太阳风色散量测量方法、装置、电子设备及介质与流程

本公开涉及深空探测技术领域，尤其涉及一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量方法、装置、电子设备及介质。

背景技术：

随着月球探测工程的成功实施，拉开了我国深空探测的序幕。受太阳风、日冕等太阳活动的影响，深空无线通信环境十分复杂，太阳风的大量不规则带电粒子会导致无线电信号出现闪烁现象。尤其在上合期间，地球、太阳、深空探测器大致处于同一直线上，当太阳-地球-探测器夹角(sun-earth-probe，简称sep)较小或当太阳处于活动周期时，深空探测器有可能出现通信间歇式中断甚至完全中断的现象。太阳风对无线电信号的影响也反映了其内部的不规则结构，通过反演技术可以实现对太阳风和日冕的探测。

传统的利用普通射电源对太阳风进行的观测的方法，由于信号没有相位信息，只能进行强度闪烁的测量，不能直接进行群时延、色散量等测量，当太阳-地球-射电源夹角较小时还会出现饱和现象，因此该方法不适合近日点的观测。虽然利用深空探测器下行信号可以实现时延、相位闪烁(多普勒闪烁)和频谱扩展等的观测，但由于深空探测器非常少，且下行信号频率单一(目前主要集中在x频段)、带宽窄，对太阳风的观测有很大限制。

脉冲星的自转周期很短，一般为1毫秒到10秒的量级，且极其稳定，变化率为10^-19到10^-21，被誉为自然界最精准的天文时钟。脉冲星信号在穿过太阳风时，太阳风会影响信号的色散量和群时延。因此，可测量脉冲星信号的色散量，并用于太阳风特性的测量反演，实现太阳风色散量的测量和群时延的测量。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提供了一种基于脉冲行信号的太阳风色散量测量方法、装置、电子设备及介质，通过测量脉冲星信号的色散量，并根据太阳风的特性对脉冲星信号的色散量进行反演，以实现太阳近距离的太阳风色散量测量。

本公开的一个方面提供了一种太阳风色散量测量方法，包括：s1，根据太阳的位置，选择已知标准色散量的脉冲星进行观测；s2，接收叠加太阳风色散后的所述脉冲星的信号；s3，搜索所述信号的当前色散量；s4，根据所述信号的标准色散量和当前色散量，计算所述太阳风的色散量。

可选的，所述搜索所述信号的当前色散量包括：

s31，以一定步长调整所述信号的色散量dmi，用于对所述信号做消色散处理；其中，i＝1，2，…，n，n为dmi搜索数量；

s32，计算所述信号进行所述消色散处理后功率的最大值；

令表示所述信号的色散量为dmi时所述信号的功率的最大值，dmi为所述信号的色散量的搜索值，pi(t)表示经消色散处理后的所述信号的功率；

其中，0≤t≤t，t为脉冲周期；

s33，重复步骤s31～s32，直至停止对所述脉冲星的观测；

s34，计算观测过程中所述信号的功率的最大值对应的色散量，即为所述信号的当前色散量；

令dmps为所述信号的当前色散量，表示的最大值，dmk为所述信号的功率为最大值时对应的色散量，则：

可选的，所述步骤s31，以一定步长调整所述信号的色散量dmi包括：

令dmi为所述信号的色散量的搜索值，dmp为所述信号的标准色散量，则

dmi＝dmp+d·i；

其中，dmi的取值范围为dmp≤dmi≤dmmax，dmmax为所述信号的色散量叠加太阳风色散量后的最大可能的色散量，d为累加步长，d＝(dmmax-dmp)/n，i＝1，2，…，n，n为dmi搜索数量。

可选的，所述步骤s31，以一定步长调整所述信号的色散量dmi，用于对所述信号做消色散处理包括：

s311，取n个所述信号的采样数据，对所述采样数据进行希尔伯特变换以获得解析信号y(t)，并计算色散传递函数h+(f+f0)，其中，n＞2δn，且：

其中，d为星际介质色散常量，dmi为所述信号的色散量的搜索值，f0为所述信号的中心频率，δf为观测带宽，fs为采样频率，td为接收的所述信号最大频率与最低频率的到达时差，δt为采样周期；

s312，对所述解析信号y(t)进行快速傅里叶变换，以获得所述解析信号y(t)的傅里叶变换形式y(f)；

s313，对所述傅里叶变换形式y(f)进行傅里叶逆变换，以获得所述采样数据消色散后的数据；

令yd(t)为所述消色散后的数据，则：

s314，分别去掉所述消色散后的数据两端的δn/2个数据，另取n-δn个所述信号的采样数据，与分别去掉两端的δn/2个数据的所述消色散后的数据合并，重复步骤s312，直至对所述脉冲星的观测完毕为止。

