基于星表的射电干涉阵成像评价指标研究

为了满足新一代射电干涉阵望远镜对成像结果进行质量评价的迫切需求,文章以仿真数据为基础,通过比较在成像结果上进行源搜寻得到的星表与仿真时所使用的已知参考星表之间的差异,展开对射电干涉阵成像质量评价指标的研究。不同于常用的将两个星表进行交叉匹配并比较匹配源的诸如位置、流量密度等属性的精度,文章提出了使用度量两个元素集或者分布之间差异的推土距离(Earth Mover's Distance,EMD)来量化两个星表之间的差异,以更鲁棒的数值指标评价成像质量,为进一步研究更加鲁棒的射电干涉阵成像评价指标提供了有益的参考,也有助于射电干涉阵望远镜最终获得更高质量的科学数据。

干涉仪仪器传递函数噪声容限分析与优化

在高精度平面干涉仪系统评价标准中,仪器传递函数(Instrument Transfer Function,ITF)已经逐渐成为干涉仪性能的重要评价指标,它准确地反映了光学系统对于测量形貌不同空间频率的分辨能力。然而,ITF测试过程中的实验环境要求较为严格,干涉仪系统噪声会导致测试结果产生较大失真。为了能够准确表征干涉仪系统的性能,通过仿真分析与实际实验结合的方式,将仿真干涉图引入不同量级的高斯随机噪声,探究了噪声对于ITF测试结果的影响,提出测试误差的评价指标ITF_(RMS)值,分析了干涉仪系统的噪声容限,依据评价指标提出了几种不同的ITF测试优化方法,并搭建实验系统进行分析验证。实验结果表明,在未优化的ITF测试流程中,所搭建的干涉仪系统ITF测试的ITF_(RMS)值为0.1112,而优化后同样噪声量级的干涉仪系统所得ITF_(RMS)值则分别降至0.0693,0.0367,0.0579。此结果证明了优化方案的可行性,该方案能有效抑制干涉仪系统ITF测试过程中的噪声干扰影响。

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。

相控阵馈源MVDR波束合成器缓解RFI仿真

相控阵馈源(Phased array feeds,PAFs)接收机作为下一代微波接收机,为大口径射电天文望远镜的射电干扰(Radio Frequency Interference,RFI)缓解工作带来了新的解决方法.PAFs接收机对射电望远镜焦平面的电磁波进行空域采样,返回时域阵列信号,使用最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束合成器可以自适应地识别RFI的方向,同时抑制RFI在输出信号中的功率,从而达到提升射电望远镜灵敏度的效果.仿真结果表明MVDR波束合成器对有源高能量的射电干扰有很强的识别能力和一定程度的缓解能力,同时,该波束合成器对各阵元信道中加性噪声累积引起的无源干扰有很强的抑制能力,因此,PAFs接收机的MVDR波束合成器可以增强日益复杂电磁波环境下射电望远镜的抗干扰能力.

多自由度激光干涉空间惯性质量块位姿测量

鉴于通过测量高精度的位移数据可以获得高精度的微重力加速度数据,进而服务于多种空间科学载荷的研究任务,提出了一种基于三组正交对称角锥棱镜的双频光路,利用外差干涉测量技术实现空间惯性质量块的六自由度位移和角度测量的方法。通过光路矢量分析建立了实际角锥棱镜的光路模型,考虑质量块在运动过程中带来的附加光程差,推导了各测量光路的光程变化与质量块六自由度位姿的函数关系。为了克服小角度近似法精度不高的缺陷,提出了利用数值计算法解耦姿态角进而获得相对位移的位姿解算算法。利用空间在轨位姿数据和随机位姿数据进行系统仿真。仿真结果表明:数值计算的位移误差小于0.02 fm,且该方法的计算误差不会随着飞行器振动的增大而变大,算法具有更高的精度和更好的适应性。最后,分析了系统的误差来源,在保证角度安装误差小于5 mrad、距离安装误差小于10μm且平行度小于2 mrad时,系统的姿态角测量误差小于0.017°,位移测量误差小于10 nm。本文提出的六自由度测量及解算方法也可以服务于其他精密加工与检测领域。

