本發(fā)明涉及天體物理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中寬頻時域干擾的方法。

背景技術(shù)：

脈沖星是20世紀60年代四大天文發(fā)現(xiàn)之一，它的發(fā)現(xiàn)對當代天體物理的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，相關(guān)研究工作曾分別兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎，這表明脈沖星的觀測和理論研究具有重大的科學(xué)意義，脈沖星的觀測研究一直是天體物理領(lǐng)域的熱點，它是研究極端物理條件下物質(zhì)性質(zhì)和物理規(guī)律的“天然實驗室”。

脈沖星最顯著的一個特點就是具有極其穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)周期，長期監(jiān)測結(jié)果表明，其周期的長期穩(wěn)定性可以和原子鐘相媲美，甚至優(yōu)于原子鐘。射電天文觀測是利用射電望遠鏡接收來自宇宙空間的脈沖星的脈沖信號，對脈沖星的數(shù)據(jù)進行周期折疊獲得脈沖星的輻射輪廓及脈沖星的信號到達地球的時間，即脈沖星到達時間。脈沖星的研究主要集中在脈沖星的輻射輪廓及到達時間研究，脈沖星輪廓研究，可以研究脈沖星本身的輻射特性及輻射過程；脈沖星到達時間研究可以研究脈沖星的穩(wěn)定性及脈沖星的應(yīng)用研究，如脈沖星計時及脈沖星導(dǎo)航研究。

由于脈沖星信號包含大量的系統(tǒng)噪聲和射電干擾噪聲，對脈沖星的研究，首先要考慮對干擾進行消除。

在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，常用的干擾消除的方法主要有濾波和平滑，而脈沖星信號本身就是一種脈沖，相對與數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析來說，其本身就是一種噪聲，常用的濾波與平滑同時會對脈沖星的信號造成濾波或平滑作用，而脈沖星研究的本質(zhì)就是通過研究脈沖星的輪廓來研究脈沖星的各項性質(zhì)，要求在消除射電干擾的同時不能影響脈沖星本身的輪廓形狀與特征。所以常用的濾波與平滑不能滿足脈沖星觀測的干擾消除要求。

目前國際上在脈沖星觀測研究時域?qū)掝l射電干擾消除方法有：自適應(yīng)濾波法；零色散通道積分、消除強干干擾法。

自適應(yīng)濾波法為當前脈沖星觀測中最有效的干擾剔除方法，但自適應(yīng)濾波法需要復(fù)雜的硬件環(huán)境，需要兩臺望遠鏡、接收機和實時采集終端，兩臺望遠鏡分別為主望遠鏡和參考望遠鏡，這種方法有效，但是實現(xiàn)起來非常困難，首先需要建立復(fù)雜的硬件環(huán)境，同時自適應(yīng)濾波算法需要反復(fù)的調(diào)試，目前只在澳大利亞Parkes天文臺得到應(yīng)用。

零色散通道積分、消除強干干擾法為目前脈沖星數(shù)據(jù)處理中消除寬頻射電干擾的主要方法，該方法是利用通道零色散量積分，找出有干擾的時間點，然后利用前后時間點的數(shù)據(jù)進行插值替代該時間點的數(shù)據(jù)，但是，該方法在消除射電干擾的同時也一定程度的影響了脈沖星的輪廓形狀。

因此，本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員需要迫切解決的技術(shù)問題就是：如何能創(chuàng)新的提出一種措施，在不影響脈沖星輪廓形狀的同時消除時域?qū)掝l的射電干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，消除較大色散的脈沖星在射電波段觀測數(shù)據(jù)的時域干擾，獲得更加真實的脈沖星輪廓及到達時間。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中寬頻時域干擾的方法，包括以下步驟：

S1：觀測脈沖星的脈沖信號；

利用射電望遠鏡接收來自宇宙空間中脈沖星信號，觀測脈沖星到達時間，所述脈沖星信號經(jīng)過射電望遠鏡聚焦后，通過高靈敏度接收機進行放大后混頻后，進行數(shù)字化采集，在脈沖星觀測中，由于脈沖星同時發(fā)出多種頻率脈沖信號，所有脈沖信號經(jīng)過星際空間傳播以后，不同頻率的信號到達地球的時間不同；

