CN108550372B - 一种将天文射电信号转换为音频的系统 - Google Patents
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Abstract
一种将天文射电信号转换为音频的系统，该系统包括射电望远镜和射电望远镜控制台，射电望远镜与射电望远镜控制台通过通信线路连接，射电望远镜将射电信号传输至射电望远镜控制台。该系统中还包括天文体验馆射电展项服务器，该服务器位于天文体验馆中，并且与射电望远镜控制台通过通信线路连接。
Description
技术领域
本发明属于天文科普技术领域，特别涉及一种将天文射电信号转换为音频的系统。
背景技术
射电望远镜(radio telescope)是指观测和研究来自天体的射电波的基本设备，可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。包括收集射电波的定向天线，放大射电信号的高灵敏度接收机，信息记录﹑处理和显示系统等。20世纪60年代天文学取得了四项非常重要的发现：脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子，被称为“四大发现”。这四项发现都与射电望远镜有关。其中最著名的是被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，2016年9月在贵州平塘落成。
射电望远镜的天线收集天体的射电辐射，接收机将这些信号加工、转化成可供记录、显示的形式，终端设备把信号记录下来，并按特定的要求进行某些处理然后展示出来，展示的方式包括人可以感受到的音频。
为了更好的对公众进行天文知识的科普教育，平塘建立了天文体验馆，用以宣传中国天眼、世界最大口径射电望远镜FAST项目并普及天文学常识。天文体验馆中包括一个射电天文展项，该展项就涉及到将天文射电信号转换成音频信号后播放。然而，现有的系统中，并没有关于如何将射电信号转换成音频信号的方案。
发明内容
本发明的实施例提供了一种将天文射电信号转换为音频的系统，目的是解决现有的天文体验馆或者科普馆没有将天文射电信号转换为适合人耳听取的音频文件的问题。
本发明实施例之一，一种将天文射电信号转换为音频的系统，该系统包括射电望远镜和射电望远镜控制台，射电望远镜与射电望远镜控制台通过通信线路连接，射电望远镜将射电信号传输至射电望远镜控制台。
该系统中还包括天文体验馆射电展项服务器，该服务器位于天文体验馆中，并且与射电望远镜控制台通过通信线路连接。
射电望远镜控制台对获取宇宙射电信号的处理步骤包括：
消除射频干扰，从时间，频率，极化，位置，距离，敏感性参数来区分射电天文信号和射频干扰，在数据流中识别射频干扰并完全删除或消隐，其中对于射频干扰消除又包括：
(1)时频域切除，即在时域或频域里设立不同的阈值，如果信号强度大于阈值，则被认为是射频干扰并剔除；
(2)采用零陷定位干扰源，将天线阵设置为跟踪特定方向的目标，提高消除干扰效果；
将消除射频干扰后的天文射电模拟信号，通过模数转换器转换成一组一组相关的二进制数据保存，数字化作为数字音频，以单字节形式存储；
在内存中创建内存流对象，将已经序列化的数据的长度写入所创建的内存流中，随后再写入序列化数据本身，通过两段的数据拼接处理保证网络传输过程中数据的完整性。
天文体验馆射电展项服务器接收到从射电望远镜控制台发送过来的已经数字化的射电信号，在服务器内存中创建数据流对象，将数据根据传输时定义的数据长度拆解出来放入缓存列表中，将二进制数据通过反序列化方法获得音频编码的字节数组存入队列中。
本发明的实施例采用数字化技术和算法，通过与大射电控制台的互相联动，实时从宇宙中截取射电信号传输到天文馆射电展台大厅的计算机中，通过一系列复杂的音频解析算法将接收到的射电信号转换成人类可以感知的音乐。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是本发明实施例中系统组成示意图。
图2是本发明实施例中采用的贪心算法的路程图。
具体实施方式
根据一个或多个实施例，如图1所示，一种将天文射电信号转换为音频的系统，该系统包括射电望远镜和射电望远镜控制台，射电望远镜与射电望远镜控制台通过通信线路连接，射电望远镜将射电信号传输至射电望远镜控制台。该系统中还包括天文体验馆射电展项服务器，该服务器位于天文体验馆中，并且与射电望远镜控制台通过通信线路连接。
天文射电望远镜实现自动观测的关键点是协调天线系统与接收机系统，望远镜的控制系统不仅要控制驱动天线转台，保证望远镜始终以最高效率采集太空信息，并送往上位机供上位机软件进行处理，由上位机计分析射电信号频谱，从而达到系统最终目的。控制系统中，负责其控制转台转动的单片机为主单片机，负责信号采集的单片机称之为从单片机。主单片机和从单片机分别有RS485通信线连接到上位机。主单片机接收上位机通过RS485发送的各种控制命令，同时也将天线当前的位置发送回上位机。而从单片机根据主单片机的指示，适时的通过RS485通信线向上位机发送所采集到的数据信号。天文体验馆射电展项服务器可以通过这样的通信线路获取射电信号。
根据一个或多个实施例，射电望远镜控制台对获取宇宙射电信号的处理步骤包括：
消除射频干扰，从时间，频率，极化，位置，距离，敏感性参数来区分射电天文信号和射频干扰，在数据流中识别射频干扰并完全删除或消隐，其中对于射频干扰消除又包括：
(1)时频域切除，即在时域或频域里设立不同的阈值，如果信号强度大于阈值，则被认为是射频干扰并剔除；
(2)采用零陷定位干扰源，将天线阵设置为跟踪特定方向的目标，提高消除干扰效果；
