一种脉冲星观测装置、系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种脉冲星观测装置、系统和方法，对采样时钟进行计数可以获得精准的时间间隔信息，将采样时刻的时间信息与采样数据一同打入数据帧可保证时间与信号的高度一致，利用氢原子钟与GPS接收机时间同步获得的整数秒和对采样时钟进行计数得到的小数秒获得精确的时刻信息，从而可以获得纳秒级别的高精度脉冲星信号到达时间，极大地提高了脉冲星观测的精度和准确性；为避免由于数据传输丢失而造成的时间误差，在数据帧中增加了网络校验头，如发现数据帧丢失能够进行补偿，保证了长时间观测下的数据完整性和时间连续性，对脉冲星观测数据处理具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种脉冲星观测装置、系统和方法，其适用于脉冲星观测和相关科学研究，如脉冲星到达时间、强脉冲辐射、nulling、子脉冲漂移、磁星、伽玛射线脉冲星、费米源等观测研究，也适用于脉冲星计时、脉冲星导航等应用。
技术介绍
脉冲星是一类高速旋转的中子星，是质量较大的恒星在演化末期受自身引力作用塌缩而形成，其内部运动的带电粒子发出的同步辐射随中子星一起转动形成射电波束，每当这种射电波束扫过地球时就接收到一个脉冲，因此命名为脉冲星。脉冲星的自转周期范围从几毫秒到十余秒，周期稳定性极好，具有超高稳定的时间特征，被誉为自然界最稳定的天文钟，可以利用脉冲星计时改进原子时的长期稳定度。脉冲星的两个磁极各有一个辐射波束，根据星体自转情况，周期性地向航天器上的探测设备发射脉冲信号，从而为那些星际旅行的航天器指引方向。可以说，脉冲星犹如太空之海永不熄灭的灯塔，是天造地设的导航标识。可是，因为脉冲星处在距地球数亿至百多亿光年的极远距离上，虽然它辐射的功率极其强大，但到达地球的信号却极弱，为了能观测到脉冲星信号，除了需要建造口径较大的射电望远镜和性能极佳的接收机外，还需要根据脉冲星信号的特点研发一套专用的高精度、高稳定和高可靠终端来进行探测。脉冲星辐射的电磁波在经过自由空间传输到达地球的过程中，由于宇宙不是绝对的真空，受星际介质的影响会造成信号的色散效应，即高频信号先到达、低频信号后到达。为补偿该影响通常的做法是将接收到的时域信号变换到频域，并按频谱分成若干通道，每个通道包含特定频率范围成分信号，根据不同频率到达望远镜的时间不同，对各个通道对应的信号进行延迟(或提前)从而达到色散消除的效果。脉冲星的观测对时间精度要求极高，例如为了对脉冲星的到达时间进行研究，需要记录脉冲星到达地球的精确时刻信息，通常需要对脉冲星进行持续数十年甚至更长时间的监测，单台射电望远镜的到达时间残差一般可达几百纳秒至几十微秒，这与射电望远镜性能和时间基准密切相关，对于同一架射电望远镜来说，如果时间不准确就无法进行长年累月的观测，或者说记录的数据就没有意义了。精确的射电脉冲星计时表明，它们的自转正在很缓慢地减速，其典型速率是每年减慢一百万分之一秒，折合到每天算，需分辨几纳秒的周期变化。数据的消色散也需要精确的时间间隔信息，消色散需要根据脉冲星的色散量对每个子频率通道进行时间的延迟或提前，时间精度需要达到微秒量级。另外，由于脉冲星到达地球的信号极其微弱，需要对信号进行长时间观测，然后再根据脉冲星的周期进行折叠，来提高脉冲星信号的信噪比，获得有效的数据。折叠除了对时间间隔的准确性要求极高，还对设备的稳定性提出了很高的要求，长时间观测记录的数据必须保证较高的完整性。如果长时间观测的数据有丢失就会造成时间错位，无法准确叠加。脉冲星的数据处理和观测研究对观测设备的时间精度和稳定性都提出了极为苛刻的要求，因此，如何保证极高的时间精度和数据完整性是脉冲星观测设备研发的关键。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术问题，本专利技术提供了一种脉冲星观测装置、系统和方法。