CN111487473A - 一种快速射电暴自动探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种快速射电暴自动探测系统，包括：多频段切换与信号自适应调整单元，用于将信号接入本系统，并根据接入频段自适应调节信号强度与带宽，包括换馈控制器、多频段馈源组、功分器以及信号处理模块；信号采样与偏振计算单元，用于对两路极化信号进行数字化和偏振参数计算，包括两路模数转换器以及Stokes参数计算模块；频率综合器，用于为信号采样与偏振计算单元提供采样频率，主控计算机根据频段设置频率综合器的输出频率；FRB搜寻与数据存储单元，用于接收并处理信号采样与偏振计算单元输出的信号，包括干扰消除模块、色散消除模块以及脉冲搜寻模块。另一方面，还包括一种快速射电暴自动探测方法。

Description

一种快速射电暴自动探测系统及方法

技术领域

本发明涉及射电望远镜技术领域，尤其涉及一种快速射电暴自动探测系统及方法。

背景技术

快速射电暴(Fast Radio Burst，FRB)是一类奇特的天文现象，其色散量远远超过银河系星际介质的贡献，因此一般认为是河外起源。自2007年被发现以来，全球已有近百例FRB事件得到了确凿认证，甚至出现了许多重复爆发的现象。关于FRB的物理起源，科学家提出了多种不同的假设，其中一些可以通过观测数据得到验证。FRB作为宇宙学的探针，对于探测星系际介质的磁场和测量宇宙学参数具有十分重要的物理意义，例如，可以通过FRB的色散量和距离，建立星系际介质的电子密度模型、研究宇宙的再电离过程、揭示伽马暴的中心能量来源之谜等。但目前FRB的数量仍然有限，观测数据依然匮乏，许多基本问题，如起源、喷流效应、辐射机制、重复爆发现象、伽马波段对应体、引力波辐射等都没有得到解决，为了进一步揭示FRB的大量未解之谜，国内外开展了众多的搜寻项目，期望增加FRB的样本数量以及它们的多波段对应体，从而为认证宿主星系和准确测定红移，提供可靠的观测证据。

目前常用射电望远镜观测FRB事件，但射电望远镜造价高，观测时间宝贵，由于FRB事件出现在天空的位置和发生的时间为随机的，因此探测到FRB事件的概率与望远镜投入观测的时间成正比，如分配观测时间对FRB进行专用探测，一来将花费大量的观测时间，二来由于探测结果的未知性，可能影响望远镜的产出。根据目前的观测研究，FRB爆发的电磁辐射多为全频段覆盖。射电望远镜一般配备多台接收机覆盖不同的频段，由于不同频段接收机输出信号的频率范围和信号强度都有所差异，如需进行多频段的FRB探测，需要在接收机信号接入观测终端前对信号强度进行调整，对观测终端的采样频率和处理程序也需做出相应调整。此外，观测系统的自动化程度将影响系统的可靠性和人力的投入。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种快速射电暴自动探测系统及方法，至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种快速射电暴自动探测系统，包括：多频段切换与信号自适应调整单元，其与主控计算机通信连接，包括换馈控制器、多频段馈源组、功分器以及信号处理模块，其中：换馈控制器，用于接收观测装置的馈源切换指令，并将其发送至多频段馈源组和主控计算机；多频段馈源组，包括多个频段的接收机，主控计算机根据馈源切换指令连接多频段馈源组中对应频段的接收机，以使接收机接收对应频段的观测信号；功分器，用于接收观测信号，并将观测信号分成多路相同的信号，每路信号均包括两个极化信号；信号处理模块，用于接收多路相同的信号并对其进行处理后输出两个极化信号；信号采样与偏振计算单元，包括两路模数转换器以及Stokes参数计算模块，所述两路模数转换器分别接收两个极化信号，经过FFT计算后输出至Stokes参数计算模块，进行偏振参数计算，主控计算机根据频段自动调整观测参数、加载相应的固件程序；频率综合器，用于为所述信号采样与偏振计算单元提供采样频率，通过模拟转换器输入，主控计算机根据所述频段设置所述频率综合器的输出频率；FRB搜寻与数据存储单元，用于接收信号采样与偏振计算单元的输出信号，包括干扰消除模块、色散消除模块以及脉冲搜寻模块，其中，干扰消除模块用于去除输出信号中的电磁干扰，色散消除模块用于区分电磁干扰和初级FRB信号，脉冲搜寻模块用于获取初级FRB信号中的FRB脉冲信号。

