宽视场成像网格化算法中w-plane最优经验值研究

射电干涉阵列宽视场成像网格化处理过程中必须考虑w项的影响。w-projection和w-stacking是两种重要的宽视场成像网格化处理算法,w-plane参数是算法中影响计算速度和成图质量的一个重要因素。研究了w-projection和w-stacking两种网格化算法,利用SKA-1低频阵台站数据和ASKAP软件包进行模拟观测,对两种算法在不同w-plane参数取值情况下的成图速度和成图质量进行了定量分析对比。结果进一步表明,w-plane是性能改善的重要参数。针对w-projection算法,w-plane取值应比一般给定的经验值大才能得到较好的成像效果。w-stacking算法虽然有很大的速度优势,但算法实现中w-plane的影响更为显著,给出了推荐的w-plane取值。本文的工作是大视场成像算法的基础性研究工作,对未来平方千米阵列科学数据处理中的管线设计有较好的参考价值。     

uv-faceting成像并行算法研究

uv-faceting成像是目前广泛使用的大视场成像技术之一,将被考虑应用于平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)第1阶段(简称SKA1)低频阵列的数据处理当中.由于SKA1产生的原始数据规模空前巨大,直接使用uv-faceting成像进行数据处理效率将会非常低.为此,提出了基于MPI (Message Passing Interface)+OpenMP (Open MultiProcessing)的uv-faceting成像算法和基于MPI+CUDA (Compute Uni?ed Device Architecture)的uv-facteing成像算法,对该算法中最耗时的数据读取和栅格化(gridding)这两个步骤进行并行优化.验证性结果显示提出的两种算法得到的结果与当前主流的数据处理软件(Common Astronomy Software Applications, CASA)得到的结果基本相同,表明提出的两种算法基本正确.对准确率和总运行时间的分析表明,无论在正确率还是运行速度上MPI+CUDA的方法比MPI+OpenMP的方法更优.性能测试结果表明提出的算法有效且具有一定的可拓展性.     

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,...     

面向宇宙再电离探测的基本数据处理方法

宇宙再电离时期(epoch of reionization, Eo R)的探测是SKA的重要科学目标之一,也是目前许多SKA探路者阵列的首要科学目标。由于宇宙再电离信号非常微弱,因此在数据处理的过程中存在许多难点,如高精度校准、大视场高动态成像等。对默奇森宽场阵列(Murchison Widefield Array, MWA)、低频阵列(Low Frequency Array, LOFAR)、21CMA阵列(21 Centimeter Array, 21CMA)等SKA低频先导干涉阵列的基本数据处理方法进行了综述,如干扰的识别与去除、数据校准、可视度研究以及成像研究等,并对数据处理时用到的一些常用技术与软件作了相应的介绍与总结。     

孔径阵列技术及其在射电天文中的应用

该文概述了近十余年来得到较多研究和发展的孔径阵列技术及其在射电天文中的应用,如高效馈源照明、扩大单反射面射电望远镜的视场、高效多波束、射频干扰抑制、对射电望远镜反射面缺陷的补偿等.随着孔径阵列(Aperture Array Tiles,简称 AAT)技术的日益成熟和成本的降低,AAT技术有可能成为全新一代射电望远镜(例如无反射面射电望远镜和软件射电望远镜)的基石.     

用于光学瞬变源搜寻的交叉证认快速算法

现代宽视场光学瞬变源巡天的大数据量特性和数据处理的高实时性要求,对利用星表交叉证认寻找瞬变源的方法提出了挑战.提出了一种基于等经纬分区建立空间索引的快速星表交叉证认算法.该算法通过对参考星表按相同经度和纬度间隔将视场所覆盖的天区划分为一个二维空间网格,并将二维网格直接与二维数组相对应,建立起星表的快速分区索引,从而实现处理速度的极大提升.算法的代码化测试结果为:对于天区覆盖为15°×15°记录条数为22万条的星表,在Intel Core i7 2600k CPU上的运行时间为0.3s,比多级三角划分算法(Hierarchical Triangular Mesh,HTM)快34倍.测试结果表明该算法能很好地满足,如地面广角相机阵这样的大型宽场瞬变源巡天项目的数据处理实时性需求.同时详细地分析了算法中各个参数的意义和优化方法,并对算法的特点和适用范围进行了深入的讨论.     

一种扩大FAST视场的方法

所有的大口径射电望远镜都存在这样一个问题：在其分辨率和灵敏度提高的同时，视场变小．而且口径越大，视场越小．这成为大口径望远镜不可回避的矛盾．要解决这个矛盾，可以在望远镜的焦平面上放置Ⅳ个分立馈源．让它们同时工作，这样可以看作把视场扩大了Ⅳ倍．望远镜的工作效率提高Ⅳ倍．但是这样做的缺点是——视场不连续．且馈源数目Ⅳ受到望远镜焦比(F／D)的限制．采用致密焦面阵(dense focal plane array)就可以很好地解决这个问题．致密焦面阵的单元不是喇叭口天线，而是无方向性的Vivaldi天线(Vivaldi antenna)．要把Vivaldi阵列应用到望远镜上，需要对单个Vivaldi天线和Vivaldi阵列的电性能有清楚的认识，并能根据需要来设计照明方向图．还要知道大望远镜的焦面上电磁场的分布情况，借此判断能否应用Vivaldi阵列，以及给出Vivaldi单元的分路赋权网络．主要给出了FAST的焦面场的分布情况．并说明应用Vivaldi阵列的可能性．     