可选的，所述步骤s313还包括：根据所述信号的脉冲周期，对所述采样数据消色散后的数据进行周期性叠加。

可选的，所述根据所述信号的标准色散量和当前色散量，计算所述太阳风的色散量包括：令dms为所述太阳风的色散量，dmps为所述信号的当前色散量，dmp为所述信号的标准色散量，则：

dms＝dmps-dmp。

可选的，所述方法还包括：接收叠加太阳风色散后的所述脉冲星的信号之后，还需要对所述信号进行放大、下变频处理。

本公开的另一个方面提供了一种太阳风色散量测量装置，包括：射电望远镜，用于根据太阳的位置，选择已知标准色散量的脉冲星进行观测；脉冲星信号接收模块，用于接收叠加太阳风色散后的所述脉冲星的信号；脉冲星色散量搜索模块，用于搜索所述信号的当前色散量；太阳风色散量计算模块，用于根据所述信号的标准色散量和当前色散量，计算所述太阳风的色散量。

本公开的另一个方面提供了一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现第一方面中的任一项所述太阳风色散量测量方法中的各个步骤。

本公开的另一个方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现第一方面中的任一项所述太阳风色散量测量方法中的各个步骤。

在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

(1)可以实现太阳近距离的太阳风色散量和群时延的常规测量，不受限于深空探测器数量、位置和频率范围的局限；

(2)可以用于测量任何日心距的太阳风，并可作为常规观测手段对太阳风进行长期监测；

(3)可以为太阳风对深空探测器通信信号的时间延迟和色散程度影响提供计算依据，可以直接应用于深空探测通信信道建模、vlbi测轨精度的提高以及太阳风结构反演研究中。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了太阳风对深空通信的影响示意图；

图2示意性示出了对脉冲星信号消色散前后的时间-频率示意图；

图3示意性示出了对脉冲星信号消色散前后的脉冲星信号强度示意图；

图4示意性示出了本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量方法的流程图；

图5示意性示出了本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量方法中步骤s3搜索所述信号的当前色散量的流程图；

图6示意性示除了本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量方法中步骤s31搜索所述信号的当前色散量具体步骤的流程图；

图7示意性示出了本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量装置的工作原理图；

图8示意性示出了本公开实施例提供的一种电子设备的结构框图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。

因此，本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(hdd)；光存储装置，如光盘(cd-rom)；存储器，如随机存取存储器(ram)或闪存；和/或有线/无线通信链路。

图1示意性示出了太阳风对深空通信的影响示意图。

如图1所示，在上合期间，由于探测器信号传输路径距离太阳较近，太阳风和日冕对深空通信的影响将非常明显。

由于绝大部分深空探测都在黄道面内运行，所以基本上无可避免的会遇到上合问题。例如火星探测器约每两年出现一次上合现象，太阳-地球-火星(sem)的最小夹角基本都小于1度。在伽利略探测任务中，上合的一个月之前便出现了明显的下行链路衰减；在5天前(sep角为2.9度)，已经无法跟踪遥测信号；直到7天后(sep角为5.8度)才又重新获得遥测信号。对于地内行星和对太阳本身的探测，太阳风和日冕对通信链路的影响更加明显，任务成功的关键决定于空间天气对通信链路的影响程度。所以探索基于脉冲星信号的太阳风特征探测方法具有重要的应用价值。

图2示意性示出了对脉冲星信号消色散前后的时间-频率示意图。

如图2所示，左图为脉冲星信号由于色散效应导致的延迟与频率的关系曲线示意图，其中接收信号带宽为b；右图为经消色散后的理想频率-时间曲线。

脉冲星辐射的电磁波，通过含有自由电子的星际介质传向观测者。由于星际介质是色散的，使得接收机通频带内不同频率的信号到达时间有差别。脉冲星信号经星际介质后会发生色散，高频信号先到达天线，低频信号后到达，即图2左图的效果，如果对采样带宽内不同频率信号的到达时间进行修正，修正后不同频率信号到达的时间将趋于一致，即图2右图的效果。

通过对脉冲星信号进行消色散处理，可以实现信号脉冲星信号的恢复和脉冲强度的最大化。

图3示意性示出了对脉冲星信号消色散前后的脉冲星信号强度示意图。

如图3所示，左上图示出了一个实际脉冲星信号的时间-频率示意图，左下图示出了该脉冲星信号未进行消色散的强度轮廓，右下图示出该脉冲星信号经消色散后的强度轮廓。从图中可以看出，脉冲星信号进行消色散后，使得各频率到达时间一致，可以使脉冲星信号的强度最大化。

