一种基于IWOLA的脉冲星消色散数字终端设计

在基于FPGA的脉冲星消色散数字终端中,为了解决片内高速RAM资源的系统设计瓶颈,提出了一种基于IWOLA算法的多相滤波器组(PFB),并基于该算法构建了一种针对宽带实输入信号的脉冲星消色散数字终端.该数字终端通过约简多子带进行处理.理论分析结果表明,该数字终端节省了系统对高速RAM和后续信号处理单元的需求,在保证时间分辨率的前提下提高了频率分辨率.另外,该数字终端计算效率高,且克服了基于PDFT算法的系统设计缺陷.当脉冲星消色散终端中FFT模块的长度为8 192时,基于IWOLA算法的脉冲星消色散数字终端最大节省了25%的BRAM资源.仿真实验结果表明,该系统的性能满足设计要求.     

射电终端发展与110m射电望远镜终端系统

终端系统作为射电望远镜的组成部分,将接收机放大的射电信号作为输入,功能是实现射电信号的数字化和信号处理,并将处理后的数据送入存储设备.数字终端已替代模拟终端成为射电望远镜的标准配置,多功能数字终端系统日趋完善.硬件平台包括现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)、图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)、中央处理器(Central Processing Unit,CPU)和集成众核(Many Integrated Core.MIC)等,为数字终端的研制提供了丰富选择.计划在新疆奇台建设的110 m射电望远镜(QiTai Radia Telescope,QTT)设计了L,S,C,K波段宽带/超宽带单波束接收机,L波段相控阵馈源(Phased Array Feed,PAF)和Q,W波段传统多波束接收机,需研制匹配的超宽带数字终端系统.本文在综述了射电望远镜终端系统的发展和国内外现状基础上,构思和讨论了采用开放FPGA平台+GPU集群为基础的QTT终端系统的设计方案和研制思路.     

利用默奇森大视场阵列旁瓣探寻北天脉冲星

探索新的方法对发现和观测脉冲星具有重要意义.本文利用澳大利亚的默奇森大视场阵列望远镜MWA(Murchison Wide-field Array)中心频率185 MHz的观测数据进行脉冲星搜寻,探测到了两颗高纬度北天脉冲星,经分析认定为J0332+5434和J2219+4754.它们位于MWA主波束视场以外赤纬30°以北,而落在MWA非相干波束的北天旁瓣.虽然射电望远镜旁瓣的灵敏度远低于主瓣,但大多数脉冲星的低频流量更高,因而仍然可以利用低频望远镜旁瓣对它们进行搜寻与观测.本文将对低频脉冲星的搜索流程和结果进行阐述,并讨论利用MWA射电望远镜旁瓣进一步搜寻和观测北天脉冲星的可能性.通过对已知射电脉冲星的统计和MWA探测灵敏度的模拟,预计有30颗已知北天脉冲星可以在MWA旁瓣中被探测到.此工作是未来使用SKA低频阵列搜寻北天脉冲星的有益探索.     

QTT超宽带多波束信号接收与处理系统

新疆奇台拟建的110 m全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope, QTT),主要用于脉冲星观测、引力波及黑洞探测、恒星形成和星系起源等基础科学研究领域.为了满足众多科学需求,将配备各种超宽带、多波束、高灵敏度接收机与处理系统,其主要功能是将射电望远镜收到的微弱的电磁波信号经接收机放大、滤波、变频之后在数字终端进行处理.由于该系统决定了射电望远镜的工作带宽、瞬时带宽和视场,并与灵敏度具有紧密联系,因此作为该大型射电望远镜的重要组成部分,对于望远镜的性能具有至关重要的作用.本文具体展示了QTT超宽带多波束信号接收与处理系统配置方案和主要性能指标,系统地论述了QTT接收机与信号采集与处理系统初步技术方案,分析了信号接收与处理系统的关键技术问题.     

天文数据索引技术综述

信息技术、制造技术的蓬勃发展为提高射电望远镜灵敏度和分辨率奠定了基础.随着观测设备接收面积的增大及多功能数字终端技术的发展,天文观测设备的数据收集能力也得到了大幅提升,天文数据已经进入了PB量级时代.然而海量的观测数据并非全部实现了全世界范围的开放共享.部分新投入或正在建设中的大型天文观测设备在设计过程中并没有充分考虑到数据管理问题;已有的观测数据采用离线存储在磁盘或磁带上没能实现数字化:发表的文章所用到的数据没有进行有效归档,使他人无法重复数据处理;部分国家或地区的网络限制使科研人员无法在线获取归档数据.本文以目前主流的单天线和阵列射电望远镜为基础,综述各观测设备现状及数据管理相关情况.以虚拟天文台相关协议标准为依据介绍如何通过最新的虚拟天文台(Virtual Observatory,VO)技术实现数据发布及无缝透明的资源连接与访问.分析了目前常用的索引技术B-Tree,R-Tree,HTM,HEALPix,Q3C的特点,最后给出针对新疆奇台110 m射电望远镜数据管理方面可选择的关键技术.     