S2：得到脈沖星的周期性脈沖輪廓；

在寬頻條件下，同時采集脈沖星信號的高頻率分辨率、高時間分辨率數(shù)據(jù)，通過對通道進行色散延遲改正后進行周期疊加得到周期性的脈沖輪廓；

S3：對脈沖星的周期性脈沖輪廓進行消除色散延遲處理；

由于色散的作用，不消除不同頻率信號延遲，將導(dǎo)致脈沖星的輪廓變形，或看不到脈沖星信號，脈沖星觀測系統(tǒng)把接收到的寬頻信號分成多個通道，計算各個通道的電磁波延遲，扣除各個通道的信號延遲后，再進行通道疊加，即實現(xiàn)對脈沖星的周期性脈沖輪廓進行消除色散延遲處理；

S4：觀測脈沖星脈沖信號數(shù)據(jù)中的寬頻射電干擾；

對脈沖星的周期性脈沖輪廓進行消除色散延遲處理后，在有脈沖信號的地方有很多射電干擾，射電干擾疊加在脈沖信號上，對脈沖星的輪廓和到達時間造成嚴重的影響；

S5：消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中的寬頻時域干擾；

利用脈沖星的色散延遲的特性，通過干擾消除算法，消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中的寬頻時域干擾。

進一步的，所述步驟S2包括：

S21：天文接收機接收通過宇宙空間的星際介質(zhì)的脈沖星信號，將脈沖星信號的頻率帶寬Δf內(nèi)的信號放大、降頻到中頻；

S22：使用中頻電纜將中頻信號注入到終端系統(tǒng)，終端系統(tǒng)把頻率帶寬為Δf的信號分成v₁、v₂、v₃.....v_n n個子通道，每個子通道帶寬為Δf/n；

S23：以子通道v_n/2為基準，計算子通道v₁、v₂、v₃.....v_n對子通道v_n/2的時間延遲Δt₁、Δt₂、Δt₃......Δt_n；

S24：改正每個子通道的時間延遲，對每個子通道的數(shù)據(jù)進行疊加，獲得脈沖星的輪廓。

進一步的，所述宇宙空間的星際介質(zhì)的作用為對脈沖星的脈沖信號造成延遲。

進一步的，步驟S5所述干擾消除算法包括：

在實際觀測中，每次采樣記錄的數(shù)值記為p_ij，其中i為通道序號，范圍為0～n，j為采樣序號，脈沖星的周期為T，采樣率為Δτ，一個周期的采用點數(shù)為T/Δτ。

S51：通道改正

對n個子通道的T/Δτ次采樣的數(shù)據(jù)進行歸一化，改正n個子通道數(shù)據(jù)的系統(tǒng)相應(yīng)及高頻衰減，計算每個通道的功率響應(yīng)，對通道的周期點數(shù)進行算數(shù)平均，以任意一個通道的平均功率響應(yīng)為基準進行通道改正，重新計算每個通道的每次采樣的數(shù)值p′_ij；

S52：計算色散延遲與脈沖星輪廓寬度

通過色散延遲時間公式計算整個帶寬內(nèi)的色散延遲時間，通過脈沖星星表獲得脈沖星的標準輪廓，或利用歷史數(shù)據(jù)的標準輪廓計算出脈沖星的輪廓寬度W_psr；

S53：干擾消除

計算脈沖星的通道數(shù)據(jù)采樣點的值，所述采樣點的值包括：脈沖星信號值、射電干擾值、系統(tǒng)噪聲值，所述脈沖星信號值只在有脈沖星脈沖輻射的地方存在，所述射電干擾值為隨機干擾噪聲值，所述系統(tǒng)噪聲在整個周期內(nèi)都存在；

如果色散延遲時間Δt＞2W_psr，在脈沖星的周期為T內(nèi)，第i通道有脈沖星信號，即第i通道的通道數(shù)據(jù)采樣點的值包括：脈沖星信號值、射電干擾值、系統(tǒng)噪聲值，則第i+n/2通道沒有脈沖星信號，及第i+n/2通道的通道數(shù)據(jù)采樣點的值包括：射電干擾值、系統(tǒng)噪聲值；

