一种脉冲星观测装置、系统和方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术问题，本发明提供了一种脉冲星观测装置、系统和方法。

(二)技术方案

本发明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，本发明的脉冲星观测装置、系统和方法具有以下有益效果：

(1)本发明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为本发明实施例的脉冲星观测装置的系统框图；

图3为本发明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

本发明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，本发明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：

t_DM＝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t_DM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偿后的效果如时延补偿后的频率通道图所示，然后将子通道进行叠加再变换至时域来获得脉冲星的轮廓。但由于脉冲星离地球的距离实在太远，以至于到达地球上射电望远镜的信号极其微弱，为了能观测到该信号，需要对信号进行长时间的观测，然后根据脉冲星的周期进行折叠，以提高信噪比得到较准确的轮廓，如图中频率通道相加和折叠后的脉冲轮廓图。

为了较形象的理解时间精度对脉冲星信号处理的重要性，可以通过以下例子说明。两个不同频率v₁和v₂的通道，受色散效应而产生的信号到达时间t₂和t₁的时间差可通过式(2)计算：

t₂和t₁的时间单位均为ms，DM是星际介质色散量，已将其单位等效为无量纲值，v₁和v₂的单位均为GHz。例如当DM值为20，两个相邻通道v₁和v₂的频率分别为1.699GHz、1.7GHz时，t₂-t₁的时间差为0.035ms。即子通道带宽为1MHz时的两相邻通道的时间分辨率应在35微秒以上才能较好的消除色散效应，而如果将子通道带宽提高10倍到0.1MHz时，时间分辨率也相应的提高10倍至3.5微秒。

目前，自转最快的脉冲星的周期是1.55毫秒，按每个周期128个采样点计算，每两点之间的时间间隔为12微秒，按时间精度比该采样间隔高一个量级算应达到1.2微秒。

而对于信号较弱的毫秒脉冲星，周期仅几毫秒，1.4GHz的流量不到1mJy(1毫央，Jy为天体射电流量密度单位)，一般要进行数小时的长时间积分，然后再对数据进行折叠已提高信号信噪比，由于数据时间分辨率高，数据速率达到数Gbps左右，如果传输的数据有所丢失，数据折叠时无法对齐就不能进行有效的数据处理，而如此高的数据速率要想在长时间的传输中保持零丢失是较困难的。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图2所示，本发明提供了一种脉冲星观测装置，其包括：时频信号产生模块10、信号处理板20和控制装置30。其中，

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信号处理板20，信号处理板20利用采样时钟42和秒脉冲信号43，生成脉冲星观测数据和小数秒时间，控制装置30接收标准时间49、脉冲星观测数据和小数秒时间，并基于标准时间49和小数秒时间46得到纳秒级时间分辨率的脉冲星信号到达时间，控制装置30利用脉冲星信号到达时间47对脉冲星观测数据45进行处理。

其中，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。

氢原子钟11和GPS接收机12向秒脉冲同步器13发送秒脉冲信号(1PPS)，秒脉冲同步器13利用氢原子钟11和GPS接收机12发送的秒脉冲信号，对氢原子钟11和GPS接收机12进行秒同步，并将秒脉冲信号43发送至信号处理板20。

氢原子钟11生成参考时钟信号41，频率综合器14利用该参考时钟信号41生成采样时钟42给信号处理板20。其中，参考时钟信号41的频率可以为10MHz，采样时钟42的频率可以为1GHz。

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。

由射电望远镜接收机系统输出的脉冲星观测信号，即第一射频信号A和第二射频信号B，进入模数转换器21，模数转换器21利用频率综合器14提供的采样时钟42，对脉冲星观测信号进行采样，采样信号50继而进入数字降频模块，降频后的采样信号51进入数字信号处理模块23进行数字信号处理得到脉冲星观测数据，具体地，数字信号处理包括对采样信号进行傅里叶变换和Stokes参数计算，傅里叶变换的点数为1024，频率通道数为512。

其中，第一射频信号A和第二射频信号B的带宽为500MHz，模数转换器21采用双通道、1GHz采样频率、8bit量化的高速采样卡，由氢原子钟11和频率综合器14提供的1GHz采样时钟42保证了极高的频率准确性与稳定性。

模数转换器21将来自秒脉冲同步器13的秒脉冲信号43和采样时钟42分别传输至脉冲计数器24和数字降频模块22，数字降频模块22将采样时钟42进行四分频，四分频采样时钟44也进入脉冲计数器24，脉冲计数器24利用秒脉冲信号43对四分频采样时钟44进行计数，即秒脉冲信号43每秒对脉冲计数器24进行一次复位，得到秒脉冲信号43对应的四分频采样时钟44计数值，由该计数值得到小数秒时间。

在本发明中，对于1GHz的采样时钟42，由于数字降频模块22对其进行了四分频，故每个四分频采样时钟44的脉冲时间分辨率为1/(1000/4×10⁶)＝4纳秒，因此可以得到四纳秒时间分辨率的小数秒时间。

数据发送模块25将脉冲星观测数据和小数秒时间发送至控制装置30。

本发明中，信号处理板20为高速信号处理板，其包括Xilinx Virtex 6FPGA，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可以由FPGA实现。

控制装置30包括：数据接收模块31、时间采集卡34、脉冲星信号到达时间计算模块32、数据后处理模块33和数据存储模块35。

数据接收模块31接收数据发送模块25发送的脉冲星观测数据和小数秒时间，将脉冲星观测数据45发送至数据后处理模块33，将小数秒时间46发送至脉冲星信号到达时间计算模块32。

