捷变射电天文观测终端及其在行星际闪烁研究中的应用

作     者：龚友梅 

作者单位：云南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何乐生

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070401[理学-天体物理] 0704[理学-天文学] 

主      题：频率切换定标 IPS监测 FPGA APSoC 

摘      要：行星际闪烁（interplanetary scintillation,IPS）是指宇宙中的射电源所发出的射电信号在经过太阳系的行星际空间时,因受到太阳风的影响,造成的射电信号的相位和幅度发生波动的情况,因此对IPS进行监测,以此来预测太阳风的动向,可以有效减少空间天气带来的危害。我国的射电天文重要观测与研究平台——云南省天文台40m射电望远镜,在进行射电天文定标操作时,其后端控制系统的操作程序较为复杂,且数据积分时间长,无法进行实时的射电天文信号处理。本文将APSo C+捷变收发器设计成的捷变收发方案应用于IPS射电天文信号观测中,通过程控可快速切换本振、滤波器等参数,从而实现快速的射电天文定标,并在FPGA中实现数字信号处理,对信号进行FFT处理,频域叠加和IPS功率计算,在较小的采样频率下实现了更高的时间分辨率与频谱分辨率,本终端灵活的频率切换定标与IPS数据的快速处理为IPS监测提供了全新的观测手段。本文完成的主要工作有:1.介绍了射电文观测终端的各项性能指标,并基于捷变收发器的性能与IPS的实际观测需求,设计了一套捷变收发方案用于射电天文信号定标与IPS监测,并与XFFTS终端和ROACH2终端的系统性能进行对比,本终端性能远高于以上两个终端。本系统拥有12Gsps的采样速率与12bit的量化位数,可实现更精确的系统采样与更高的系统量化范围。2.结合捷变收发平台,使用频率切换（Frequency switching）定标的方式,提出一种全新的捷变收发定标方案并在捷变收发平台上将其实现,使得射电天文观测系统的定标时间大大缩短,可实现在1s内完成频率切换定标,其可实现的最小频谱分辨率为195Hz,比XFFTS与ROACH-2终端可实现的最小频谱分辨率76KHz和0.12MHz都要高,最终在此终端下实现了中性氢谱线的标定。3.基于捷变收发器设计了一个的IPS监测终端,且在PC端设计了一套完整的射电天文信号传输,显示,存储的终端,通过信号同步机制,保证了射电天文信号传输的完整性。通过系统性能验证,本IPS监测终端可以实现长时间,稳定的IPS信号监测,信号监测的最小间隔可达10ms。本文首次将捷变收发方案的射电天文快速定标与数据的实时处理应用于IPS监测中,改善了云南省天文台40m射电望远镜在150MHz、327MHz、900MHz、2GHz、5GHz频点的IPS观测终端系统性能,这种全新的射电天文频率定标方法可在1s内完成频率切换,使射电天文定标效率提升了4～6倍,其可实现的最小频谱分辨率为195Hz,且通过APSo C实现了捷变射电天文终端参数的实时控制,完整的实现了一套包含IPS信号处理、传输、显示和存储的捷变射电观测终端。