基于S变换的脉冲星辐射脉冲信号检测

为了提高脉冲星辐射脉冲信号的检测速度和在低信噪比下的检测效果, 提出了一种基于S变换的脉冲星辐射脉冲信号检测算法. 文中证明了高斯白噪声S变换域功率谱服从自由度为2的卡方分布, 基于此对累积信号S变换域功率谱进行阈值处理,累加阈值处理后的时频功率谱作为统计量进行检测. 此外阈值处理后的功率谱也可用来测量脉冲星信号的时间延迟. 仿真实验验证了本文算法的有效性,其检测性能优于同类的基于高斯分布模型的检测算法, 同时还可以在一定精度下给出脉冲星信号的时间延迟值. 关键词： 脉冲星 卡方分布 S变换域检测 时延测量     

基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统研究

为进行X射线脉冲星导航的关键技术研究,搭建了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统.地面模拟系统由模拟X射线脉冲源、基于微通道板的高灵敏X射线光子探测器、电荷灵敏前放和主放电路、时间测量单元、X射线脉冲轮廓构造及X射线脉冲到达时间测量系统组成.该模拟系统可在地面模拟X射线脉冲星导航的星源的强度、周期及脉冲轮廓,实现对X射线脉冲星单光子到达时间的记录,构造X射线脉冲星脉冲轮廓,计算X射线脉冲到达时间.描述了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的组成和工作原理,报道了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的初步结果. 关键词： X射线脉冲星导航 微通道板光子探测器 脉冲轮廓     

X射线脉冲星累积脉冲轮廓泊松噪声去除的研究

论述了X射线脉冲星辐射光子探测与累积脉冲轮廓构造模型,分析了通过光子计数获取的累积脉冲轮廓的噪声特点,提出了基于非归一化Haar小波的消噪算法,推导了基于Haar小波消噪的阈值函数的最佳参数计算公式.在X射线脉冲星导航地面模拟系统上进行了实验研究,结果表明,消噪后的累积脉冲轮廓峰值信噪比提高2 dB以上.通过蒙特卡罗模...     

X射线脉冲星导航系统导航精度的研究

为提高X射线脉冲星导航系统的导航精度,提出了一种基于低通滤波器的恒比定时方法,以提高X射线脉冲星导航系统中X射线脉冲到达时间的测量精度.通过设计测量方案,对原有的峰值定时方法和改进后的恒比定时系统的定时精度和死时间进行测量.测量结果表明,峰值定时系统的定时精度和死时间分别为18和4750 ns,恒比定时系统的定时精度和死时间分别为0.78和105 ns,与原有的峰值定时系统相比,采用恒比定时系统的定时精度和死时间均得到明显的提高.在X射线脉冲星导航系统中,通过利用这两种不同定时系统来测量X射线光子的到达时间以构造累积脉冲轮廓.实验结果表明,与峰值定时系统相比,采用改进的恒比定时系统获得的累积脉冲轮廓的信噪比得到明显改善,因此,采用恒比定时系统的导航精度可得到提高.     

一种基于最优频段的X射线脉冲星累积轮廓时延估计方法

为提高X射线脉冲星导航中累积脉冲轮廓的时间延迟估计精度, 分析了X射线脉冲星累积脉冲轮廓的频谱特性和现有Taylor快速傅立叶变换时延估计算法的缺陷, 提出了一种基于最优频段的累积轮廓时延估计算法, 并通过建立不同信噪比下时延估计误差与所采用频段之间的关系以确定最优频段. 数值及实测数据实验结果表明: 在短时观测或光子流量较小时, 该算法优于常用的近似最大似然 (FAML)、相关 (CC)、最小二乘 (NLS) 及加权最小二乘 (WNLS) 方法; 在观测时间较长或光子流量较大时, 该算法的估计精度与CC及NLS方法相当, 但其运算量低于NLS, FAML 及WNLS方法. 本文所提算法适用于短时观测脉冲轮廓或低流量脉冲星的高精度时延估计.     