时间采集卡34接收GPS接收机12的时间信号模块121发送的标准时间49，并将标准时间49发送给脉冲星信号到达时间计算模块32，脉冲星信号到达时间计算模块32将标准时间49的小数秒舍弃，将小数秒时间46转换为小数秒并与舍去小数秒后的标准时间49相加，得到脉冲星信号到达时间47。

例如，小数秒时间为128128000，则小数秒时间46转换为小数秒为128128000*4/10⁹＝0.512512秒，从时间采集卡34中获取的标准信息为UTC时间2016年7月27日22时59分23.453672秒，脉冲星信号到达时间计算模块32将该小数秒0.453672舍弃，然后加上小数秒时间转换的小数秒，则秒部分变为23.512512，则脉冲星信号到达时间为2016年7月27日22时59分23.512512秒。由于标准时间49由GPS接收机12提供，而GPS接收机12与氢原子钟11通过秒脉冲同步器13进行了秒同步，即信号处理板20中的脉冲计数器24与时间采集卡34每秒的起始时刻高度一致，因此，通过这种方式可获得脉冲星信号进入到脉冲星观测装置的精确时间信息。

数据后处理模块33利用脉冲星信号到达时间计算模块32获得的脉冲星信号到达时间47，对脉冲星观测数据45进行处理，包括将脉冲星观测数据45转换为脉冲星软件处理常用的FilterBank格式，由专用软件进行消干扰、消色散、折叠等后处理，并将处理后的数据48存储在数据存储模块35。

控制装置30采用Intel Xeon E5-2630 V3 CPU处理核心、64G内存、48TB存储空间的高性能计算机，也可以采用其他计算设备或数据处理平台。

由此可见，本发明利用氢原子钟与GPS接收机时间同步获得的整数秒和对采样时钟进行计数的小数秒相加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，对脉冲星观测数据处理具有重要意义。

本发明的脉冲星观测装置中，信号处理板的数据发送模块25包括：格式器251和第一万兆网卡252；控制装置的数据接收模块31包括：第二万兆网卡311、网络包获取模块312、数据提取与帧校验模块313。

格式器251将脉冲星观测数据和小数秒时间打包为数据帧，打包后的数据帧包括网络校验头、脉冲星观测数据和小数秒时间，如图3所示，数据帧可以由4字节的网络校验头(frame_n)、4字节的小数秒时间(timestamp)以及2048字节的脉冲星观测数据组成，2048字节的脉冲星观测数据对应512个频率通道生成的Stokes参数，因此每个数据帧大小为2056字节，数据帧间的时间间隔为τμs，Stokes参数(I、Q、U、V)如下式(1)：

I：A_amp+B_amp，Q：A_amp-B_amp，U：2[AB_re]，V：2[AB_im] (3)

其中，A_amp为第一射频信号A的中频自相关幅度，B_amp为第二射频信号B的中频自相关幅度，AB_re为第一射频信号A和第二射频信号B的中频互相关实部，AB_im为第一射频信号A和第二射频信号B的中频互相关虚部。

数据帧通过第一万兆网卡252发送至控制装置30的第二万兆网卡311，第一万兆网卡252和第二万兆网卡311通过10GbE网络进行连接，为提高传输速率，采用传输层协议UDP传输数据帧，UDP协议的巨帧模式下的最大帧为8k+512字节，可满足2048个频率通道数据的传输，如需增加频率通道可采用多个10GbE端口传输，最大支持8个10GbE端口。

由于UDP协议不对传输数据进行校验，无法得知数据帧是否安全完整到达。而脉冲星观测对数据完整性要求极高，任何时间序列的丢失都将导致脉冲星数据的处理结果不准确，通过大量的实验，当检测到帧序列号不连续、或中断现象标记为丢包。如检测到大量丢包现象，如超过一定阈值(根据需求，如10E-4)，则数据无效需检查系统有无故障。

为此，本发明在数据帧头中增加了4字节的网络校验头，当控制装置30的第二万兆网卡311接收到数据帧后，由网络包获取模块312抓取数据网络包，继而由数据提取与帧校验模块313将网络包中的脉冲星观测数据45和小数秒时间46与网络校验头进行分离，判断网络校验头是否为连续的数字序列，通过检验网络校验头的连续性来判断是否丢包。

若数据提取与帧校验模块313判断有偶有丢包现象，则对丢失的数据帧进行补偿，例如可通过填补数据帧的RMS值以对数据帧进行补偿。数据提取与帧校验模块313将补偿后的脉冲星观测数据45和小数秒时间分别发送至数据后处理模块33和脉冲星信号到达时间计算模块32。

本发明的脉冲星观测装置，当数据帧时间间隔为64μs时，数据速率为1*10⁶/64*2056*8≈245.1Mbps，对该速率下进行连续测试24小时的网络丢包率为0。

由此可见，本发明的脉冲星观测装置，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。

本发明还提供了一种脉冲星观测系统，其包括上述脉冲星观测装置以及与脉冲星观测装置相连的射电望远镜。

本发明还提供了一种脉冲星观测的方法，其利用上述脉冲星观测装置得到纳秒级时间分辨率的脉冲星信号到达时间。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的脉冲星观测装置、系统和方法有了清楚的认识。

本发明的脉冲星观测装置、系统和方法，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的小数秒相加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。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。