將第i通道的通道數(shù)據(jù)采樣點的值減去第i+n/2通道的通道數(shù)據(jù)采樣點的值即得到脈沖星信號值。

進一步的，所述輪廓寬度W_psr為信號兩邊邊緣的相位寬度。

更進一步的，所述色散延遲時間公式為：Vt＝4.148808DM[(v₀)^-2-(v_n)^-2]，式中DM為脈沖星色散量，單位為秒差距每立方厘米，所述秒差距是天文學(xué)上的一種長度單位，1秒差距等于3.2615637769744079138光年，v₀、v_n為頻率，單位GHz。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明利用寬頻時域干擾的相關(guān)性，通過通道相減消除寬頻的時域干擾消除脈沖星觀測數(shù)據(jù)中的寬頻時域干擾，獲得真實的脈沖星輪廓，提高脈沖星到達時間的精度，為脈沖星的到達時間觀測研究提供更可靠的保障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中寬頻時域干擾的方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的觀測脈沖星的脈沖信號原理圖；

圖3為本發(fā)明的脈沖星脈沖到達時間隨頻率變化圖；

圖4為本發(fā)明的得到脈沖星的周期性脈沖輪廓原理圖；

圖5為本發(fā)明的沒有消除色散延遲時的脈沖星輪廓及時域干擾圖；

圖6為本發(fā)明的消除色散后的脈沖星輪廓及時域干擾圖；

圖7為本發(fā)明的計算脈沖輪廓寬度示意圖；

圖8本發(fā)明的實施例中沒有消除色散延遲時的脈沖星輪廓及時域干擾圖；

圖9為本發(fā)明的實施例中消色散但沒有消除干擾后的脈沖星的輪廓圖；

圖10為本發(fā)明的實施例中消除時域干擾后真實的脈沖星輪廓圖；

圖11為本發(fā)明的實施例中消除時域干擾后用系統(tǒng)白噪聲替代負值脈沖輪廓后真實的脈沖星輪廓圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進一步進行描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中寬頻時域干擾的方法，包括以下步驟：

S1：觀測脈沖星的脈沖信號；

如圖2所示，利用射電望遠鏡接收來自宇宙空間中脈沖星信號，觀測脈沖星到達時間，所述脈沖星信號經(jīng)過射電望遠鏡聚焦后，通過高靈敏度接收機進行放大后混頻后，進行數(shù)字化采集。

如圖3所示，在脈沖星觀測中，由于脈沖星同時發(fā)出多種頻率脈沖信號，所有脈沖信號經(jīng)過星際空間傳播以后，不同頻率的信號到達地球的時間不同，圖3中縱坐標為通道，不同的通道為不同的頻率，高頻通道的信號相對低頻通道的信號先到達觀測站。

S2：得到脈沖星的周期性脈沖輪廓；

如圖4所示，在寬頻條件下，同時采集脈沖星信號的高頻率分辨率、高時間分辨率數(shù)據(jù)，通過對通道進行色散延遲改正后進行周期疊加得到周期性的脈沖輪廓；從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，脈沖信號非常強，同時在有脈沖信號的地方有很多射電干擾，這些干擾疊加在脈沖信號上，將對脈沖星的輪廓和到達時間造成嚴重的影響，特別是高精度的脈沖星到達時間觀測研究及脈沖星輻射機制研究。

脈沖星觀測系統(tǒng)原理如圖4所示，脈沖星的信號通過宇宙空間的星際介質(zhì)(ISM)后，ISM的作用對脈沖星的脈沖星信號造成延遲，經(jīng)過天文接收機后將頻率帶寬為Δf將信號放大、降頻到中頻，經(jīng)過中頻電纜注入到終端系統(tǒng)，終端系統(tǒng)把頻率帶寬為Δf的信號分成v₁、v₂、v₃.....v_n n個子通道，每個子通道帶寬為Δf/n。以v_n/2子通道為基準，計算v₁、v₂、v₃.....v_n每個子通道對v_n/2通道的時間延遲Δt₁、Δt₂、Δt₃......Δt_n，改正每個通道的時間延遲后對每個通道的數(shù)據(jù)進行疊加，從而獲得脈沖星的輪廓。

S3：對脈沖星的周期性脈沖輪廓進行消除色散延遲處理；

由于色散的作用，不消除不同頻率信號延遲，將導(dǎo)致脈沖星的輪廓變形，或看不到脈沖星信號，脈沖星觀測系統(tǒng)把接收到的寬頻信號分成多個通道，計算各個通道的電磁波延遲，扣除各個通道的信號延遲后，再進行通道疊加，即實現(xiàn)對脈沖星的周期性脈沖輪廓進行消除色散延遲處理。如圖5所示，消除色散延遲后獲得了非常強的脈沖星脈沖信號。