可选地，信号处理模块包括功率检波器、增益调节器以及带通滤波器，增益调节器与所述带通滤波器连接，其中：功率检波器用于接收多路信号中的一路信号，并检测信号的信号强度，并将检测结果发送至主控制计算机，以使主控制计算机根据检测结果生成反馈信号；增益调节器用于接收多路信号中的另一路信号，并根据所反馈信号对该路信号进行增益大小调节；带通滤波器用于对所述增益调节器的输出信号进行滤波处理，并输出处理后的两极化信号。

可选地，多频段切换与信号自适应调整单元还包括多路微波开关，多路微波开关与主控计算机通信连接，用于接收主控计算机的切换指令，将开关切换至多频段馈源组中对应频段的接收机。

可选地，多个频段的接收机包括：K频段接收机、S/X频段接收机、C频段接收机以及L频段接收机。

可选地，信号采样与偏振计算单元还包括格式器，格式器用于对Stokes参数计算模块输出的信号进行封装并输出。

可选地，脉冲搜寻模块包括一预设阈值，脉冲搜寻模块将频率大于或等于预设阈值的初级FRB信号进行标记。

可选地，FRB搜寻与数据存储单元还包括存储模块，用于存储FRB脉冲信号。

另一方面，本公开还提供了一种基于上述快速射电暴自动探测系统的探测方法，包括：S1，接收观测装置的馈源切换指令，并将其发送至多频段馈源组和主控计算机；S2，主控计算机根据馈源切换指令连接多频段馈源组中对应频段的接收机，以使接收机接收对应频段的观测信号；S3，接收观测信号，并将观测信号分成多路相同的信号，每路信号均包括两个极化信号；S4，接收多路相同的信号并对其进行处理后输出所述两个极化信号；S5，主控计算机根据频段设置采样频率参数和固件程序，频率综合器接收所述采样频率参数；S6，两路模数转换器分别接收两个极化信号，模数转换器的输出信号经过FFT计算后发送至Stokes参数计算模块，Stokes参数计算模块对信号进行偏振参数计算；S7，接收信号采样与偏振计算单元的输出信号，采用干扰消除模块去除输出信号中的电磁干扰，采用色散消除模块区分电磁干扰和初级FRB信号，并采用脉冲搜寻模块获取初级FRB信号中的FRB脉冲信号。

可选地，步骤S4具体包括：S41，接收多路信号中的一路信号，并检测信号的信号强度，并将检测结果发送至主控制计算机，以使主控制计算机根据检测结果生成反馈信号；S42，接收多路信号中的另一路信号，并根据反馈信号对该路信号进行增益大小调节；S43，对增益调节器的输出信号进行滤波处理，并输出处理后的两极化信号。

可选地，步骤S6还包括对Stokes参数计算模块输出的信号进行封装并输出。

(三)有益效果

本公开提供了一种快速射电暴自动探测系统及方法，至少具有如下技术效果：

采取盲寻的观测模式，即无须控制望远镜指向特定天区，当望远镜进行正常天文观测时，将接收机信号分流至FRB观测系统，同时开展两种科学任务的观测，加倍利用望远镜的观测时间，同时，更长时间的观测投入可增加FRB事件的探测概率；

采用多频段切换与信号自适应调整技术，自动感知并切换接收机信号，自适应调节信号强度与带宽，同时设置观测参数、加载对应观测程序，实现FRB的多频段观测与自动切换，在提高系统可靠性、节省人力的同时，实现望远镜任意观测模式下的全天时、多频段FRB探测。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的快速射电暴自动探测系统的结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的多频段切换与信号自适应调整单元的结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的频率综合器和信号采样与偏振计算单元的结构示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的FRB搜寻与数据存储单元的结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的快速射电暴自动探测方法的步骤图。