图4示意性示出了本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量方法的流程图。

如图4所示，本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量方法包括：

s1，根据太阳的位置，选择已知标准色散量的脉冲星进行观测。

根据太阳位置，选择欲观测方向附近、已探知精确脉冲周期和色散量等参数的脉冲星进行观测。

s2，接收叠加太阳风色散后的该脉冲星的信号。

对该脉冲星进行观测，并接收该脉冲星的信号。脉冲星信号在穿过太阳风时，会受太阳风的影响，导致脉冲星信号的色散量变化和群时延。

接收叠加太阳风色散后的所述脉冲星的信号之后，还需要对该信号进行放大、下变频处理。

s3，搜索该信号的当前色散量。

通过对脉冲星信号色散量的搜索计算，使信号脉冲值最大，以实现当前色散量的搜索

s4，根据该信号的标准色散量和当前色散量，计算太阳风的色散量。

由于太阳风等离子体会对脉冲星信号叠加一部分色散量，将搜索到的脉冲星信号的当前色散量与该脉冲星的标准色散量相减，即可获得由太阳风导致的色散量。

根据信号的标准色散量和当前色散量，计算太阳风的色散量包括：

令dms为太阳风的色散量，dmps为该信号的当前色散量，dmp为该信号的标准色散量，则：

dms＝dmps-dmp。

图5示意性示出了本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量方法中步骤s3搜索该信号的当前色散量的流程图。

如图5所示，步骤s3搜索该信号的当前色散量包括：

s31，以一定步长调整该信号的色散量dmi，用于对该信号做消色散处理；其中，i＝1，2，…，n，n为dmi搜索数量。

为了搜索脉冲星信号的当前色散量，需逐步调整色散量，使脉冲星信号的功率最大，使该脉冲星信号的功率最大的对应色散量即脉冲星信号的当前色散量。因此需以一定步长逐渐调整该脉冲星信号的色散量dmi，以搜索当前色散量。

以一定步长调整该信号的色散量dmi包括：

令dmi为该信号的色散量的搜索值，dmp为该信号的标准色散量，则

dmi＝dmp+d·i；

其中，dmi的取值范围为dmp≤dmi≤dmmax，dmmax为该信号的色散量叠加太阳风色散量后的最大可能的色散量，d为累加步长，d＝(dmmax-dmp)/n，i＝1，2，…，n，n为dmi搜索数量。

图6示意性示除了本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量方法中步骤s31搜索该信号的当前色散量具体步骤的流程图。

如图6所示，步骤s31，以一定步长调整该信号的色散量dmi，用于对该信号做消色散处理包括：

s311，取n个该信号的采样数据，对该采样数据进行希尔伯特变换以获得解析信号y(t)，并计算色散传递函数h+(f+f0)，其中，n＞2δn，且：

其中，d为星际介质色散常量，dmi为该信号的色散量的搜索值，f0为该信号的中心频率，δf为观测带宽，fs为采样频率，td为接收的该信号最大频率与最低频率的到达时差，δt为采样周期；

s312，对该解析信号y(t)进行快速傅里叶变换，以获得该解析信号y(t)的傅里叶变换形式y(f)；

s313，对该傅里叶变换形式y(f)进行傅里叶逆变换，以获得该采样数据消色散后的数据；

令yd(t)为该消色散后的数据，则：

步骤s313还包括：

根据该信号的脉冲周期，对该采样数据消色散后的数据进行周期性叠加。

对该采样数据消色散后的数据进行周期性叠加可提高脉冲星信号的信噪比，当信噪比足够时(例如信噪比大于等于10)可以选择不进行叠加。

s314，分别去掉该消色散后的数据两端的δn/2个数据，另取n-δn个该信号的采样数据，与分别去掉两端的δn/2个数据的该消色散后的数据合并，重复步骤s312，直至对该脉冲星的观测完毕为止。

s32，计算该信号进行该消色散处理后功率的最大值。

令表示该信号的色散量为dmi时该信号的功率的最大值，dmi为该信号的色散量的搜索值，pi(t)表示经消色散处理后的该信号的功率；

其中，0≤t≤t，t为脉冲周期；

s33，重复步骤s31～s32，直至停止对该脉冲星的观测。

s34，计算观测过程中该信号的功率的最大值对应的色散量，即为该信号的当前色散量。

令dmps为该信号的当前色散量，表示的最大值，dmk为该信号的功率为最大值时对应的色散量，则：

在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案可以实现太阳近距离的太阳风色散量和群时延的常规测量，不受限于深空探测器数量、位置和频率范围的局限；可以用于测量任何日心距的太阳风，并可作为常规观测手段对太阳风进行长期监测；可以为太阳风对深空探测器通信信号的时间延迟和色散程度影响提供计算依据，可以直接应用于深空探测通信信道建模、vlbi测轨精度的提高以及太阳风结构反演研究中。

