪声的基本原理和方法及消色散方法对毫秒脉冲星极弱信号进行了提取,并对噪声进行了最佳阈值选取实验研究,实现了脉冲星弱信号消色散积累后的检测和抑噪.并研究了软硬阈值估计子等不同阈值消噪技术,进而对PSR 0437-4715信号采用不同方法去噪后的结果进行了分析比较,认为在最大分解层数J=5时对脉冲星信号处理有普适意义.研究结果认为基于小波变换的消噪方法是一种提高信噪比、展示噪声和突变信号的优越方法.     

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。     

基于小波模极大值相关信息的脉冲星标准脉冲轮廓累积方法

讨论了产生脉冲星标准脉冲轮廓的重要性.在分析经典脉冲轮廓生成方法的基础上,提出了基于小波模极大值相关处理的脉冲轮廓累加方法.首先将观测数据按周期分组,分别进行小波分解,生成粗尺度上以脉峰为特征点的小波系数;然后,选择某组高信噪比信号的系数为参考数据,分别与其它各组变换系数进行相关,确定脉峰的相对时延.最后,对分组的原始观测数据按此相对时延量进行累加,生成脉冲轮廓.观测信号可先通过背景噪声估计和平滑处理而得到信噪比较高的归一化标准轮廓.实例分析以及与模板相关法的比较结果表明:该方法简单而有效,不需要设计近似模板,且对噪声类型不敏感,具有较高的工程应用价值.     

综合脉冲星时的小波分析算法

由单脉冲星定义的脉冲星时受几种噪声源的影响,为削弱这些影响得到一种更稳定的时间尺度,采取将多颗脉冲星定义的单脉冲星时进行综合的分析方法得到综合脉冲星时．用两种方法:经典加权算法和小波分解算法,对PSRB1855 09和PSR B1937 21两颗脉冲星进行综合计算并做出比较,经典加权算法无法兼顾脉冲星不同频率上的稳定度,而用小波分析的方法对PSR B1855 09和PSR B1937 21两颗脉冲星进行综合,能够有效抑制不同频率上噪声的影响,达到更好的效果．     

脉冲星信号VLBI软件相关处理方法研究

脉冲星自发现以来一直是天文学家们关注的对象,甚长基线干涉测量(very long baseline interferometer,VLBI)更是以极高的角分辨率和灵敏度成为脉冲星研究的重要手段。为了使上海天文台现有的中国VLBI网(Chinese VLBI network,CVN)软件处理机能够处理脉冲星信号,讨论了用频率通道间时延补偿的方法实现非相干消色散,并通过加入矩形脉冲门同步信号,提取有效脉冲,提高了信噪比。然后改进现有CVN处理机结构,实现脉冲星信号的相关处理。最后,对脉冲位置搜索和脉冲星数据分箱(pulsar binning)技术做了初步分析与探索。VLBI数据处理结果表明此方法正确可行,能够消除色散,并获得脉冲星信号的相关处理条纹。     

基于小波变换的射频干扰消除方法的研究

在射电天文观测中,射频干扰(Radio Frequency Interference, RFI)会以多种形式混入望远镜接收系统,给观测带来误判或者降低观测信噪比.近年来国内国际射电天文快速发展,国内国际大型射电望远镜和阵列先后建设,观测灵敏度大为提高,射频干扰的影响尤为突出.随着科技发展和人类活动的加剧,射频干扰日益严重且不可逆转.提出利用2维离散小波变换的方法分析射电天文观测的数据,对望远镜系统输出的时间频率序列进行小波变换,根据小波系数分离出原始信号中各分量,每个分量统计得到相应的阈值,将各分量与阈值相比较识别干扰成分并标记去除.利用该方法对实际观测数据进行了处理,结果表明该方法能够很好地标记并消减干扰信号,且提高了观测的信噪比.     

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.     

低信噪比下短波授时信号的去噪方法研究

提出一种基于经验模态分解与改进型谱减法相结合的低信噪比短波时号语音增强方法,解决在复杂噪声环境下短波时号无法用于定时的问题.该方法的核心思想是利用希尔伯特-黄变换(HHT)算法对带噪短波时号进行经验模态分解,通过最大相关度筛选出含有短波时号的固有模态分量进行重构,再对重构之后的信号进行谱减,从而达到降噪的目的.实验表明:该方法的降噪效果优于传统方法.     

四种综合脉冲星时算法比较

由单颗脉冲星定义的脉冲星时受多种噪声源的影响,其短期和长期稳定度都不够好.为了削弱这些噪声源对单脉冲星时的影响,可以采取合适的算法对多个单脉冲星时进行综合得到综合脉冲星时,从而提高综合脉冲星时的长期稳定度.文中介绍4种综合脉冲星时算法:经典加权算法、小波分析算法、维纳滤波算法和小波域中的维纳滤波算法,将这4种算法分别应用于Arecibo天文台对两颗毫秒脉冲星PSR B1855+09和PSRB1937+21观测得到的计时残差并作出比较.     