(二)技术方案本专利技术提供了一种脉冲星观测装置，包括：时频信号产生模块10、信号处理板20和控制装置30；其中，所述时频信号产生模块10生成秒脉冲信号43、采样时钟42和标准时间49；脉冲星观测信号进入所述信号处理板20，所述信号处理板20利用所述采样时钟42和秒脉冲信号43，生成脉冲星观测数据和小数秒时间；所述控制装置30接收所述标准时间49、脉冲星观测数据和小数秒时间，并基于所述标准时间49和小数秒时间得到纳秒级时间分辨率的脉冲星信号到达时间，所述控制装置30利用所述脉冲星信号到达时间对所述脉冲星观测数据进行处理。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术的脉冲星观测装置、系统和方法具有以下有益效果：(1)本专利技术对采样时钟进行计数可以获得精准的时间间隔信息，将采样时刻的时间信息与采样数据一同打入数据帧可保证时间与信号的高度一致，利用氢原子钟与GPS接收机时间同步获得的整数秒和对采样时钟进行计数得到的小数秒获得精确的时刻信息，从而可以获得纳秒级别的高精度脉冲星信号到达时间，极大地提高了脉冲星观测的精度和准确性；(2)为避免由于数据传输丢失而造成的时间误差，在数据帧中增加了网络校验头，如发现数据帧丢失能够进行补偿，保证了长时间观测下的数据完整性和时间连续性，对脉冲星观测数据处理具有重要意义。附图说明图1为脉冲星处理流程示意图；图2为本专利技术实施例的脉冲星观测装置的系统框图；图3为本专利技术实施例的数据帧格式示意图。符号说明10-时频信号产生模块；11-氢原子钟；12-GPS接收机；121-时间信号模块；13-秒脉冲同步器；14-频率综合器；20-信号处理板；21-模数转换器；22-分频器；23-数字信号处理模块；24-脉冲计数器；25-数据发送模块；251-格式器；252-第一万兆网卡；30-控制装置；31-数据接收模块；311-第二万兆网卡；312-网络包获取模块；313-数据提取与帧校验模块；32-脉冲星信号到达时间计算模块；33-数据后处理模块；34-时间采集卡；35-数据存储模块；A-第一射频信号；B-第二射频信号；41-参考时钟信号；42-采样时钟；43-秒脉冲信号；44-四分频采样时钟；45-脉冲星观测数据；46-小数秒时间；47-脉冲星信号到达时间；48-处理后的数据；49-标准时间；50-采样信号；51-降频后的采样信号。具体实施方式本专利技术提供了一种脉冲星观测装置、系统和方法，能提供高达4纳秒的时间精度，可以实现脉冲星的精确计时和观测。时间精度包含精确的时刻信息和精准的时间间隔两层含义，本专利技术对时钟脉冲进行计数获得精准的时间间隔信息，由精准的GPS整数秒会同对时钟脉冲进行计数的小数秒获得精确的时刻信息，从而获得了高精度时间；同时为避免由于数据传输丢失而造成的时间误差，在数据帧中增加了帧校验头，如发现帧丢失便进行补偿，保证了长时间观测下的数据完整性和时间连续性。首先通过脉冲星信号的处理流程来介绍脉冲星观测装置的工作原理。图1所示为脉冲星信号的处理流程，脉冲星辐射的电磁波从遥远的外太空到达射电望远镜，受星际介质的影响会造成信号的色散效应，如图1中展宽的脉冲轮廓图所示，在时域看到的脉冲轮廓会展宽。为消除色散影响，对射电望远镜接收到的信号采样后，进行傅里叶变化可将其变换至频率，将总带宽为v的信号分成n个带宽为Δv的子通道，信号如图1中带时延的频率通道图所示，可以明显的看到每个通道中脉冲出现的时间有所不同。然后对信号进行消干扰和消色散。由于通信基站、雷达、卫星和电子设备等会对射电频段造成干扰，如不对其进行消除将影响信号的处理效果，所以首先应在频率域对这些无线电干扰进行消除。继而，需要完成消色散处理。对于中心频率为v，带宽为Δv的信号，在经过星际介质传播之后，单个通道的信号到达时间延迟可采用下式进行计算：tDM＝8.3×106ms·DM·Δv/v2(1)其中：DM是星际介质色散量，单位是cm-3pc，v和Δv的单位均为MHz，已将tDM的单位等效为ms。