基于APD单光子探测器的光子到达时间标记精度研究EI北大核心CSCD

为了准确测量X射线脉冲星导航中的光子到达时间,提出了一种X射线探测器光子到达时间精度的测试系统,该系统主要由脉冲X射线发生器、任意波形发生器、雪崩光电二极管探测器和时间标记光子计数器组成。系统测量脉冲X射线发生器的控制脉冲信号与雪崩光电二极管探测器测量的输出信号之间的时间延迟,研究时间延迟的分布情况,该分布的标准差可以反映被测探测器的光子到达时间测量精度。实验结果显示,雪崩光电二极管探测器输出信号相比控制信号的时间延迟约9.03 ns,标准差为2.23 ns,即雪崩光电二极管探测器的光子到达时间精度为2.23 ns,表明其能够实现对X射线单光子的快时间响应与高精度标记。     

X射线脉冲星导航探测器性能研究

为研究用于X射线脉冲星导航的探测系统性能,推导了在光子计数模式下探测系统的信噪比和最小可探测功率的关系表达式,并搭建测量信噪比和最小可探测功率的实验装置.测量了系统的最小可探测功率以及在不同光功率、不同累积时间和不同阈值电压条件下探测系统的信噪比.通过对X射线光子到达时间的测量,构造了X射线脉冲累积轮廓.实验表明:随着光功率和累积时间的增加,累积脉冲轮廓的信噪比提高,累积脉冲轮廓趋于光滑;当阈值电压为-150mV时,信噪比为26.3,累积脉冲轮廓最优;系统的最小可探测功率为3.5×10-16W.     

高稳定度X射线脉冲星信号模拟

X射线脉冲星导航是一种完全自主的导航方式, 在深空乃至行星际空间具有潜在的工程应用价值.由于空间飞行试验系统复杂, 成本巨大, 在实验室环境下高精度地模拟X射线脉冲星信号对数据处理方法和导航方案的验证具有重要意义. 针对当前机械转盘式模拟系统中时间稳定度和轮廓精度的不足, 提出了一种通过产生的轮廓电压信号直接控制可见光光源, 再利用衰减获得光子流, 最后经单光子探测和处理电路输出光子到达时间序列的模拟新方法.该方法实现成本低, 支持任意X射线脉冲星信号的模拟, 且具有高时间稳定度和轮廓精度. 详细地讨论了该方法的原理和涉及的关键技术, 搭建了X射线脉冲星信号模拟系统, 并进行了实验. 实验结果表明: 该系统大幅提高了X射线脉冲星信号的模拟效果, 将模拟脉冲星自转周期的稳定度从现有的10^-4提高到10^-9; 当探测器面积为1 m², 探测能谱范围为2–10 keV, 积分时间为1200 s时, 模拟的PSR B1509-58 观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的相关系数达到了0.993. 关键词： X 射线光子信号 时间稳定度 观测脉冲轮廓 导航算法     

基于两级压缩感知的脉冲星时延估计方法

为了快速获得高精度的脉冲星累积脉冲轮廓时延估计,提出了一种基于两级压缩感知的时延估计方法.压缩感知主要包括三个部分:字典、测量矩阵、恢复算法,其中字典尺寸是影响压缩感知估计精度的重要因素.针对压缩感知中字典的原子数增加虽能提高估计精度但又带来计算量大的问题,该方法采用粗估计与精估计两级字典相结合,先利用粗估计字典原子间隔大的特点进行累积脉冲轮廓全相位估计,得到预估时延值,再利用精估计字典的原子间隔小且个数少适合局部估计的特点对累积脉冲轮廓进行精确时延估计.理论分析与实验结果表明:两级字典数据量比传统字典小两个数量级,在相同的时延估计精度下,该方法比传统压缩感知方法计算量大幅度减少,是一种能保持高估计精度并有效降低计算量的脉冲星时延估计方法.     

基于Bayesian估计的X射线脉冲星微弱信号检测

累积轮廓、流量和周期是X射线脉冲星辐射信号的三个重要特征,将其应用于X射线脉冲星信号检测中,提出了一种基于Bayesian估计的X射线脉冲星周期辐射信号时域检测方法.该方法以非脉冲区噪声观测为先验知识,利用X射线脉冲星辐射信号的泊松分布模型推导了信号概率密度分布函数,以该函数的累积分布函数为判据,对X射线脉冲星微弱信号进行检测,并提取位相偏移量.利用仿真数据和RXTE卫星的实测数据进行实验验证,结果表明:本文方法性能优于同类的基于高斯分布模型的检测方法,在检测信号的同时能在一定精度下给出信号位相偏移值. 关键词： 脉冲星 Bayesian估计 位相测量 时域检测     