具体实施方式

一种快速射电暴自动探测系统，如图1所示，包括多频段切换与信号自适应调整单元100、频率综合器200、信号采样与偏振计算单元300以及FRB搜寻与数据存储单元400，其中：

多频段切换与信号自适应调整单元100，其与主控计算机通信连接，用于将信号接入本系统，并根据接入频段自适应调节信号强度与带宽，多频段切换与信号自适应调整单元100包括换馈控制器110、多频段馈源组120、功分器130以及信号处理模块140，其中：换馈控制器110，用于接收观测装置的馈源切换指令，并将其发送至多频段馈源组和主控计算机；多频段馈源组120，包括多个频段的接收机，主控计算机根据馈源切换指令连接多频段馈源组中对应频段的接收机，以使接收机接收对应频段的观测信号；功分器130，用于接收观测信号，并将观测信号分成多路相同的信号，每路信号均包括两个极化信号；信号处理模块140，用于接收多路相同的信号并对其进行处理后输出两个极化信号；

频率综合器200，主控计算机根据频段设置采样频率参数和固件程序，频率综合器接收采样频率参数；

信号采样与偏振计算单元300，用于对两路极化信号进行数字化和偏振参数计算，包括两路模数转换器310以及Stokes参数计算模块320，两路模数转换器310接收分别接收两个极化信号，并均接收频率综合器200发送的采样频率，以使模数转换器310的输出信号经过FFT计算后发送至Stokes参数计算模块320，Stokes参数计算模块320根据固件程序对信号进行偏振参数计算；

FRB搜寻与数据存储单元400，用于接收信号采样与偏振计算单元的输出信号，包括干扰消除模块410、色散消除模块420、脉冲搜寻模块430，其中，干扰消除模块410用于去除输出信号中的电磁干扰，色散消除模块420用于区分电磁干扰和初级FRB信号，脉冲搜寻模块430用于获取初级FRB信号中的FRB脉冲信号。

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，多频段切换与信号自适应调整单元100，其与主控计算机通信连接，包括换馈控制器110、多频段馈源组120、功分器130以及信号处理模块140，其中：

换馈控制器110，用于接收观测装置的馈源切换指令，并将其发送至多频段馈源组和主控计算机。具体的，当观测装置向换馈控制器110发送馈源切换指令后，换馈控制器110控制多波段馈源组120选定对应频段的接收机。

多频段馈源组120，包括多个频段的接收机，主控计算机根据馈源切换指令连接多频段馈源组120中对应频段的接收机，以使接收机接收对应频段的观测信号。具体的，多波段馈源组120根据换馈控制器110发送的馈源切换指令选定对应频段的接收机，对应频段的接收机包括K频段接收机、S/X频段接收机、C频段接收机以及L频段接收机中的一个，该对应频段的接收机旋转至望远镜焦点位置。

多频段切换与信号自适应调整单元100还包括多路微波开关150，所述多路微波开关150与主控计算机通信连接，用于接收主控计算机的切换指令，将开关切换至多频段馈源组中对应频段的接收机。当任务执行完成后，换馈控制器110向主控计算机发送接收机切换信号，真空计算机接收信号后向多路微波开关150发送开关切换指令，多路微波开关150选择对应频段信号接入电路。

功分器130，用于接收观测信号，并将观测信号分成多路相同的信号，每路信号均包括两个极化信号。功分器130设于多路微波开关150的下游，接收功分器130输送的观测信号。功分器130将观测信号分成多路相同的信号，每路信号包括两个极化信号。本公开实施例中以分成三路信号为例，第一路信号如A路信号接入常规观测终端，第二路信号和第三路信号发生至信号处理模块140，经过信号处理模块140处理后输出。信号处理模块140包括功率检波器141、增益调节器142以及带通滤波器143，增益调节器142与带通滤波器连接，其中：