S4：觀測脈沖星脈沖信號數(shù)據(jù)中的寬頻射電干擾；

對脈沖星的周期性脈沖輪廓進行消除色散延遲處理后，在有脈沖信號的地方有很多射電干擾，射電干擾疊加在脈沖信號上，對脈沖星的輪廓和到達時間造成嚴重的影響；

S5：消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中的寬頻時域干擾；

利用脈沖星的色散延遲的特性，通過干擾消除算法，消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中的寬頻時域干擾。

脈沖星色散的大小與脈沖星的距離相關(guān)，距離越遠其色散值越大，色散的表達公式如下：

$DM=\underset{0}{\overset{d}{\∫}}{n}_{e}dl---\left(1\right)$

其中DM為脈沖星色散、l為脈沖的距離、n_e為銀河系平均電子密度。

不同頻率電磁波通過星際空間后時間延遲可以表達為：

Vt＝4.148808DM[(v₀)^-2-(v₁)^-2] (2)

其中Vt為不同頻率信號的到達地球接收器時間延遲，單位為毫秒，DM為脈沖星色散量，單位為秒差距每立方厘米，秒差距是天文學(xué)上的一種長度單位，1秒差距等于3.2615637769744079138光年，v₀、v₁為頻率，單位GHz。

脈沖星觀測數(shù)據(jù)消干擾目的是消除脈沖星觀測頻段范圍內(nèi)的窄帶干擾和寬頻時域干擾。通常消除脈沖星干擾的方法是，通過一定的算法找到干擾的通道或時域上干擾的點，頻域上的干擾消除通道的數(shù)據(jù)，時域上是采用本地的值加上rms的隨機噪聲替代時域上的干擾點，這種方法可以消除干擾的通道和干擾的數(shù)據(jù)，獲得較好的輪廓，但是，如果干擾疊加在脈沖星的輪廓上，此時該時刻的值應(yīng)該是：

T_sig＝T_sys+T_psr+T_rfi (3)

式中：T_sig總信號強度，T_psr脈沖星的信號，T_sys為系統(tǒng)噪聲，T_rfi為射電干擾。

為了消除干擾的影響，而采用系統(tǒng)噪聲的值替代這個時刻的采樣值，這個時刻的值設(shè)置為系統(tǒng)噪聲，也就是T_sig～＝T_sys，損失了脈沖星的輻射功率，這將提高脈沖星的到達時間噪聲，同時會改變脈沖星的輻射輪廓，從而影響脈沖星的到達時間的精度，對脈沖星的輻射機制研究造成影響。

在本發(fā)明中，記錄每次觀測采樣的數(shù)值為p_ij，i為通道序號，范圍為

0～n,j為采樣序號。脈沖星的周期為T，采樣率為Δτ，一個周期的采用點數(shù)為T/Δτ。

所述步驟S5包括：

S51：通道改正

對n個子通道的T/Δτ次采樣的數(shù)據(jù)進行歸一化，改正n個子通道數(shù)據(jù)的系統(tǒng)相應(yīng)及高頻衰減，計算每個通道的功率響應(yīng)，對通道的周期點數(shù)進行算數(shù)平均，計算公式為：

$\stackrel{\‾}{p_i}=\frac{\underset{1}{\overset{T/\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{\Σ}}{p}_{ij}}{\frac{T}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}}---\left(4\right)$

以任意一個通道的平均功率響應(yīng)為基準進行通道改正，重新計算每個通道的每次采樣的數(shù)值p′_ij；如以第k通道為基準，則：

$p_{ij}^{\′}=\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_k{p}_{ij}}{{\stackrel{\‾}{p}}_i}---\left(5\right)$

S52：計算色散延遲與脈沖星輪廓寬度

通過色散延遲時間公式計算整個帶寬內(nèi)的色散延遲時間，由公式(2)可得：

Vt＝4.148808DM[(v₀)^-2-(v_n)^-2] (6)

通過脈沖星星表獲得脈沖星的標準輪廓，或利用歷史數(shù)據(jù)的標準輪廓計算出脈沖星的輪廓寬度W_psr；脈沖輪廓寬度為信號兩邊邊緣的相位寬度。

如圖7所示，輪廓開始于0.485，結(jié)束于0.519，相對寬度為：(0.519-0.485)×T＝0.034T，T為脈沖星的周期。

S53：干擾消除

在本發(fā)明中，利用脈沖星的色散延遲的特性，不同頻率的脈沖星的信號到達時間不一樣，高頻的信號先到達，低頻的后到達，記高頻信號的到達時刻為t_psr-h，低頻信號的到達時刻為t_psr-l，則t_psr-h＜t_psr-l，而干擾信號同一時間到達，t_rfi-h＝t_rfi-l，通過計算脈沖星的輻射輪廓與脈沖星的觀測帶寬的延遲，如果脈沖星在觀測帶寬內(nèi)色散延遲大于兩倍的脈沖星帶寬Δt＝t_psr-l-t_psr-h＞2W_psr，通過通道校準后，通道交差相減可以有效消除寬頻的射電干擾，而不影響脈沖星的信號。