基于RASCIL的W-projection和W-stacking并行算法实测研究

在射电干涉阵的大视场成像中,W-projection和W-stacking是两类主要成像方法,本文对这两种成像方法进行了并行实测研究。首先分析了两种成像方法的基本原理框架,在此基础上对两种成像方法并行实现的关键因素进行讨论和分析。利用已经校准的射电干涉阵观测数据对两种成像方法基于射电天文模拟、校准和成像库(Radio Astronomy Simulation,Calibration,and Imaging Library,RASCIL)分别进行并行策略研究和并行计算实验。通过对并行计算时间、并行效率和并行资源配置模式的分析,得到了两种成像方法基于RASCIL(https://gitlab.com/ska-telescope/external/rascil)的并行计算性能,结果表明,两种成像方法都适合采用Strong Scaling的并行资源配置模式进行并行计算,基于RASCIL的W-stacking并行计算还有比较大的性能提升空间。

纳秒脉冲激光辐射黑火药的光声信号快速检测方法及分析

为深入了解激光与黑火药的相互作用机理,研究采用基于Michelson干涉的相位调制超快光声探测方法,对纳秒脉冲激光作用于硝酸钾、硫磺、石墨以及黑火药表面激发的光声信号进行了检测,分析讨论了光声信号中的物理和化学反应过程信息,建立了光致黑火药反应的速率模型。结果表明:在纳秒激光辐照下,黑火药未发生显著的热化学反应,但是存在其他形式的反应,并且该反应增强了光声信号;黑火药的光声信号强度与激光脉冲能量呈近似线性关系;黑火药的反应速率与激光脉冲能量呈近似正相关,在激光脉冲能量较强时呈下降趋势,当激光脉冲能量为10 mJ左右反应速率达到最大值为20 mmol·s^(-1)。

基于主成分分析的白光干涉微观形貌测量算法

为了解决白光干涉相位求解问题,实现微观形貌的高度测量,提出了基于主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)的白光干涉(White Light Interferometry,WLI)微观形貌测量算法。通过搭建的白光干涉显微系统采集多幅干涉图,将其重构成向量形式。在一组干涉图中,用时间平均值来估计背景照明,消除背景光成分。然后,通过矩阵运算得到代表原始数据的特征值及其特征向量。最后,通过反正切函数计算物体的包裹相位分布。实验结果表明,本文所提方法对于标定高度为956.05 nm的台阶测量结果为953.66 nm,且可以获得与迭代算法近似的解,而本文所提方法与迭代算法相比,处理速度提高了2个数量级。利用本文方法分析了表面粗糙度为0.025μm样块的干涉条纹。结果显示:计算得到的表面粗糙度均值为24.83 nm,标准差为0.3831 nm。本文提出的方法解决了单色光干涉测量中的不足,还具有计算简单、速度快及精度高等优势。

深空探测中地基测量数据传播介质误差修正方法

深空探测中探测器轨道主要采用地面跟踪站进行测量,无线电信号在探测器与地面跟踪站间传输时会受到地球传播介质误差的影响。传播介质误差主要包括地球的中性大气时延误差和电离层时延误差等。针对传播介质误差修正在深空探测中的应用需求,调研了国内外地基测量数据传播介质误差研究进展,重点阐述了深空探测中VLBI地基测量数据中性大气和电离层时延产生的机理和修正方法。针对关键技术及未来发展趋势进行了分析,以提高传播介质误差修正精度及时效性。

任意形状孔径的干涉图时空移相方法

移相干涉术作为一种高灵敏度的非接触式光学测量方法,在精密测量领域得到了广泛的应用。时空移相方法(spatiotemporal phase-shifting method,ST-PSM)作为一种高精确度的移相算法,可避免传统移相算法的周期误差。这使得该算法适用于存在背景光强不均匀、调制度波动以及移相误差的情况,同时也能测量畸变的干涉条纹图像。然而,该方法中的插值拟合步骤要求干涉图呈矩形区域,对于非矩形孔径的光学元件,无法测量其面形全貌。为突破该局限性,提出将干涉图延拓技术与该方法结合,移相干涉图经延拓成矩形后,再使用时空移相方法进行相位提取,以获得完整的面形信息。数值模拟及实验结果显示,就相同形状下的干涉图,经延拓后使用时空移相方法相较于未延拓测得的波面峰谷值与均方根值更精确。以圆形为例,经延拓后峰谷值由0.1236λ降至0.0446λ,均方根值由0.0117λ降至0.0109λ(λ=633 nm)。结果表明该方法可用于非矩形光学元件的精确测量。