Measurement of X-ray photon energy and arrival time using a silicon drift detector

Detecting the X-ray emission of pulsars and obtaining the photons' time of arrival are the foundational steps in autonomous navigation via X-ray pulsar measurement. The precision of a pulse's time of arrival is mainly determined by the precision of photon arrival time measurement. In this work, a silicon drift detector is used to measure photon energy and arrival time. The measurement system consists of a signal detector, a processing unit, a signal acquisition unit and a data receiving unit. This system acquires the energy resolution and arrival time information of photons. In particular, background noise with different energies disturbs pulse profile forming, the system can also achieve a high signal-to-noise ratio profile. Ground test results show that this system can be applied in autonomous navigation based on X-ray pulsar measurement.     

Fleet algorithm for X-ray pulsar profile construction and TOA solution based on compressed sensing

X-ray pulse profile and time of arrival (TOA) are the two important physical quantities for pulsar navigation. With the standard and integrated X-ray pulse profiles modeled, X-ray pulse profile construction is studied and TOA is solved using compressed sensing (CS) technology. The observation matrix and waveform complete dictionary are mainly examined. A column vector-based matching pursuit algorithm is presented. The feasibility of obtaining X-ray pulse profile construction by compressed sensing technology is verified by numerical simulation. Compared with the X-ray pulse profile construction method based on epoch folding, the proposed method exhibits improved real-time performance, and its detection time for integrated X-ray pulse profile could be reduced by one order of magnitude. This proposed method can also solve for TOA solution and construct the X-ray pulse profile simultaneously, which is essential to improve pulsar navigation efficiency.     

基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法

针对脉冲星信号周期估计需逐步搜索、计算量大等问题,提出脉冲星信号周期直接估计算法.根据周期不确定误差对时域上脉冲到达时间(Pulse Time of Arrival,TOA)估计方法的影响,推导了基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法的数学模型.该方法将一组观测到的脉冲光子到达时间序列(Photon Time of Arrivals,TOAs)进行等时间间隔分段,在时域上对每段TOAs进行相位估计获得相应的TOA信息,并根据建立的TOA信息与周期误差的关系采用最小二乘原理估计脉冲星信号周期.对周期准确性的评价不同于传统的依赖折叠轮廓的好坏,而是以TOA与时间图像的斜率作为依据,这一依据更直观、易于理解.理论分析与物理、计算机仿真数据结果表明,本文所提的周期估计方法能够根据短时间脉冲光子到达时间序列获得高精度和高分辨率的脉冲信号周期,有利于X射线脉冲星导航的工程应用.     

X射线脉冲星自主导航的观测方程

在分析脉冲时间相位模型(pulse timing model)的意义和研究已有观测方程结论的基础上, 对脉冲到达时间(TOA)所含各种效应进行了解析,推导建立了一阶后牛顿近似下光子到达时间转换方程, 与一些作者的结果进行比较讨论; 同时推导出航天器在三种类型轨道下质心坐标时与航天器原时转换公式. 通过程序实现了推导的观测方程对X射线脉冲星空间观测数据处理的功能, 并利用RXTE卫星观测数据进行验算,搜索出正确的脉冲星周期, 折叠出准确的脉冲轮廓,验证了本文观测方程的正确性, 并与Heasoft软件计算结果进行对比分析, 最后分析了脉冲星位置误差与行星历表误差对数据处理的影响. 关键词： 太阳系质心 时间相位模型 Crab脉冲星 引力时延     

Measuring clock jumps using pulsar timing

In this paper,we investigate the statistical signal-processing algorithm to measure the instant local clock jump from the timing data of multiple pulsars.Our algorithm is based on the framework of Bayesian statistics.In order to make the Bayesian algorithm applicable with limited computational resources,we dedicated our efforts to the analytic marginalization of irrelevant parameters.We found that the widely used parameter for pulsar timing systematics,the"Efac"parameter,can be analytically marginalized.This reduces the Gaussian likelihood to a function very similar to the Student’s t-distribution.Our iterative method to solve the maximum likelihood estimator is also explained in the paper.Using pulsar timing data from the Yunnan Kunming 40-m radio telescope,we demonstrate the application of the method,where 80-ns level precision for the clock jump can be achieved.Such a precision is comparable to that of current commercial time transferring service using satellites.We expect that the current method could help developing the autonomous pulsar time scale.