脉冲星衍射式闪烁观测研究进展

介绍脉冲星星际闪烁效应产生的机制,简要描述衍射式闪烁的观测研究方法,并总结了近些年衍射式闪烁观测研究的进展,主要包含使用闪烁效应限制星际介质电子密度涨落谱、估算脉冲星切向速度、分辨脉冲星射电辐射区尺度、获取脉冲星双星轨道参数、搜索脉冲星的非脉冲射电辐射等,以及总结了国内一些射电望远镜对脉冲星闪烁观测研究工作及FAST观测预期.     

中国大型射电望远镜在引力波探测方面的潜在突破

中国已经建设、正在建设和将要建设成更多的射电望远镜,本文着眼于讨论这些望远镜在引力波直接探测方面的潜在突破.其中,基于最新的脉冲星噪声参数和望远镜设计指标,计算了使用不同射电望远镜以及他们的组合开展脉冲星测时观测的技术能力,在此基础上进一步计算并讨论了利用这些望远镜开展脉冲星测时阵列的可能性及其引力波探测的能力预期.研究发现,大型望远镜如贵州500m口径球面射电望远镜和计划中的新疆奇台110m全可动望远镜的配合将大幅度提高现有国际脉冲星阵列测时能力,建成这些望远镜之后,极有可能在短期内获得重大突破.     

FAST——脉冲星观测研究的利器

 2016年9月25日落成的中国自行设计建造的500 m口径球面射电望远镜（FAST）是目前全世界最大口径的射电望远镜。在调试期间已成功发现了脉冲星,实现了国内设备发现脉冲星的零突破。脉冲星是宇宙中的一类奇妙天体,是验证强引力场、强磁场和高密度等极端物理环境下物理规律的"天然实验室"。作为脉冲星研究的利器,预计FAST大规模巡天能够大幅提高已知的脉冲星数目。FAST还将在低频引力波探测、脉冲星物理、星际和星系际介质探测、脉冲星时间尺度建立及脉冲星导航等领域取得突破性进展。在上述研究中,国内天文设备取长补短、相互补充,有望实现中国脉冲星观测研究跨越式发展。     

基于多波束接收机的FRB实时搜寻终端设计

快速射电暴(Fast Radio Burst, FRB)是一种偶发的、瞬时射电暴,为了探测到更多的样本进行研究,本文基于多波束接收机开发了一套实时搜寻终端,该系统包括信号采集与处理、单波束信号处理、多波束信号合成与分析、探测结果存储与发布等单元,可以对多路波束信号进行同时采集和分析,利用多波束的信号参考效应消除干扰,提高探测准确率.在某射电望远镜上进行了观测实验,通过捕捉脉冲星的单脉冲信号检验了FRB信号的探测功能,结果表明该终端可实现准确、实时的FRB探测.     

脉冲星发现50年

 脉冲星自1967年发现以来,50年的观测和理论研究取得巨大进展,期间曾2次获颁诺贝尔物理学奖。脉冲星以其高度致密和强引力场堪称宇宙天然实验室,可用来验证爱因斯坦广义相对论及进行引力波探测,推动了天文学与物理学研究的发展。本文简介了脉冲星的发现及其性质,并综述了脉冲星导航以及最近建成的500 m口径球面射电望远镜（FAST）的脉冲星探测研究进展。     

新疆天文台脉冲星数据检索

新疆天文台南山观测站25 m射电望远镜(简称NSRT) 2002年L波段常温接收机制冷改造完成后,脉冲星观测系统灵敏度达到了0.4 m Jy,实现了200多颗脉冲星的常年监测. NSRT通过近20年的观测产生了大量有价值的科学数据.南山观测站脉冲星数据通过300 Mb/s专线传输到70 km外的新疆天文台本部数据中心进行长期存储,通过南山观测站及新疆天文台本部的数据存储系统实现了脉冲星数据的远程异地容灾备份.元数据提取、数据归档及发布由位于新疆天文台本部的数据发布系统完成,截至2018年11月底已发布脉冲星观测数据87000多条,最大文件1 GB,脉冲星数据格式为PSRFITS.脉冲星数据服务提供了锥形检索及多目标约束检索,数据发布基于虚拟天文台标准并已将脉冲星数据服务注册到国际虚拟天文台联盟,用户可通过标准虚拟天文台工具实现检索、访问与处理.     

FAST的进展——科学、技术与设备

随着射电天文学的发展,高灵敏度的大口径射电望远镜成为射电观测的重要设备.我国正在建设中的500 m口径球面射电望远镜(FAST)将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它有望在中性氢巡视、脉冲星搜索、国际VLBI网联测及地外生命搜寻等重要前沿领域取得突破.本文介绍了FAST工程概念的提出及望远镜概况,列出了FAST的主要科学目标及早期科学准备,重点叙述了FAST工程在科学、技术与设备方面的最新进展,并对FAST工程的发展做出了展望.     