功率检波器141用于接收多路信号中的一路信号，并检测信号的信号强度，并将检测结果发送至主控制计算机，以使主控制计算机根据检测结果生成反馈信号；

增益调节器142用于接收多路信号中的另一路信号，并根据反馈信号对该路信号进行增益大小调节；

带通滤波器143用于对增益调节器的输出信号进行滤波处理，并输出处理后的两极化信号，带通滤波器143根据接入接收机的频段设置带通滤波参数。功率检波器141的测量值、增益调节器142的增益调节值和带通滤波器143的参数均通过主控计算机进行传输和控制。

如图3所示，频率综合器200，主控计算机根据频段设置采样频率参数和固件程序，频率综合器接收采样频率参数，并将采样频率输出至信号采样与偏振计算单元300。

如图3所示，信号采样与偏振计算单元300，包括两路模数转换器310以及Stokes参数计算模块320，两路模数转换器310分别接收两个极化信号，并均接收频率综合器输出的采样频率，以使模数转换器的输出信号经过FFT计算后发送至Stokes参数计算模块320，Stokes参数计算模块320根据固件程序对信号进行偏振参数计算。信号采样与偏振计算单元300还包括格式器330，所述格式器330用于对所述Stokes参数计算模块320输出的信号进行封装并输出。

如图4所示，FRB搜寻与数据存储单元400，用于接收信号采样与偏振计算单元的输出信号，包括干扰消除模块410、色散消除模块420以及脉冲搜寻模块430，其中，干扰消除模块410用于去除输出信号中的电磁干扰，由于射电望远镜非常灵敏，通信、网络、无线广播、雷达、飞机、卫星等无线电信号和任何电子设备的电磁辐射都将被捕捉到，如不对这些信号进行滤除，将对FRB信号的识别造成影响，色散消除模块420用于区分电磁干扰和初级FRB信号，通过消色散处理，可以将人为产生的电磁干扰和FRB信号进行区分，准确的识别FRB信号，脉冲搜寻模块430用于获取初级FRB信号中的FRB脉冲信号。脉冲搜寻模块430包括一预设阈值，所述脉冲搜寻模块430将频率大于或等于预设阈值的初级FRB信号进行标记。FRB搜寻与数据存储单元400还包括存储模块440，用于存储FRB脉冲信号。

综上所述，本公开通过将接收机信号分流至FRB观测系统，根据接入观测的接收机频段，自适应调节信号强度与带宽，同时设置观测参数、加载对应观测程序，在不干扰正常天文观测的情况下，实现FRB的多频段、无间隙、自动化望远镜共视观测，充分利用望远镜的观测时间。一种多频段快速射电暴自动探测系统包括：多频段切换与信号自适应调整单元、信号采样与偏振计算单元、频率综合器、FRB搜寻与数据存储单元和主控计算机。当主控计算机感知到接收机频段的切换时，将信号链路切换至对应频段并分流至FRB观测系统，自适应调节信号强度与带宽；主控计算机通知频率综合器调整采样频率，通知信号采样与偏振计算单元调整观测参数、重新加载对应的处理固件，然后采集2路偏振信号，完成偏振参数计算，并将结果传输至FRB搜寻与数据存储单元；FRB搜寻与数据存储单元根据观测频段，对FRB进行信号搜寻，并将结果进行存储。

另一方面，本申请还提供了一种基于上述快速射电暴自动探测系统的探测方法，如图5所示，包括：

S1，接收观测装置的馈源切换指令，并将其发送至多频段馈源组120和主控计算机；

S2，主控计算机根据馈源切换指令连接多频段馈源组120中对应频段的接收机，以使接收机接收对应频段的观测信号；

S3，接收观测信号，并将观测信号分成多路相同的信号，每路信号均包括两个极化信号；

S4，接收多路相同的信号并对其进行处理后输出两个极化信号；具体的，包括：

S41，接收多路信号中的一路信号，并检测信号的信号强度，并将检测结果发送至主控制计算机，以使主控制计算机根据检测结果生成反馈信号；

S42，接收多路信号中的另一路信号，并根据反馈信号对该路信号进行增益大小调节；

S43，对增益调节器的输出信号进行滤波处理，并输出处理后的两极化信号。

S5，主控计算机根据频段设置采样频率参数和固件程序，频率综合器200接收采样频率参数；

S6，两路模数转换器310接收分别接收两个极化信号，模数转换器310的输出信号经过FFT计算后发送至Stokes参数计算模块320，Stokes参数计算模块320对信号进行偏振参数计算；对Stokes参数计算模块320输出的信号进行封装并输出；