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,CSRC-P)上实现了多条管线并行处理,使用GLEAM-X观测数据验证成像管线系统的部署和测试其正确性.随后为了优化管线提高处理效率,使用数据激活流图形引擎(Data Activated Liu Graph Engine,DALiuGE),将成像管线集成入DALiuGE执行框架中实现了管线的自动化分布式并行处理.通过性能测试与结果分析表明,基于DALiuGE执行框架进行优化的成像管线相较于传统的并行方式具有更好的性能优势、更灵活的适配性和可扩展性,可支持未来SKA第一阶段试运行期间的大规模连续谱成像实验.

基于长椭球面波函数去卷积方法的高动态范围太阳射电成像

利用综合孔径射电望远镜对太阳进行观测时,通过对图像中存在的明亮扩展源进行准确建模并移除,可以更好地观测视场内的微弱源并提高图像的动态范围。在射电天文领域,主要利用CLEAN算法对图像中的明亮源进行移除,以显示微弱的背景。然而,使用图像像素作为基函数的CLEAN算法的固有限制导致其对扩展源的建模效果较差。为了克服这种限制,将基于长椭球面波函数(Prolate Spheroidal Wave Functions,PSWF)的去卷积方法应用于太阳射电成像。PSWF最优正交基由脏图中的感兴趣区域(Region of Interest,ROI)和UV覆盖共同决定。为了验证该方法的有效性,基于PSWF正交基对均匀圆环阵观测的太阳射电图像进行去卷积,并从动态范围和保真度两个方面定量化对比了CLEAN算法和基于PSWF正交基方法的性能。基于PSWF正交基去卷积方法剩余脏图中的微弱源更接近真实情况且动态范围更高。

采用双频光栅投影的快速傅里叶变换轮廓术

傅里叶变换轮廓术中通过反正切计算出的相位是截断的,如果被测物高度变化引起的相邻点的非截断相位变化过大,就无法直接进行正确的相位展开。故提出一种采用双频光栅的快速傅立叶变换轮廓术:从一帧条纹图中获取同一物体对应于不同等效波长的两组截断相位,先展开对应于低频的低精度截断相位,并以此为参考,根据双频光栅两个频率之间的关系,展开对应于高频的高精度相位。经过模拟比较,在误差范围内比传统方法恢复的图形有了较大的改善,相对误差率由2.26%下降到1.79%。

VLBI观测双线极化条纹拟合方法

提出了一种可用于下一代VLBI观测系统(VGOS)的双线极化条纹拟合方法。现有的VLBI观测模式采用的是右圆极化(RCP),而VGOS系统采用的是双线极化。本文方法包括校正和组合条纹拟合两部分。校正部分选择一颗强源作为参考源,分别得到不同极化方式下的通道时延及相位校正数据,用于目标源的校正。组合条纹拟合部分将4种极化分量的可见度数据组合成伪Stokes分量,通过搜索差分星位角使伪Stokes分量的幅值达到最大,从而获得最终的时延观测量。与单极化条纹拟合相比,组合极化获得的条纹具有更高的信噪比(SNR)及更小的条纹相位弥散度。

VLBI测控信号群时延及相时延解算方法研究

由于探测器天线没有对准地球,遥测信号时有时无或卫星飞离地球更远,导致地面接收到的测控信号带宽变窄,使VLBI群时延测量误差增大,野值点增多。针对这些情况比较了剔除野值点加权幅度的直线拟合、剔除野值点加权幅度平方的直线拟合、剔除野值点加权幅度3次方的直线拟合和剔除野值点加权幅度4次方的直线拟合在求解测控信号群时延时的优劣,得出剔除野值点加权幅度平方的直线拟合3基线群时延闭合效果最好和可决系数平均值较大的结论,并作为测控信号群时延拟合方法。为了进一步减小VLBI时延测量误差,还研究了将含有整周模糊度的相时延在整个观测期间内进行连接,并整体移至群时延中间位置的处理方法,从而得到了含微小偏移量的相时延数据。含微小偏移量的相时延随机误差与群时延相比大幅降低,系统误差相对来说更易在定轨处理中解算。这为嫦娥二号奔向远方等信号变弱情况下的时延测量精度的提高提供了一种新方法。