组成干涉阵列的阵元数目问题研究

使用模拟干涉成像实验对组成干涉阵列的阵元数目进行讨论,假设分别使用从20个到100个天线组成干涉阵列,使用基因遗传优化的方法得出随天线数目的增加在旁瓣水平、能量覆盖率和平均方差等3种评价标准下的性能变化曲线,通过拟合得出天线数目与各种评价效果的函数对应关系,又进一步讨论了使用效果截断、增加阵元效率等方法为设计干涉阵列的阵元数目提出合理方案,为太阳低频射电阵列阵元数目的确定提供参考。     

用于光学瞬变源搜寻的交叉证认快速算法

现代宽视场光学瞬变源巡天的大数据量特性和数据处理的高实时性要求,对利用星表交叉证认寻找瞬变源的方法提出了挑战。提出了一种基于等经纬分区建立空间索引的快速星表交叉证认算法。该算法通过对参考星表按相同经度和纬度间隔将视场所覆盖的天区划分为一个二维空间网格,并将二维网格直接与二维数组相对应,建立起星表的快速分区索引,从而实现处理速度的极大提升。算法的代码化测试结果为:对于天区覆盖为15°×15°记录条数为22万条的星表,在Intel Core i7 2600k CPU上的运行时间为0.3 s,比多级三角划分算法(Hierarchical Triangular Mesh,HTM)快34倍。测试结果表明该算法能很好地满足,如地面广角相机阵这样的大型宽场瞬变源巡天项目的数据处理实时性需求。同时详细地分析了算法中各个参数的意义和优化方法,并对算法的特点和适用范围进行了深入的讨论。     

太阳低频射电干涉阵的构建仿真

介绍了低频射电干涉阵的发展情况、研究领域,讨论了国际上的LOFAR、LWA和MWA等低频射电项目.借鉴当今的低频射电项目,结合云南的地理和太阳射电优势,设想在云南省内构建一个太阳低频射电干涉阵,观测频率在30 MHz～250 MHz范围内,文中仿真了太阳低频射电干涉阵(4台站),比较和分析了通过优化算法得到的阵列的UV覆盖、脏束(Dirty beam);讨论了低频射电干涉阵的观测模式、射电干扰、低频射电成像等问题;分析低频射电阵在观测太阳爆发性活动产生的日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections,CME)、耀斑、射电爆发的可能性;通过上述的仿真和分析构建太阳低频射电干涉阵面临的问题,可以为今后建立阵列提供依据.     

光学系统参数确定带宽约束的天文图像盲反卷积

大气湍流极大限制了地基大口径望远镜观测天文目标图像的空间分辨率.根据最大似然估计原理,提出了用实际光学带宽约束的可有效减小天文观测图像中大气湍流影响的盲反卷积方法,通过共轭梯度优化算法使卷积误差函数趋向最小.建立了望远镜光学系统参数和图像频域带宽的关系,采用变量正性约束、点扩散函数带宽有限约束,提高算法的收敛性.为避免图像处理中有效傅立叶变换频率超出截止频率,要求采集望远镜焦面图像时单个成像单元(如CCD像素单元)应小于四分之一衍射斑直径.算法中未用目标支持域约束,所提出的方法适用于全视场天文图像恢复.用计算机模拟和对实际天文目标双鱼座图像数据的恢复结果验证了所提出方法的有效性.     

针对ASO-S/HXI光栅摆放角分布的测试与分析

先进天基太阳天文台(ASO-S)卫星的3大载荷之一硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager, HXI)是一套基于傅立叶变换调制成像技术的望远镜.它利用91组不同摆放角和节距的光栅子准直器排列摆布,获得45个基于空间调制的傅立叶变换对,重建太阳耀斑源30–200 keV的硬X射线像,最高分辨率可达3.1′′.在光栅节距已经确定的前提下,它的摆放角分布仍会影响成像质量.通过对HXI仪器傅立叶分量μν分布与点扩散函数(PSF)的空间演化关系分析研究,寻求HXI光栅摆放角的最优分布.其结果将作为改进HXI仪器设计和开发相应科学分析软件的依据.     