将消除射频干扰后的天文射电模拟信号，通过模数转换器转换成一组一组相关的二进制数据保存，数字化作为数字音频，以单字节形式存储；
在内存中创建内存流对象，将已经序列化的数据的长度写入所创建的内存流中，随后再写入序列化数据本身，通过两段的数据拼接处理保证网络传输过程中数据的完整性。
根据一个或多个实施例，天文体验馆射电展项服务器接收到从射电望远镜控制台发送过来的已经数字化的射电信号，在服务器内存中创建数据流对象，将数据根据传输时定义的数据长度拆解出来放入缓存列表中，将二进制数据通过反序列化方法获得音频编码的字节数组存入队列中。
根据一个或多个实施例，天文体验馆射电展项服务器读取存储在内存流中的数字信号，数字信号以8位byte字节数组的数据结构读取，以字节数组第一个取值为基准，通过贪心算法(如图2所示)，将各个组成的字节音符分别对应到以C大调为基准的有C、D、E、F、G、A、B之中，再更具解析得到音频数据中的频率字段参数进行对音频单元归类，
大调→bool升序降序→二进制频率码；
C→无升降号→1 2 3 4 5 6 7→a小调；
D→2升(#4 #1)→2 3 #4 5 6 7 #1→b小调；
E→4升(#4 #1 #5 #2)→3 #4 #5 6 7 #1 #2→#c小调；
F→1降(b7)→4 5 6 b7 1 2 3→d小调；
G→1升(#4)→5 6 7 1 2 3 #4→e小调；
A→3升(#4 #1 #5)→6 7 #1 2 3 #4 #5→#f小调；
B→5升(#4 #1 #5 #2 #6)→7 #1 #2 3 #4 #5 #6→#g小调。
将各部分音调合成以每四拍为一小节的方式组成人耳能接收的音乐，最后通过使用Unity3D引擎(三维程序编辑器工具)调用百度语音合成的API，将二进制音频文件合成为语音数据，具体信息类型：header信息Content-Type：audio/mp3。将返回的btye[]数组(www.bytes)，使用filestream，先保存为mp3文件，然后，再用www类，读取本地文件，获取www,audioclip，在赋给audiosource，最后返回合成结果，通过audiosource播放这个音频。
根据一个或多个实施例，天文体验馆射电展项服务器的搭建基于.Net Framework4.5框架，通过Socket编程技术实现了射电控制台与展馆计算机的强联网交互功能。为了保证数据的完整性，整个服务器的搭建使用的是TCP协议进行数据传输。
根据一个或多个实施例，将音频文件通过系统中的多个听筒播放，听筒设计成陨石状。六块陨石上的听筒大大提升了整个展项的代入感与感染力。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (3)
1.一种将天文射电信号转换为音频的系统，其特征在于，该系统包括射电望远镜和射电望远镜控制台，射电望远镜与射电望远镜控制台通过通信线路连接，射电望远镜将射电信号传输至射电望远镜控制台；
该系统中还包括天文体验馆射电展项服务器，该服务器位于天文体验馆中，并且与射电望远镜控制台通过通信线路连接；
射电望远镜控制台对获取宇宙射电信号的处理步骤包括：
消除射频干扰，从时间，频率，极化，位置，距离，敏感性参数来区分射电天文信号和射频干扰，在数据流中识别射频干扰并完全删除或消隐，其中对于射频干扰消除又包括：
(1)时频域切除，即在时域或频域里设立不同的阈值，如果信号强度大于阈值，则被认为是射频干扰并剔除；
(2)采用零陷定位干扰源，将天线阵设置为跟踪特定方向的目标，提高消除干扰效果；
将消除射频干扰后的天文射电模拟信号，通过模数转换器转换成一组一组相关的二进制数据保存，数字化作为数字音频，以单字节形式存储；
在内存中创建内存流对象，将已经序列化的数据的长度写入所创建的内存流中，随后再写入序列化数据本身，通过两段的数据拼接处理保证网络传输过程中数据的完整性；
天文体验馆射电展项服务器接收到从射电望远镜控制台发送过来的已经数字化的射电信号，在服务器内存中创建数据流对象，将数据根据传输时定义的数据长度拆解出来放入缓存列表中，将二进制数据通过反序列化方法获得音频编码的字节数组存入队列中；
所述的通过反序列化方法获得音频编码的方法包括：
天文体验馆射电展项服务器读取存储在内存流中的数字信号，数字信号以8位byte字节数组的数据结构读取，以字节数组第一个取值为基准，通过贪心算法将各个组成的字节音符分别对应到以C大调为基准的有C、D、E、F、G、A、B之中，再更具解析得到音频数据中的频率字段参数进行对音频单元归类，将各部分音调合成以每四拍为一小节的方式组成人耳能接收的音乐，最后通过使用Unity3D引擎I，将二进制音频文件合成为语音数据。
2.根据权利要求1所述的将天文射电信号转换为音频的系统，其特征在于，音频数据转换对应关系如下：
大调→bool升序降序→二进制频率码；
C→无升降号→1 2 3 4 5 6 7→a小调；
D→2升(#4#1)→2 3#4 5 6 7#1→b小调；
E→4升(#4#1#5#2)→3#4#5 6 7#1#2→#c小调；
F→1降(b7)→4 5 6b7 1 2 3→d小调；
G→1升(#4)→5 6 7 1 2 3#4→e小调；
A→3升(#4#1#5)→6 7#1 2 3#4#5→#f小调；
B→5升(#4#1#5#2#6)→7#1#2 3#4#5#6→#g小调。
3.根据权利要求2所述的将天文射电信号转换为音频的系统，其特征在于，将音频文件通过系统中的多个听筒播放，听筒设计成陨石状。
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