脉冲星PSR J1224-6407的偏振、频谱和到达时间的研究

使用澳大利亚帕克斯射电望远镜对PSR J1224-6407进行了3个波段的研究，观测数据的时间跨度约10 a. 3个波段观测中心频率分别为732、1 369 MHz和3 100 MHz.将测量得到的流量密度与文献中的频谱数据相结合，得出脉冲星的频谱特性.用简单的幂律谱模型对频谱进行了拟合，得到谱指数为-1.45.用PSRCHIVE软件得到3个频率下平均脉冲轮廓和偏振观测结果，脉冲总强度、圆偏振、线偏振和偏振位置角曲线随频率表现出了不同的变化.在1.4 GHz的频率下，分析了脉冲星的计时残差，更新了脉冲星的位置、自转周期和周期导数等基本参数.     

超宽带脉冲星信号采集与处理架构设计及功能验证

采用超宽带观测系统对于提升脉冲星到达时间精度具有显著效果,但超宽带接收系统所产生的超高速数据流对终端系统的实时传输、分发和处理形成了较大挑战.本文以QTT规划的S波段超宽带接收系统为对象,采用先进的射频信号直接采集和混合架构多功能天文计算模型设计了脉冲星信号采集与处理系统架构.采用一块RFSoC平台将宽带模拟信号分为2个模拟子带进行采集,然后信道化为多个数字子带并通过2个100 Gb网络端口分发至多个HPC处理节点进行实时处理,可实现3 GHz宽带信号的同步采集和多功能处理,系统架构简洁、可扩展性强.对射频信号分段采集、100 Gb网络多路分发、VDIF数据格式封装等功能进行了测试,并开展了单子带脉冲星观测实验.     

一个脉冲星模式变化的观测和研究

用我国自行研制的脉冲星观测系统在新疆乌鲁木齐天文站２５ｍ天线上成功地观测了８颗脉冲星,并观测到ＰＳＲ１１３３＋１６的模式变化现象,就脉冲星模式变化总题进行一些探讨。     

从宋代“客星”到中国“天眼”中的脉冲星——“李约瑟难题”试答

 研究和分析了中国古代天文学的辉煌成就与当今中国“天眼”--500 m口径球面射电望远镜（FAST）科学目标--脉冲星的关系。针对宋朝天文学家记录的客星与FAST正在进行的脉冲星观测，详述了宋代客星记录在世界科技史上的贡献；介绍了脉冲星发现历史与基本天体物理特征，以及脉冲星作为FAST科学目标的意义。以客星到脉冲星的千年追寻为线索，探索和尝试回答“李约瑟难题”，认为现代科学是人类文明共同体的长期探索结晶，中国在科学早期的发育过程中播撒了创新火种，而西方在文艺复兴运动中不断完善了科学体系，其中东西方科技的交流与传播得益于蒙古帝国在丝绸之路的远征与开拓。     

Hurst指数在脉冲星计时残差分析中的应用

利用从北美计时阵(NANOGrav)观测的14颗毫秒脉冲星数据,在时域范围内分析了计时残差的观测特征.通过研究发现,脉冲星计时残差的均方根与Hurst指数取值无关.长观测时间跨度有利于Hurst指数判断残差的有偏特性.通过比对数据,多种计时噪声估计均表明,Hurst指数分析能有效判断脉冲星计时残差数据是否存在低频红噪声,这有利于与主流红噪声分析方法互相证认.上述结果将进一步拓展脉冲星计时噪声在时域的分析.     

脉冲星的周期变化与地壳运动

本文研究脉冲星的周期变化与地壳运动的关系,指出:(1)由地震引起的板块运动和板内运动会影响观测到的脉冲星的脉冲周期的变率,特别是一些周期变率较小的脉冲星,这种影响将产生显著的观测效应;(2)分析现代脉冲星的观测资料,有助于研究板块结构,板块运动和地震预报.     

大口径射电望远镜超宽带接收机技术发展

新疆奇台拟建的110m全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope,QTT),在引力波探测、黑洞发现、恒星形成、星系起源等基础科学研究领域将发挥重要作用,并可发展应用于深空探测,如探月工程与火星和金星探测.满足众多科学需求需装备超宽带、多波束、高灵敏度接收机系统,而大口径射电望远镜接收机技术面临众多挑战.本文论述了国内外射电天文领域大口径射电望远镜接收机技术发展,包含超宽带馈源/极化器、超宽带低噪声放大器、多波束接收机技术的发展与现状,分析了接收机研制过程中的难点与挑战.基于QTT科学目标和技术进展,给出了初期的接收机系统配置方案,分析了接收机的馈电形式、关键器件研制与选型、关键问题与难点.     

110m口径全可动射电望远镜专辑·编者按

<正>射电天文学诞生并发展于20世纪30年代初,为人类认识宇宙打开了一个全新的探测窗口.二次世界大战后,军用雷达被广泛用于民用天文观测,同时,一大批专用于天文研究的射电望远镜也相继建成和运行,使射电天文进入蓬勃发展的黄金期,直接促成了60年代的现代天文学"四大发现"——类星体、脉冲星、星际分子、宇宙微波背景辐射,使得射电天文成为现代天文学最活跃、最前沿的分支.