脉冲星信号相干消色散与非相干消色散的比较研究

脉冲星信号在星际空间传播的过程中,由于星际介质的存在造成观测到的脉冲星信号发生色散,因此需要对接收的脉冲星信号进行消色散,以获得原始的脉冲星信号。目前,消色散方法主要分为两种:相干消色散和非相干消色散。相对来说相干消色散效果彻底,算法较简单,而且能保留原始数据的时间分辨率,不过计算量较大,但是现在快速进步的计算机技术已经使计算量的问题得到很好的解决。为了精确了解两种消色散方法的区别,利用相关系数的方法定量地比较了相干消色散、非相干消色散两种方法的效果:在一定的频率值之下,前者得到消色散效果优于后者。同时确定两种消色散方法在效果相同时的观测频率。     

经验模态分解方法在脉冲星计时残差分析及预报中的应用

高精度脉冲星计时分析在脉冲星诸多应用领域中占重要地位,而多个未能消除的误差源的存在,限制了脉冲星计时精度的进一步提高.分析其观测特征,这种影响将导致脉冲星计时残差波动的多样性.利用从北美计时阵(NANOGrav)观测的4颗毫秒脉冲星数据,采用经验模态分解(EMD)方法对计时残差的波动特征进行了研究.通过分析发现:计时残差的振荡可用几个内在本征模态函数和一个剩余趋势揭示其多时间尺度的振荡结构和非平稳性.进一步比对脉冲星间多振荡结构对计时残差波动贡献的差异,发现经验模态分解非常有利于寻找脉冲星计时残差数据间的共性及个性.同时,采用自回归滑动平均模型进行残差预报,发现应用经验模态分解方法将残差序列分解后再预报,在短期预报时具有明显的优势.上述结果有利于拓展脉冲星计时残差在时域的分析.     

基于DBBC＋Mark5B记录系统的脉冲星观测

2009年11月,云南天文台射电天文研究团组采用40m射电望远镜以及基于DBBC（Digital Base Band Conveter）和Mark5B的VLBI记录系统对PSRJ08354510和PSRJ0332＋5434进行了观测。观测选用S波段右旋圆极化信号,起始频率为2206．99MHz,总带宽为32MHz。对数据进行相干消色散和平均后,得到PSRJ0332＋5434的单脉冲图像和两颗脉冲星的平均脉冲轮廓。由平均轮廓的展宽随时间的变化关系,对脉冲星的视周期作了一定修正后,得到信噪比更高的平均轮廓图。最后对轮廓的信噪比随时间的变化作了初步分析,由此可了解整个系统在观测时的稳定性。     

基于DBBC+Mark 5B记录系统的脉冲星观测

2009年11月,云南天文台射电天文研究团组采用40 m射电望远镜以及基于DBBC(Digital Base Band Conveter)和Mark 5B的VLBI记录系统对PSR J0835-4510和PSRJ0332+5434进行了观测。观测选用S波段右旋圆极化信号,起始频率为2 206.99 MHz,总带宽为32 MHz。对数据进行相干消色散和平均后,得到PSR J0332+5434的单脉冲图像和两颗脉冲星的平均脉冲轮廓。由平均轮廓的展宽随时间的变化关系,对脉冲星的视周期作了一定修正后,得到信噪比更高的平均轮廓图。最后对轮廓的信噪比随时间的变化作了初步分析,由此可了解整个系统在观测时的稳定性。     

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。     

小波分析理论在GPS技术中的应用

在GPS数据处理中 ,存在着误差影响、影响波的干扰、周跳和数据量大等问题。误差影响和影响波的干扰实质是在接收卫星信号时受到其它因素的影响 ;周跳是由于卫星信号的失锁而造成信号的不连续 ;数据量大是因为GPS观测需要采样间隔小又连续观测所致。由于小波理论具有时频分析、波形分解、特征提取和快速小波变换等特性 ,应用小波变换和波形分解可以解决误差影响和影响波的干扰的问题 ;应用特征提取可以解决周跳检测问题 ;应用快速小波变换可进行数据压缩     

乌鲁木齐天文站建立脉冲星相干消色散观测系统

脉冲星发射的辐射信号经过星际介质到达观测天线的过程中,存在色散效应。该效应导致有一定带宽脉冲信号的不同频率成份到达天线时间有延迟,影响对脉冲星的观测。消色散技术是脉冲星观测的关键技术,它对脉冲星观测系统的灵敏度和观测精度至关重要。脉冲星相干消色散过程是:通过对观测信号进行Nyquist采样,对采样数据做傅立叶变换,变换后的频域信号与星际介质Chirp函数乘积,然后再做逆傅立叶变换回时域,得到消色散后的时域信号。乌鲁木齐天文站依托现有的南山25m射电望远镜和VLBI记录终端MK5A系统,自行开发的相干消色散处理软件(Linux操作系统下C语言调用MPI库)和4节点机群系统,建立了脉冲星相干消色散观测系统。     

小波分析理论在GPS技术中的应用

在GPS数据处理中，存在着误差影响、影响波的干扰、周跳和数据量大等问题。误差影响和影响波的干扰实质是在接收卫星信号时受到其它因素的影响；周跳是由于卫星信号的失锁而造成信号的不连续；数据量大是因为GPS观测需要采样间隔小又连续观测所致。由于小波理论具有时频分析、波形分解、特征提取和快速小波变换等特性，应用小波变换和波形分解可以解决误差影响和影响波的干扰的问题；应用特征提取可以解决周跳检测问题；应用快速小波变换可进行数据压缩。     

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。     

一种基于小波熵的时间尺度算法

结合小波分析和熵的基本理论,在分析国际原子时TAI的基础上,提出了基于小波熵的时间尺度算法．通过对原子钟信号进行多尺度分解,根据能量划分,综合所有尺度的小波系数得到小波熵,然后利用小波熵对原子钟进行加权．最后,通过某实验室的实测数据对算法进行了检验,结果表明:这种方法能够综合各原子钟信号在不同尺度上的频率波动特征,明显提高了时间尺度的稳定度．