基于CLDAS温度适宜度指标空间化方法

为了避免站点观测数据空间插值误差,提高玉米温度适宜度指标空间化精度,本文利用陆面数据同化系统CLDAS逐小时气温同化数据,基于内蒙古玉米动态适宜度计算方法,利用GIS空间分析和建模功能,构建逐日温度适宜度指标的空间化计算模型。该模型根据温度适宜度动态模型计算指定日期的"三基点"温度指标空间分布;结合CLDAS日平均气温空间分布,利用条件函数实现适宜度指标分段空间化计算。以2015年5—8月为例,进行常规气象站点误差检验,结果表明:常规站检验最大绝对误差0.156,90%的站点绝对误差小于0.1;最大相对误差36.9%,70%的站点相对误差不足8%;CLDAS数据很好的把握了5月高温、8月低温的不利影响,适宜度为0。基于CLDAS气温拟合数据的温度适宜度模型流程清晰实用,适宜度指标空间化精度较高。

VLBI软件相关处理机研究进展及其在深空探测中的应用

甚长基线干涉测量(VLBI)是重要的射电天文技术,具有极高的空间分辨率,是国际上广泛采用的深空探测器高精度测量手段,相关处理机则是VLBI数据预处理的核心设备。由于VLBI观测数据的相关处理具有数据密集和计算密集的双重特点,目前绝大多数均由专用的大规模高速硬件相关处理机承担。随着通用计算机性能的迅猛发展,基于通用商用计算机的VLBI软件相关处理机的研究逐渐得到重视,并发展迅速,成为VLBI技术领域新的研究热点。软件相关处理机具有制造价低、复制容易、升级简便等特点,有可能在不久的将来,以深空探测领域为切入点,得以普遍应用,并且在常规天文数据相关处理中替代现有的硬件相关处理机。

实时VLBI技术

随着通信技术的发展出现了用数据通讯网络代替磁带记录与传输 ,将数据直接传至数据中心处理的实时VLBI技术 ,它包括准实时和真实时VLBI两个技术层次 ,是VLBI技术的一次飞跃。实时VLBI除具备传统VLBI的高精度、高灵敏度和全天候、全天时被动观测能力以外 ,还具有设备简化、自动化程度高、实时性、易于利用现代通信技术获得宽带能力与高灵敏度等突出特点。它在VLBI台站检测、航天器精密跟踪、UT1加强观测和传统的测地和天文学观测领域均有重要的科学意义和实用价值。

长基线天线组阵及其在深空遥测中的应用

天线组阵技术可以提高接收深空探测器微弱信号的链路余量。文中针对具有较低码速率的遥测信号进行了长基线信号合成实验,结合遥测信号基带信号处理软件平台对实验结果进行分析。同时研究了全频谱合成、基带合成和符号流合成三种基本信号合成技术的信号处理和技术要求;并利用我国甚长基线干涉测量网(CVN)接收和处理嫦娥二号卫星的遥测信号,探讨了这三种天线组阵信号合成技术的性能。结果表明:如果消除1比特量化的影响,由符号信噪比估计得到的信号合成效率均可在90%以上。这充分验证了长基线天线组阵技术的可行性,也为将来更远距离的深空通信提供了一种有效的途径。

藏东南溜砂坡的发育特征与防治

溜砂坡灾害是我国西部山区一种常见的地质灾害,属于广义滑坡中一种特殊类型。我国西藏东南部的溜砂灾害十分发育,危害严重。典型的溜砂坡通常经历碎屑和砂粒的产生、溜动以及在坡脚堆积三个过程。在溜砂坡的形成过程中除重力作用外,发挥主导作用的是物理风化作用。同时,溜砂坡是特殊的环境条件下的产物,研究区溜砂坡多发生于6 000年BP以来,对应于中国石笋记录的季风区在早全新世以来降雨量的减小,是对全球气候变化的响应。溜砂坡可按其砂源形成模式、发育地貌部位与溜砂特征分为原生型溜砂坡和再生型溜砂坡两大类。其中原生型溜砂坡适宜采用避让与清除、排砂工程与拦砂工程等措施,而再生型溜砂坡则应采用砂源区控制工程、固砂工程及拦砂工程等措施。