S7，接收信号采样与偏振计算单元300的输出信号，采用干扰消除模块410去除输出信号中的电磁干扰，采用色散消除模块420区分电磁干扰和初级FRB信号，并采用脉冲搜寻模块430获取初级FRB信号中的FRB脉冲信号。

FRB是一种持续时间极短(毫秒量级)、流量高(一般在几百毫央至几个央斯基之间)、具有偏振特性的射电爆发。FRB爆发的宽带信号在宇宙空间传播时受空间尘埃、自由电子等影响，频率高的电磁波比频率低的电磁波先到达地球，脉冲信号因此出现延展甚至消失的现象，称之为色散现象。在一个有限的带宽B MHz、中心频率为v GHz内，时间延迟量t_DMμs与色散量DM的关系为：

t_DM＝8.3×B·DM·v^-3(μs) (1)

在两个被观测频率v₁和v₂之间的时间延迟t₂-t₁可由下式进行计算：

消色散就是根据这个延迟量对每一个频率子通道的数据在时间上进行延迟或提前。对于FRB搜寻来说，DM是未知的，为了得到这个值，可采用遍历的方法，对每个DM值下的数据进行一次消色散计算，然后找出效果最好的一组。例如可假设DM的搜寻范围Z为100～5000cm^-3pc，以1cm^-3pc为间隔对每一个DM值进行频率通道内的消色散。

而后再对每一组色散值下的时域数据进行脉冲信号查找，设置一预设阈值，将信噪比超过该阈值的数据标识为FRB候选体，该阈值可根据射电望远镜的电磁环境和观测频段来设置，例如：当在电磁环境较差的L频段观测时可以把阈值设为12，当在电磁环境较好的C频段观测时可以把阈值设为6。

将该多频段快速射电暴自动探测系统安装于某26米射电望远镜系统中，该望远镜装配有L频段、C频段、S/X频段和K频段等4个频段的接收机，通过主控计算机对接入观测接收机的频段进行监测，当观测频段切换时，主控计算机向多频段快速射电暴自动探测系统发送指令，自适应调节接入信号强度与带宽，同时设置观测参数、加载对应观测程序，自动实现不同频段观测任务的切换。例如：某一时刻，正在进行脉冲星观测，所用接收机为L频段(中频信号范围：100-420MHz)，增益调节器的增益值为10，带通滤波器参数为100-420MHz，频率综合器的输出频率为1024MHz，信号采样与偏振计算单元固件程序为Mode 1，FFT点数为1024，积分次数为64，FRB搜寻与数据存储单元中色散量搜寻区间为100-5000cm-3pc，脉冲搜寻的阈值为12。当主控计算机监测到接收机切换为C频段(中频信号范围：10-1000MHz)后，自动完成如下设置：将增益调节器的增益值设置为18，带通滤波器参数设置为10-1000MHz，频率综合器的输出频率设置为2048MHz，信号采样与偏振计算单元固件程序调整为Mode 2，FFT点数设为2048，积分次数设为128，FRB搜寻与数据存储单元中色散量搜寻区间设置为10-5000cm^-3pc，脉冲搜寻的阈值设置为6。

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进一步详细说明，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。

Claims (10)

1.一种快速射电暴自动探测系统，包括：

多频段切换与信号自适应调整单元，其与主控计算机通信连接，包括换馈控制器、多频段馈源组、功分器以及信号处理模块，其中：

换馈控制器，用于接收观测装置的馈源切换指令，并将其发送至所述多频段馈源组和主控计算机；

多频段馈源组，包括多个频段的接收机，所述主控计算机根据所述馈源切换指令连接所述多频段馈源组中对应频段的接收机，以使所述接收机接收对应频段的观测信号；

功分器，用于接收所述观测信号，并将所述观测信号分成多路相同的信号，每路所述信号均包括两个极化信号；

信号处理模块，用于接收所述多路相同的信号并对其进行处理后输出所述两个极化信号；

信号采样与偏振计算单元，包括两路模数转换器以及Stokes参数计算模块，所述两路模数转换器分别接收所述两个极化信号，经过FFT计算后输出至所述Stokes参数计算模块，进行偏振参数计算；

