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脉冲星观测系统

  南山18cm脉冲星脉冲到达时间观测系统由18cm馈源、左右旋双圆极化器(OMT)、双极化接收机、模拟多通道消色散终端(AFB,包括降频转换器、多通道滤波器和数字化器)、数字消色散终端(DFB)等组成。20027月,18cm双极化致冷接收机安装调试成功,并投入了脉冲星观测,观测能力达到0.5 mJy,极化器噪声温度小于8 K,接收机噪声温度小于10 K,增益为60 dB,系统噪声温度分别达到20 K22 K的国际先进水平,天线增益约是0.1K Jy−1,这为在合理积分时间内观测一颗流量密度大约10 mJy的脉冲星提供了足够高的灵敏度。 

  该系统的工作频率为1381.251701.25 MHz,中心频率为1540 MHz20027月以后,对300颗脉冲星进行了常规的长期计时监测。 

    

  1. 数字式多通道消色散终端DFB 

  数字滤波器组(Digital Filter Bank,简称DFB)于2008年底开始在南山进行试观测与调试,于20101月开始进行观测。 

  Fig 1 DFB系统组成原理图

  DFB时间精度高,能够处理带宽为1GHz的中频全偏振信号,有四种操作模式:周期折叠、搜寻、频谱仪和基带输出。脉冲星观测要求把接收的信号分成很多窄通道以消除星际色散效应。DFB系统基于FPGA处理器中采用多相滤波器的构架, 系统硬件由三块主要部分组成:高速模数转换器ADC、数字滤波器组DFB和脉冲星处理单元PPU,其中PPU包含用于保存偏振信息和按照脉冲星周期折叠数据的相关器。 

  DFB系统构架可以分为两部分:高速双输入采样器以及能进行脉冲星处理的数字信号处理卡。这两部分的周围是很多数量的硬件,它们用于提供电源、通信、控制以及数据存储。系统构架如图2所示: 

  Fig 2 数字滤波器DFB系统构架 

  整个系统有一个5 MHz参考频率,再倍频可以得到各种频率,最高频率是用于采样钟的2048 MHz。另外,系统采用澳大利亚望远镜发布钟ATDC产生的BAT信号用来同步整个系统和提供绝对时间。采样器模块包含210 位的模数转换器ADC,它有9位的输出。串行器需要640 MHz的参考,它也被送到包含串并行转换器的后端传输模块RTM。采样器模块包含一个同步器,它用来产生2048MHz640 MHz256 MHz。数据序列传输的速度是 10.24Gbps 

  基于DFB观测软件平台Pdfb_Fb_obs (刘志勇 2010),可同时用于脉冲星和分子谱线观测。它实现了连续自动的发送观测源、实时计算当前恒星时与源的地平高度和显示观测结果、智能避开高山的遮挡、控制噪声二极管等功能。Pdfb_Fb_obs的交互界面左侧的schedule file输入框选择纲要文件,中间Schedule方框选择要观测的源。脉冲星计时(积分)模式观测的数据的格式采用基于fits格式的psrfits格式,其数据处理采用PSRCHIVE软件包和TEMPO2。它们是由澳大利亚的ATNFThe Australia Telescope National Facility)、澳大利亚的Swinburne大学开发和维护的数据处理软件包。每次观测就能得到一个相对于观测台站的脉冲到达时间,TEMPO2的主要任务是利用太阳系星历表DE405Standish1982Standish2004)把观测到的脉冲到达时间(TOA)归算到太阳系质心,同时利用脉冲星自转减慢模型做最小二乘法拟合,得到各项参数实测值。 

    

  2. 模拟式多通道消色散终端AFB 

  1998年,乌鲁木齐天文站建立了我国第一套256通道的脉冲星多通道消色散观测系统,该消色散系统分为多通道滤波器、数字化器和降频转换器3个部分。 

  降频转换器提供滤波器需要的840MHz120 MHz带宽80 MHz的中频信号。降频转换电路来的八路中频信号在多通道滤波电路中进行处理,每一路分频到32个通道,每一个通道带宽通过两个LC滤波器和TC调谐电容器调到2.5 MHz,然后送到平方律检波器进行模拟转换,产生电压信号。多通道滤波电路共输出256个通道模拟电压信号给数字化器进行处理。多通道滤波电路来的256个通道模拟电压信号通过数字化器的RC电路组成的0.2 Hz高通滤波器,LC和放大器组成的单采样间隔的积分电路和比较电路产生数字信号后储存到触发器。触发器通过控制1 bit的数字写到数据总线上。256个通道信号是1 bit的数字化,所有通道的采样一次完成而且采样速率和采样通道数由计算机控制。数字化器每次采样的数据通过1632 bit数据(可选择)总线送给计算机进行处理。 

降频转换器以5 MHz为本振参考频率信号工作,因此脉冲星消色散系统对时间与频率信号的新要求为:数字化器需要有1 pps0.2 pps1 Mpps信号,采集控制计算机需要提供UTCMJD(改进儒略日)的信息。

  Fig 3 南山脉冲星模拟多通道消色散终端系统框图。

  脉冲星的数据采集和处理以及数据记录由安装了Windows操作系统的PC机完成(Wang et al.2001),数据采集程序(PTDAPulsar Timing Data Acqusi-tion)是用Visual C++编写的Windows程序,它实时完成数据采集、数据预处理、脉冲星周期计算和周期叠加、数据存盘、消色散数据显示、观测纲要查询、图形输出、天线姿态控制等几个任务。 

采集的数据进入缓冲区后,如果计算机不能够及时处理,便出现错误提示并停止采样。观测中对每一次采样和每一个5 pps信号都进行计数检测,出错时立即停止观测。其中数据采集、数据处理任务的优先级为最高。观测中典型的采样速率为1 msCrab250μs),每次观测时间由脉冲星在该观测频段的流量强度决定,一般为216分钟。离线的数据处理为Linux系统下的脉冲星到达时间数据处理软件:PSRCHIVETEMPO(或TEMPO2)。

 

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