由公式(3)可計算脈沖星的通道數(shù)據(jù)采樣點的值：

$P_{ij}\∝T_{ij}^{sys}+T_{ij}^{psr}+T_{ij}^{rfi}---\left(7\right)$

其中為系統(tǒng)噪聲，整個周期都存在；脈沖星信號，只在有脈沖輻射的地方有信號，為射電干擾，為隨機干擾噪聲。

脈沖星的通道數(shù)據(jù)采樣點的值包括以下幾種情況：

(1)沒有脈沖信號和干擾采樣：

$P_{ij}\∝T_{ij}^{sys}---\left(8\right)$

(2)沒有脈沖信號、有干擾的采樣：

$P_{ij}\∝T_{ij}^{sys}+T_{ij}^{rfi}---\left(9\right)$

(3)有脈沖星信號、沒有干擾的采樣：

$P_{ij}\∝T_{ij}^{sys}+T_{ij}^{psr}---\left(10\right)$

(4)有脈沖星信號、有干擾的采樣：

$P_{ij}\∝T_{ij}^{sys}+T_{ij}^{psr}+T_{ij}^{rfi}---\left(11\right)$

由于脈沖星的信號隨不同頻率有時間延遲，當Δt＞2W_psr時，第i通道有脈沖星信號時其采樣數(shù)據(jù)為：

或

而第i_+n2通道沒有脈沖信號，其采樣數(shù)據(jù)為：

或

不同的通道之間，通過通道改正之后有：

$T_{ij}^{sys}=T_{(i+n/2)j}^{sys},T_{ij}^{rfi}=T_{(i+n/2)j}^{rfi}$

那么i通道與i+n/2通道相減后只保留了脈沖星信號與系統(tǒng)的白噪聲

$p_{ij}-p_{(i+n/2)j}\∝T_{ij}^{psr}$

最后對相減后得到脈沖星負值的輪廓，用系統(tǒng)的白噪聲范圍的隨機數(shù)進行替代。

所以，可以得到下述結(jié)論：如果色散延遲時間Δt＞2W_psr，在脈沖星的周期為T內(nèi)，第i通道有脈沖星信號，即第i通道的通道數(shù)據(jù)采樣點的值包括：脈沖星信號值、射電干擾值、系統(tǒng)噪聲值，則第i+n/2通道沒有脈沖星信號，及第i+n/2通道的通道數(shù)據(jù)采樣點的值包括：射電干擾值、系統(tǒng)噪聲值，將第i通道的通道數(shù)據(jù)采樣點的值減去第i+n/2通道的通道數(shù)據(jù)采樣點的值即得到脈沖星信號值。

所以對色散延遲滿足Δt＞2W_psr的脈沖星可以對改正后的通道數(shù)據(jù)進行相減，非常有效的消除射電干擾的同時保留脈沖星的信號。

本發(fā)明在實際應(yīng)用中，對脈沖星PSR J1645-0317的實測數(shù)據(jù)進行了處理。圖8表示由于色散延遲，沒有消除色散延遲及時域干擾的脈沖輪廓；圖9表示消色散但沒有消除干擾后脈沖輪廓；圖10表示消除時域干擾后脈沖輪廓，圖11表示消除時域干擾后，用系統(tǒng)白噪聲替代負值脈沖輪廓后真實的脈沖星輪廓。從圖8中可以看出，脈沖星的信號受色散延遲和時域干擾的影響，導(dǎo)致脈沖輪廓變形，或者看不到脈沖星信號；從圖9可以看出，消除色散延遲后獲得了非常強的脈沖信號，但脈沖輪廓及本底上有許多干擾；從圖11、圖10與圖8、圖9的對比可以看出本發(fā)明可以非常好的的消除時域上的干擾獲得真實的脈沖輪廓。

以上對本發(fā)明所提供的一種消除脈沖星到達時間數(shù)據(jù)中寬頻時域干擾的方法進行了詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。