这种色散效应对脉冲星信号的污染严重影响了对脉冲星信号的检测(特别是短周期脉冲星信号)，导致灵敏度下降。利用上式对信号子通道进行时延补本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲星观测装置，其特征在于，包括：时频信号产生模块(10)、信号处理板(20)和控制装置(30)；其中，所述时频信号产生模块(10)生成秒脉冲信号(43)、采样时钟(42)和标准时间(49)；脉冲星观测信号进入所述信号处理板(20)，所述信号处理板(20)利用所述采样时钟(42)和秒脉冲信号(43)，生成脉冲星观测数据和小数秒时间；所述控制装置(30)接收所述标准时间(49)、脉冲星观测数据和小数秒时间，并基于所述标准时间(49)和小数秒时间得到纳秒级时间分辨率的脉冲星信号到达时间，所述控制装置(30)利用所述脉冲星信号到达时间对所述脉冲星观测数据进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲星观测装置，其特征在于，包括：时频信号产生模块(10)、信号处理板(20)和控制装置(30)；其中，所述时频信号产生模块(10)生成秒脉冲信号(43)、采样时钟(42)和标准时间(49)；脉冲星观测信号进入所述信号处理板(20)，所述信号处理板(20)利用所述采样时钟(42)和秒脉冲信号(43)，生成脉冲星观测数据和小数秒时间；所述控制装置(30)接收所述标准时间(49)、脉冲星观测数据和小数秒时间，并基于所述标准时间(49)和小数秒时间得到纳秒级时间分辨率的脉冲星信号到达时间，所述控制装置(30)利用所述脉冲星信号到达时间对所述脉冲星观测数据进行处理。2.如权利要求1所述的脉冲星观测装置，其特征在于，所述时频信号产生模块(10)包括：氢原子钟(11)、GPS接收机(12)、秒脉冲同步器(13)和频率综合器(14)；其中，所述氢原子钟(11)和GPS接收机(12)向所述秒脉冲同步器(13)发送秒脉冲信号，所述秒脉冲同步器(13)利用所述氢原子钟(11)和GPS接收机(12)发送的秒脉冲信号，对所述氢原子钟(11)和GPS接收机(12)进行秒同步，并将所述秒脉冲信号发送至所述信号处理板(20)；所述氢原子钟(11)生成参考时钟信号(41)，所述频率综合器(14)利用所述参考时钟信号(41)生成所述采样时钟(42)发送给所述信号处理板(20)。3.如权利要求1所述的脉冲星观测装置，其特征在于，所述信号处理板(20)包括：模数转换器(21)、数字降频模块(22)、数字信号处理模块(23)、脉冲计数器(24)和数据发送模块(25)；其中，脉冲星观测信号进入所述模数转换器(21)，所述模数转换器(21)利用所述采样时钟(42)对所述脉冲星观测信号进行采样，采样信号(50)进入所述数字降频模块(22)，降频后的采样信号(51)进入所述数字信号处理模块(23)进行数字信号处理得到脉冲星观测数据；所述模数转换器(21)将所述秒脉冲信号(43)和采样时钟(42)分别传输至所述脉冲计数器(24)和数字降频模块(22)，所述数字降频模块(22)将所述采样时钟(42)进行四分频，四分频采样时钟(44)进入所述脉冲计数器(24)，所述脉冲计数器(24)利用所述秒脉冲信号(43)对所述四分频采样时钟(44)进行计数，得到小数秒时间；所述数据发送模块(25)将脉冲星观测数据和小数秒时间发送至所述控制装置(30)。4.如权利要求3所述的脉冲星观测装置，其特征在于，所述控制装置(30)...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴鑫，李健，陈卯蒸，聂俊，
申请(专利权)人：中国科学院新疆天文台，
类型：发明
国别省市：新疆;65