宇宙黎明全天频谱实验研究进展

探索宇宙黑暗时代、黎明时代和再电离时代对于理解宇宙的演化具有重要意义,一直是天文学研究的一个重要方向。从2000年前后开始,人们尝试利用200 MHz以下的红移中性氢21 cm辐射对宇宙早期的演化进行探测,主要是两条路径,一种是利用大规模阵列对中性氢辐射进行三维成像或空间功率谱测量,另一种是通过单天线对21 cm中性氢全天平均频谱进行测量。后一种测量设备规模小,只需要单天线,但要求接收机具有高精度的校准能力。本文主要介绍近年来我们在国家天文台红柳峡观测站开展的全天频谱探测实验的进展情况,包括多种非频变天线设计、创新性的多通道交叉验证接收系统设计思想,以及初步的实验进展等,实验结果显示利用天线模拟器得到系统校准精度残差小于0.025 K,达到了自校准精度的国际水平。这些设备的研制和实验的开展将有力地推动我国未来的月球轨道或月基全天频谱探测项目。

马吕斯定律用于退偏振片时的修正及实验验证

在考虑二向色性偏振片存在退偏振的情况下对马吕斯定律进行了推广,建立了自然光通过两个非理想偏振片时透射光强度的物理模型,并进行了实验验证.实验结果表明,该物理模型与实验数据符合较好,大大改善了"验证马吕斯定律"的普通物理实验中数据与理论的符合程度,实验误差明显减小,相对误差在5%左右.本模型实验原理简单,物理图像清晰,是与实验符合很好的简化模型,有助于降低实验室的维护成本,开阔学生的思维,培养学生的创新素质和创新能力.

基于ROACH2-GPU的集群相关器研究——X-engine模块的设计与实现

随着射电干涉技术的不断提升,干涉阵列规模越来越大,观测能力逐渐增强,但随之而来的是超大数据的实时处理问题。针对该问题,结合射电干涉仪相关器在数据运算和传输等方面的需求以及射电干涉阵列信号的特征,研制了一套基于图形处理器集群的通用相关器并用于"天籁计划"的数据处理:首先根据射电信号的关联计算特性,按频段将计算任务分配到不同图形处理器节点,并合理均衡各节点网络负载;然后由不同图形处理器节点独立完成各自的计算任务并将计算结果实时送往存储节点;最后按图形处理器集群通用相关器的设计方案成功安装部署系统并根据"天籁计划"一期的需求进行了性能测试。该图形处理器集群相关器计算性能约为理论峰值性能的46%;相对于传统方案的相关器,基于图形处理器集群的相关器具有开发周期短、可扩展性强、部署简单等优势。

基于ROACH2-GPU集群相关器的研究--F-engine模块的设计与实现

相关器在射电天文中具有重要作用。以往的相关器多采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者特定用途集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)技术,开发周期长,不便扩展和改进升级。近年来许多新研制的射电干涉阵相关器采用具有通用架构的现场可编程门阵列和图形处理器的相关器。针对暗能量射电探测实验(天籁计划)的需求,开发了一套基于可重构开放架构计算硬件(Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware,ROACH2)和图形处理器的异构相关器,将相关器的数据采集、快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)等功能与复数乘累加运算功能分开,充分利用了现场可编程门阵列的硬件资源和图形处理器的运算速度。该相关器易于扩展,且运算负载可根据实际运算能力进行不同节点的分配,非常灵活。目前已经应用到天籁计划项目中。

四通道可拓展射电数字接收机系统

针对目前射电观测设备对数字接收机高采样率、宽带宽、多通道幅相一致,以及高速率直接采样和时域数据存储的需求,通过调研分析多个射电观测设备的数字处理系统的技术架构和功能,提出了基于ZYNQ SOC和ADS54J60等核心器件实现的4通道数字接收机系统方案。单通道最高可实现1 GSPS采样率,具有灵活可拓展的优势,可以通过添加板卡实现采样通道数的增加,能够满足未来大规模可拓展射电干涉阵列的需求。系统由高速数据采集卡、光通信接收卡、服务器3部分设备组成,基于SerDes的高速串行接口技术目前实现16位量化精度、300 MSPS的直接采样功能,具备60 dB满量程信噪比、40 Gbps的SFP+数据传输带宽、1.5 GB/s的PCIe通信带宽,可对4.5~150 MHz范围内中频模拟信号进行采集,目前该系统已经完成软硬件设计和测试。在测试中对频率为10 MHz、幅度为125 mV的正弦波信号进行采样,得到4通道间幅度差小于1 mV,相位延时小于3.3 ns。系统集成可编程SFP+通信接口和多机同步机制,可适应多元阵列同步采集的需要,可同时对原始射电信号的数据进行存储,为射电研究提供更详细的时域数据。

Dielectric and piezoelectric properties of(Li,Ce) modified NaBi_5Ti_5O_(18) composite ceramics

Nominal （Li0.5Ce0.5）x（Na0.5Bi0.5）（1-x）Na0.5Bi4.5Ti5O18 composite ceramics were fabricated using conventional solid-state reaction method. The coexistence of bismuth layer-structured phase and perovskite phase was determined in these ceramics using XRD technique. At room temperature, the x=0.11 sample showed the largest piezoelectric constant, d33, of about 26.5 pC/N and the largest electromechanical coupling factor, kt, of about 30%. Even after annealing at 500 ℃, the value of d33 was still about 19 pC/N, in x=0.08-0.11 samples. Moreover these composite ceramics showed low temperature coefficients of dielectric constant and high electrical resistivity in the temperature region of 450-550 ℃. These results indicated that （Li, Ce） modified NaBi5Ti5O18 composite ceramics were promising piezoelectric materials for high-temperature applications.

聆听宇宙的天籁之音

2016年春节后不久,我和三名同事就踏上了去往国家天文台红柳峡观测站的路途。5点起床,坐7点半的飞机,从北京飞行三小时到达哈密,再坐两个半小时的汽车翻过天山,来到巴里坤县城。下午3点钟,我们终于坐上了从县城开往大红柳峡乡的汽车。戈壁上一马平川,年前刚修好的公路延伸出去,望不到尽头。戈壁上单调的景色让人感觉不到汽车的速度,只有看一看路两边飞驰而过的公路里程牌,才知道我们的行驶速度已经很快了。