技术领域
[0001] 本
发明涉及一种在射电天文脉冲星观测中对数据进行数字化处理的脉冲星终端系统，专
门用于脉冲星搜寻、折叠模式及到达时间观测数据的处理。
背景技术
[0002] 众所周知，脉冲星是高度磁化的
中子星，在它的磁极会产生相干的射电
辐射，由于它自转非常稳定，所以当辐射束扫过地球时，射电望远镜就会接收到一系列周期性的脉冲
信号。射电天文研究人员可以通过对脉冲到达时间的精确测量，进行引
力波探测、脉冲星导航、脉冲星计时，以及致密天体物理、星际介质和
星系介质等相关的观测研究。
[0003] 中国科学院新疆天文台南山26米射电望远镜是我国最早开展脉冲星观测研究的天文台站，经过十几年的发展已经成为我国脉冲星观测的重要基地。目前，新疆台拥有脉冲星单脉冲和到达时间两套观测系统，已经在脉冲星周期、周期变化率、自行、流量
密度长期变化、星际闪烁和偶发的周期跃变等方面取得了很好的观测结果，并获得了很有价值的研究资料。
[0004] 由于脉冲星信号在穿过星际介质中
等离子体时会受到色散的影响，导致高频脉冲信号先到达射电望远镜，而低频脉冲信号后到达，这样就会引起不同
频率的信号之间产生时间延迟。为了消除时间延迟，可以采用相干和非相干两种方法进行消色散。采用相干消色散的技术，可以提高脉冲信号的
信噪比，减弱色散展宽，并且可以探测到脉冲信号的精细结构。为了提高脉冲星观测的灵敏度，需要增加观测带宽。另外，一些脉冲星具有极强的线偏振特性，这对于研究脉冲星的辐射区的几何结构具有重要的意义，所以观测科学家希望可以进行全偏振的观测。此外，有些脉冲星的单脉冲还表现出细微的结构，通过这些精细结构可以进一步揭示脉冲星辐射的物理机制，所以脉冲星在
数据处理方面希望终端可以满足进行高时间
分辨率的观测需求。
[0005] 二十年前新疆天文台采用的脉冲星终端系统主要是AFB(Analogue Filter Bank，简称AFB)，即为模拟多通道
滤波器组消色散系统，该模拟终端具有2个偏振，128个通道，单通道带宽为2.5MHz，
采样精度为1bit，最小
时间分辨率为100μs，由于其功能单一，带宽窄，频率通道数固定且不可调节，量化精度低，时间分辨率低，只能进行非相干消色散，以难以满足当前脉冲星观测需求。随着ADC高速采样的发展，
数字信号处理技术的提升，以及可编程门阵列FPGA的快速发展，国际上陆续涌现出了一批
数字滤波器系统，比如说DFB,GUPPI,DIBAS,WAPP,PUMA等。新疆天文台现在使用的DFB(Pulsar Digital Filter Bank，简称DFB)为澳大利亚ATNF 2009年研制的数字的脉冲星
滤波器组，观测带宽500MHz，2048个频率通道，缺点同样在于带宽窄，且不具备在线折叠及校准功能，最终存储的数据不是标准的脉冲星FITS格式(PSRFITS)，且只能做脉冲星到达时间观测，不具备脉冲星搜寻功能。
[0006] 目前中国国内已建成并且即将建设的大型射电望远镜有很多，而脉冲星观测研究必定是诸多大型射电望远镜的核心科学目标之一。在此前提下，各大台站对脉冲星观测终端系统的研制需求都非常急迫。
[0007] 论文《基于ROACH2的脉冲星终端研制进展》提出了一种脉冲星终端，该终端当前已完成非相干观测模式，可用于单脉冲观测或时间精度要求一般的脉冲星到达时间观测。该脉冲星终端结合相应射电望远镜系统及国外开发的脉冲星数据处理
软件，验证了该终端
硬件平台的
稳定性及可靠性，已达到投入观测使用的要求。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于，提供一种应用于脉冲星观测的数字终端系统，该系统涉及的装置是由射电望远镜、接收机、左旋极化端口、右旋极化端口、第一
模数转换器、第二模数转换器、第一多相滤波器组、第二多相滤波器组、第一快速傅里叶变换器、第二快速傅里叶变换器、斯托克斯参数计算器、积分器、格式器、万兆以太网、数据缓存器、脉冲器数据格式器、数据
存储器组成。脉冲星信号经射电望远镜汇聚至接收机处并进行变频处理，后经接收机左、右旋极化端口输出，经模数转换器进行高速采样，经多相滤波器组处理后，再经快速傅里叶变化转换为频域信号，然后将处理后的左右旋极化信号进行相关处理，再通过积分及数据格式封装，经万兆以外网传输至数据缓存器，再将数据格式化为标准脉冲星FITS格式，并最终进行存储。该系统基于ROACH2