图7示意性示出了本公开实施例提供的一种基于脉冲星信号的太阳风色散量测量装置的工作原理图。

基于脉冲星信号的太阳风色散量测量装置包括：射电望远镜701、脉冲星信号接收模块702、脉冲星色散量搜索模块703及太阳风色散量计算模块704。

具体地，射电望远镜701，用于根据太阳的位置，选择已知标准色散量的脉冲星进行观测；脉冲星信号接收模块702，用于接收叠加太阳风色散后的该脉冲星的信号；脉冲星色散量搜索模块703，用于搜索该信号的当前色散量；太阳风色散量计算模块704，用于根据该信号的标准色散量和当前色散量，计算该太阳风的色散量。

脉冲星信号接收模块702包括：低噪声放大器(lna)、下变频器、数字采样(adc)、原子钟、gps接收设备、时间频率系统。

低噪声放大器、下变频器和数字采样实现脉冲星信号的接收、放大、下变频和数字采样等功能。原子钟、gps接收设备和时间频率系统为下变频器和adc等设备提供高精度的gps时间和频标信号，其中频标信号可采用5mhz或10mhz频率，并通过频率综合其将其相位锁定到原子钟输出的频标信号，保证其相位稳定性。adc用于采集天线接收的脉冲星信号。

脉冲星色散量搜索模块703进行如图4、5、6所示的计算，通过对脉冲星信号进行快速傅里叶变换(fft)、相干消色散、快速逆傅里叶变换(ifft)、周期性折叠、脉冲功率计算、色散量调整等步骤，以获取最大脉冲功率对应的色散量。

如图7所示，脉冲星信号接收模块702中的天线接收到脉冲星信号后，信号通过lna放大，由下变频器进行下变频处理，再由adc进行数据采集，传送到脉冲星色散量搜索模块703进行色散量搜索，最后根据搜索到的色散量计算太阳风色散量。

可以理解的是，射电望远镜701、脉冲星信号接收模块702、脉冲星色散量搜索模块703及太阳风色散量计算模块704可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本发明的实施例，射电望远镜701、脉冲星信号接收模块702、脉冲星色散量搜索模块703及太阳风色散量计算模块704中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑阵列(pla)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(asic)，或可以以对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。或者，射电望远镜701、脉冲星信号接收模块702、脉冲星色散量搜索模块703及太阳风色散量计算模块704中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该程序被计算机运行时，可以执行相应模块的功能。

图8示意性示出了本公开实施例提供的一种电子设备的结构框图。

如图8所示，本实施例中所描述的电子设备，包括：电子设备800包括处理器810、计算机可读存储介质820。该电子设备800可以执行上面参考图3描述的方法，以实现对特定操作的检测。

具体地，处理器810例如可以包括通用微处理器、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(asic))，等等。处理器810还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器810可以是用于执行参考图1描述的根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

计算机可读存储介质820，例如可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，可读存储介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。可读存储介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(hdd)；光存储装置，如光盘(cd-rom)；存储器，如随机存取存储器(ram)或闪存；和/或有线/无线通信链路。

计算机可读存储介质820可以包括计算机程序821，该计算机程序821可以包括代码/计算机可执行指令，其在由处理器810执行时使得处理器810执行例如上面结合图1所描述的方法流程及其任何变形。

计算机程序821可被配置为具有例如包括计算机程序模块的计算机程序代码。例如，在示例实施例中，计算机程序821中的代码可以包括一个或多个程序模块，例如包括821a、模块821b、……。应当注意，模块的划分方式和个数并不是固定的，本领域技术人员可以根据实际情况使用合适的程序模块或程序模块组合，当这些程序模块组合被处理器810执行时，使得处理器810可以执行例如上面结合图1～图2所描述的方法流程及其任何变形。

根据本发明的实施例，射电望远镜701、脉冲星色散量搜索模块702及太阳风色散量计算模块703中的至少一个可以实现为参考图4描述的计算机程序模块，其在被处理器710执行时，可以实现上面描述的相应操作。

本公开还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。