频率综合器，用于为所述信号采样与偏振计算单元提供采样频率，通过模拟转换器输入，主控计算机根据所述频段设置所述频率综合器的输出频率；

FRB搜寻与数据存储单元，用于接收所述信号采样与偏振计算单元的输出信号，包括干扰消除模块、色散消除模块以及脉冲搜寻模块，其中，干扰消除模块用于去除所述输出信号中的电磁干扰，色散消除模块用于区分电磁干扰和初级FRB信号，脉冲搜寻模块用于获取所述初级FRB信号中的FRB脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的系统，所述信号处理模块包括功率检波器、增益调节器以及带通滤波器，所述增益调节器与所述带通滤波器连接，其中：

所述功率检波器用于接收所述多路信号中的一路信号，并检测所述信号的信号强度，并将检测结果发送至主控制计算机，以使主控制计算机根据检测结果生成反馈信号；

所述增益调节器用于接收所述多路信号中的另一路信号，并根据所述反馈信号对该路信号进行增益大小调节；

所述带通滤波器用于对所述增益调节器的输出信号进行滤波处理，并输出处理后的两极化信号。

3.根据权利要求1所述的系统，所述多频段切换与信号自适应调整单元还包括多路微波开关，所述多路微波开关与主控计算机通信连接，所述多路微波开关用于接收所述主控计算机的切换指令，将开关切换至所述多频段馈源组中对应频段的接收机。

4.根据权利要求1或3所述的系统，所述多个频段的接收机包括：K频段接收机、S/X频段接收机、C频段接收机以及L频段接收机。

5.根据权利要求1所述的系统，所述信号采样与偏振计算单元还包括格式器，所述格式器用于对所述Stokes参数计算模块输出的信号进行封装并输出。

6.根据权利要求1所述的系统，所述脉冲搜寻模块包括一预设阈值，所述脉冲搜寻模块将频率大于或等于所述预设阈值的初级FRB信号进行标记。

7.根据权利要求1所述的系统，所述FRB搜寻与数据存储单元还包括存储模块，所述存储模块用于存储所述FRB脉冲信号。

8.一种基于权利要求1～7任一项所述的快速射电暴自动探测系统的探测方法，包括：

S1，接收观测装置的馈源切换指令，并将其发送至所述多频段馈源组和主控计算机；

S2，所述主控计算机根据所述馈源切换指令连接所述多频段馈源组中对应频段的接收机，以使所述接收机接收对应频段的观测信号；

S3，接收所述观测信号，并将所述观测信号分成多路相同的信号，每路所述信号均包括两个极化信号；

S4，接收所述多路相同的信号并对其进行处理后输出所述两个极化信号；

S5，主控计算机根据所述频段设置采样频率参数和固件程序，所述频率综合器接收所述采样频率参数；

S6，所述两路模数转换器分别接收所述两个极化信号，所述模数转换器的输出信号经过FFT计算后发送至所述Stokes参数计算模块，所述Stokes参数计算模块对所述信号进行偏振参数计算；

S7，接收所述信号采样与偏振计算单元的输出信号，采用干扰消除模块去除所述输出信号中的电磁干扰，采用色散消除模块区分电磁干扰和初级FRB信号，并采用脉冲搜寻模块获取所述初级FRB信号中的FRB脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的方法，所述步骤S4具体包括：

S41，接收所述多路信号中的一路信号，并检测所述信号的信号强度，并将检测结果发送至主控制计算机，以使主控制计算机根据检测结果生成反馈信号；

S42，接收所述多路信号中的另一路信号，并根据所述反馈信号对该路信号进行增益大小调节；

S43，对所述增益调节器的输出信号进行滤波处理，并输出处理后的两极化信号。

10.根据权利要求8所述的方法，所述步骤S6还包括对所述Stokes参数计算模块输出的信号进行封装并输出。

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