数据采集与预处理前端和基于HPC的数据处理与存储后端，通过系统观测软件可以实现重复配置及快速设计和验证，对脉冲星
信号处理系统实现快速部署功能。
[0009] 本发明所述的一种应用于脉冲星观测的数字终端系统，该系统涉及的装置是由射电望远镜、接收机、左旋极化端口、右旋极化端口、第一模数转换器、第二模数转换器、第一多相滤波器组、第二多相滤波器组、第一快速傅里叶变换器、第二快速傅里叶变换器、斯托克斯参数计算器、积分器、格式器、万兆以太网、数据缓存器、脉冲星数据格式器、数据存储器组成，接收机(2)位于射电望远镜(1)焦点的
位置，左旋极化端口(3)和右旋极化端口(4)位于接收机(2)的中频输出端，左旋极化端口(3)与第一模数转换器(5)相连，第一模数转换器(5)与第一多相滤波器组(7)相连，第一多相滤波器组(7)与第一快速傅里叶变换器(9)相连；右旋极化端口(4)与第二模数转换器(6)相连，第二模数转换器(6)与第二多相滤波器组(8)相连，第二多相滤波器组(8)与第二快速傅里叶变换器(10)相连；第一快速傅里叶变换器(9)和第二快速傅里叶变换器(10)分别与斯托克斯参数计算器(11)相连，斯托克斯参数计算器(11)与积分器(12)相连，积分器(12)与格式器(13)相连，格式器(13)与万兆以太网(14)相连，万兆以太网(14)与数据缓存器(15)相连，数据缓存器(15)与脉冲星数据格式器(16)相连，脉冲器数据格式器(16)与数据存储器(17)相连，具体操作按下列步骤进行：
[0010] a、原始脉冲星信号经射电望远镜(1)反射后进入接收机(2)馈源处，之后通过接收机(2)下变频处理后经左旋极化端口(3)和右旋极化端口(4)输出；
[0011] b、左旋极化信号经第一模数转换器(5)、第一多相滤波器组(7)与第一快速傅里叶变换器(9)处理后传输至斯托克斯参数计算器(11)；右旋极化信号经第二模数转换器(6)、第二多相滤波器组(8)与第二快速傅里叶变换器(10)处理后传输至斯托克斯参数计算器(11)；
[0012] c、斯托克斯参数计算器(11)将左旋极化和右旋极化信号进行参数计算后传输至积分器(12)进行积分处理，之后传输至格式器(13)进行封装打包，再经万兆以太网(14)传输至数据缓存器(15)，再经脉冲星数据格式器(16)将信号转换为天文应用中标准的脉冲星FITS格式，并最终传输至数据存储器(17)进行存储。
[0013] 本发明所述的一种应用于脉冲星观测的数字终端系统，如图1所示，原始脉冲星信号经射电望远镜(1)反射后进入接收机(2)馈源处，后经接收机(2)滤波、放大、混频后输出为左旋及右旋极化两路信号，经左旋极化端口(3)和右旋极化端口(4)输出至可重构开放式架构硬件计算平台(ROACH2)进行处理；ROACH2具体包括模数转换器(ADC)、多相滤波器组(PFB)、快速傅里叶变换器(FFT)、斯托克斯参数计算器(Stokes)、积分器(Accu)和格式器(Pack)，通过上述模
块实现模数转换、多相滤波、时域转频域、参数计算、积分以及数据打包和格式化等功能；之后经万兆以太网(10GbE)传输至
高性能计算机(HPC)；HPC具体包括数据缓存器(FIFO)、脉冲星数据格式器(PSRFITS)和数据存储器(Storage)，通过上述模块实现数据缓存、将信号转换为标准脉冲星FITS格式以及最终的数据存储等功能。
[0014] 与论文《基于ROACH2的脉冲星终端研制进展》提及的一种脉冲星终端相比，本发明是一套完整的脉冲星观测系统，不但具备脉冲星终端的硬件平台，还具备对射电望远镜、接收机的控制以及对观测到的脉冲星数据进行处理及存储功能。具体来说，与论文提及脉冲星终端相比，本发明所述的一种应用于脉冲星观测的数字终端系统可实现对8bit数据进行实时采样，可实现带宽为512或1024MHz的脉冲星信号的高速采集，可实现128、256、512、1024、2048、4096、8192个FFT频率通道快速切换，最小的积分时间可以达到32微妙；论文提及的脉冲星终端硬件平台，是通过结合国外脉冲星领域的数据处理软件dspsr和Presto来验证其可行性，并不能称之为一个完整的系统。