一种基于短时傅立叶变换的脉冲星消色散算法

叙述了一种基于短时傅立叶变换的脉冲星消色散算法。首先介绍了脉冲星的色散形成原因以及几种当今流行的消色散算法。接着介绍了短时傅立叶变换,并在此基础上提出了一种基于短时傅立叶变换的消色散算法。然后详细讲述了这种消色散算法的具体实现步骤,并且比较了在选取不同长度的时间窗函数的情况下,消色散的处理过程和残余色散量。最后,通过将这种算法的计算量以及结果和其他几种算法做横向比较,得出了结论:这种消色散算法的计算量小,实现简单,可以有效的进行消色散处理。     

基于CCD提高射电望远镜极轴校准精度及修正

射电望远镜极轴的安装定位是否准确直接影响其指向精度和成像质量,通过运用光学CCD原理精确测量射电望远镜极轴偏差角度,用以安装校准极轴,达到提高射电望远镜指向精度和成像质量的效果,并且结合计算机可实现多极轴同时校准,提高工作效率。同时,基于CCD技术可以及时发现天线极轴出现的偏差并进行修正,提高了数据的质量。     

新疆奇台110米射电望远镜主焦点馈源换馈方案研究

随着射电天文研究的不断深入,科学家对望远镜分辨率和灵敏度的要求也不断提高,同时要求望远镜具有更宽的观测波段。单口径望远镜低频波段用主焦点接收,馈源尺寸可以更紧凑。为了不影响双反射面天线次焦点的馈电功能,主焦点馈源的放置及换馈方案必须高效合理。以建于新疆奇台的110 m口径全可动射电望远镜为研究对象,以意大利SRT 64 m和德国Effelsberg 100 m射电望远镜为参考,对两种方案应用于奇台110 m射电望远镜的可行性进行分析,并提出一种利用线性模组进行主焦馈源快速切换的新型方案。进行了直线模组机构的建模和仿真,并对口径面信号遮挡进行了分析,结果表明,此方案能有效满足望远镜的工作需求。     

基于OMR的2．16米望远镜积分视场单元方案

基于积分视场单元的三维成像光谱技术日趋成熟,并且与传统的狭缝光谱仪相比有许多明显的优势。2．16m望远镜的OMR光谱仪是采用平面光栅分光的低色散卡焦光谱仪器,可以考虑对其进行积分视场单元的升级优化。在不改变OMR光谱仪自身结构,不影响现有功能的同时,利用“微透镜阵列＋光纤束”的技术可以实现积分视场单元与OMR光谱仪的耦合。设计了两种方案,给出了升级积分视场单元后的空间分辨率和视场。     

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.     

四阵元微带天线阵列试制与测试

将阵列天线放置于射电望远镜焦平面处,结合波束合成网络,可以同时观测一片天区,实现更大的视场覆盖。由于需要对各个阵元的幅度和相位进行调控,阵列天线实际就是一个小型相控阵,因此在做阵列设计时,除了需要结合反射面焦面场分布及望远镜拟实现的视场以外,阵列自身的性能验证可以参照传统相控阵进行。设计并加工了工作在1.27 GHz的2×2矩形排布的微带贴片天线阵列,阵元间距为0.7倍波长。经实测,各端口S11均在-10 dB以下,4阵元合成后波束增益为12.54 dBi,通过为对应阵元添加理论偏移30^°的延时线,实测阵列的波束扫描角度为28.3^°。上述实测数据与仿真结果相比虽略有差异,这和阵列加工及馈电端口焊接有关,但相关工作为之后更多阵元的阵列天线设计、研制及测试积累了经验,尤其对性能验证具有较高的指导意义。     

利用弱引力透镜效应的尖峰和尺度-尺度相关统计区分暗能量模型

为了研究不同宇宙学模型下弱引力透镜效应的性质,利用N-体模拟产生的数据,通过光线追踪技术,生成二维的κ样本.对应于不同的暗能量状态方程参数的模型,即w=-0.8,w=-1.0,w=-1.2,生成了3组样本.对于这些模型所生成的样本视场均为3°×3°,并假设所有作为背景源的星系都分布在z=1处的平面上.对这些κ场的样本均进行了尖峰统计和尺度-尺度相关的统计.对尖峰的统计结果显示,包含噪声的κ场中尖峰分布在不同模型下的差别还是存在的.噪声改变了中等幅值和小幅值的尖峰分布,而对高幅值的尖峰分布影响不大.同时降噪后κ场中高幅值尖峰分布的结果表明,降噪后不同模型间高幅值尖峰分布的差别还是非常明显的.对于尺度-尺度相关统计,分析了不同模型的尺度-尺度相关系数的累积概率分布函数,w=-1.2的模型与w=-0.8和w=-1.0的模型的差别能达到20%和30%.因此尺度-尺度相关的统计结合尖峰数目的统计,可以做为确定暗能量状态参数的一种新的手段.     

基于积分视场单元的三维天文成像光谱技术

近年来,三维成像光谱技术主要是发展和采用积分视场单元方法,即将枧场内的展源目标连续切割成若干单元,重新排列后进入光谱仪器,同时获得展源的高分辨率三维数据立方体(x,y和λ).相对于传统的技术方法,这种基于积分枧场单元的三维成像光谱技术进行一次观测可以同时获取天体各处的二维空间信息和光谱信息.采用积分视场单元虽然在光谱数据处理上会带来很多困难,但由于其在观测时间和效率上具有明显的优点,因此值得采用.该文简要介绍了三维成像光谱技术的原理;评述了目前实现三维成像光谱的三种不同类型的技术系统:小透镜阵系统、光纤加小透镜阵系统、像切分器系统,重点介绍了像切分器系统的有关情况;最后展望了三维成像光谱技术在天文学上的应用.