[0015] 本发明所述的系统在硬件性能提升的前提下，开发了相应的脉冲星观测及数据处理软件(图2)，可实现对射电望远镜及接收机的控制功能，系统
输入信号可为两路线偏振或圆偏振信号，输出为两路偏振信号相关后的矩阵，最终可实现
频谱的实时显示(图3)，并对频谱及ADC进行监测及诊断(图4)，该系统不但可以做脉冲星搜寻模式，还可以完成在线折叠功能及实现定标观测模式，而且最终生成天文领域标准的脉冲星FITS格式(PSRFITS)，而且数据对应还具备精确的时标信息、时间戳及射电源信息；
[0016] 图5为折叠模式下的脉冲星J1740-3015的观测结果，其中左边为使用DFB对应的观测结果，右边为本发明所述的一种应用于脉冲星观测的数字终端系统的观测结果，可以看出本发明与DFB的一致性非常好，且在灵敏度及噪声抑制方面有所提升，使得轮廓更加细致。
[0017] 综合来说，本发明所述的一种应用于脉冲星观测的数字终端系统，可实现单脉冲及进行毫秒脉冲星到达时间观测，可实现基带数据模式，可以开展长时间的脉冲星搜寻及在线折叠观测模式，并且可以对频谱进行实时的监测及校准。该系统基于ROACH2数据采集与预处理前端和基于HPC的数据处理与存储后端，通过系统观测软件可以实现重复配置及快速设计和验证，对脉冲星信号处理系统实现快速部署功能。
附图说明
[0018] 图1为本发明系统整体结构示意图；
[0019] 图2为本发明系统观测及数据处理软件界面图；
[0020] 图3为本发明系统实时频谱监测结果；
[0021] 图4为本发明系统的ADC监测功能显示；
[0022] 图5为本发明系统与DFB的观测结果的对比，其中左边为DFB观测结果，右边为本系统结果。
具体实施方式
[0024] 本发明所述的一种应用于脉冲星观测的数字终端系统，该系统涉及的装置是由射电望远镜、接收机、左旋极化端口、右旋极化端口、第一模数转换器、第二模数转换器、第一多相滤波器组、第二多相滤波器组、第一快速傅里叶变换器、第二快速傅里叶变换器、斯托克斯参数计算器、积分器、格式器、万兆以太网、数据缓存器、脉冲星数据格式器、数据存储器组成，接收机2位于射电望远镜1焦点的位置，左旋极化端口3和右旋极化端口4位于接收机2的中频输出端，左旋极化端口3与第一模数转换器5相连，第一模数转换器5与第一多相滤波器组7相连，第一多相滤波器组7与第一快速傅里叶变换器9相连；右旋极化端口4与第二模数转换器6相连，第二模数转换器6与第二多相滤波器组8相连，第二多相滤波器组8与第二快速傅里叶变换器10相连；第一快速傅里叶变换器9和第二快速傅里叶变换器10与斯托克斯参数计算器11相连，斯托克斯参数计算器11与积分器12相连，积分器12与格式器13相连，格式器13与万兆以太网14相连，万兆以太网14与数据缓存器15相连，数据缓存器15与脉冲星数据格式器16相连，脉冲器数据格式器16与数据存储器17相连，具体操作按下列步骤进行：
[0025] 首先，系统观测软件制定待观测的脉冲星源表，其中包括脉冲星的名称、脉冲星所在的赤经及赤纬的坐标、经转换后对应的天线方位及
俯仰角度、观测台站的经度纬度及海拔高度，再选择需要使用的对应波段的接收机，设置频率、带宽、噪声源、衰减值以及相关或者非相关模式，选择折叠、搜寻或者到达时间观测模式，然后控制射电望远镜
跟踪脉冲星射电源；
[0026] 跟踪上射电源后，原始脉冲星信号经射电望远镜1反射后进入接收机2馈源处，之后通过接收机2下变频处理后经左旋极化端口3和右旋极化端口4输出；
[0027] 左旋极化信号经第一模数转换器5、第一多相滤波器组7与第一快速傅里叶变换器9处理后传输至斯托克斯参数计算器11；右旋极化信号经第二模数转换器6、第二多相滤波器组8与第二快速傅里叶变换器10处理后传输至斯托克斯参数计算器11；
[0028] 斯托克斯参数计算器11将左旋极化和右旋极化信号进行参数计算后传输至积分器12进行积分处理，之后传输至格式器13进行封装打包，后经万兆以太网14传输至数据缓存器15，再经脉冲星数据格式器16将信号转换为天文应用中标准的脉冲星FITS格式，并最终传输至数据存储器17进行存储。
