天馬望遠(yuǎn)鏡連續(xù)譜觀測系統(tǒng)

董 健，MUFAKHAROV Timur，劉慶會(huì)，沈志強(qiáng)

(1.中國科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海200030；2.中國科學(xué)院 射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008)

1 引 言

天馬望遠(yuǎn)鏡是目前亞洲最大的全方位可轉(zhuǎn)動(dòng)的射電望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡主反射面直徑為65 m，由14 圈共1 008 塊高精度實(shí)面板單元拼裝而成，配備了L,S/X,C,Ku,K,X/Ka,Q共7 套接收機(jī)，對(duì)應(yīng)的觀測波長范圍為7～210 mm。天馬望遠(yuǎn)鏡在中國射電望遠(yuǎn)鏡歷史上首次采用了主動(dòng)反射面系統(tǒng)，其調(diào)整后的主反射面面精度的均方根誤差(root mean square,RMS)達(dá)到了0.28 mm，1～50 GHz 頻率的8 個(gè)波段各仰角的觀測效率均達(dá)到50%，達(dá)到國際先進(jìn)水平[1?3]。

連續(xù)譜觀測對(duì)于天馬望遠(yuǎn)鏡具有重要意義。首先，連續(xù)譜觀測數(shù)據(jù)可用于測試望遠(yuǎn)鏡的性能，連續(xù)譜觀測系統(tǒng)是天馬望遠(yuǎn)鏡的必備系統(tǒng)；其次，通過多波段的連續(xù)譜觀測，我們可以確定源的譜指數(shù)，這對(duì)于銀河系小尺度磁場、超新星遺跡和銀河系輻射模板等課題的研究都具有重要意義；最后，對(duì)連續(xù)譜流量的監(jiān)測數(shù)據(jù)有助于研究射電源時(shí)變特性和星際介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

本文主要介紹天馬望遠(yuǎn)鏡連續(xù)譜觀測系統(tǒng)的相關(guān)信息及其實(shí)現(xiàn)情況，包括連續(xù)譜觀測過程、系統(tǒng)的硬件和軟件組成、數(shù)據(jù)處理算法，以及測試觀測情況等。

2 連續(xù)譜觀測過程

天馬望遠(yuǎn)鏡的連續(xù)譜觀測可分為單點(diǎn)觀測和成圖觀測兩類。單點(diǎn)觀測通過十字掃描來實(shí)現(xiàn)，每組十字掃描由多次沿著赤經(jīng)和赤緯方向的子掃描構(gòu)成；成圖觀測通過OTF(on-the-fly)掃描實(shí)現(xiàn)，可認(rèn)為由多次單點(diǎn)觀測組合而成。單點(diǎn)觀測和成圖觀測的數(shù)據(jù)定標(biāo)采用快速周期性噪聲注入方法。

在觀測中，我們穿插流量校準(zhǔn)源，以校準(zhǔn)目標(biāo)源流量。望遠(yuǎn)鏡的指向誤差會(huì)影響連續(xù)譜流量測量的精度和成圖的準(zhǔn)確性，因此，在觀測流量校準(zhǔn)源的同時(shí)，我們對(duì)指向誤差進(jìn)行快速修正。

3 連續(xù)譜觀測系統(tǒng)的硬件和軟件組成

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了最大化復(fù)用設(shè)備，天馬望遠(yuǎn)鏡連續(xù)譜觀測系統(tǒng)與譜線OTF 觀測系統(tǒng)共用類似的系統(tǒng)[4]，如圖1所示。該系統(tǒng)由控制軟件、天線、接收機(jī)、中頻傳輸系統(tǒng)、連續(xù)譜終端和數(shù)據(jù)處理程序組成。各組成部分的關(guān)系如下：控制軟件協(xié)調(diào)天線、接收機(jī)、中頻傳輸系統(tǒng)和連續(xù)譜終端協(xié)同完成觀測，并記錄各設(shè)備狀態(tài)信息；單點(diǎn)和成圖觀測完成后，數(shù)據(jù)處理程序快速處理觀測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至FTP 服務(wù)器。觀測者可從FTP 服務(wù)器下載觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行后處理。

圖1 天馬望遠(yuǎn)鏡連續(xù)譜觀測系統(tǒng)

觀測系統(tǒng)采用周期性噪聲注入定標(biāo)方式(周期為50 ms)。噪聲源開關(guān)控制信號(hào)由連續(xù)譜終端產(chǎn)生，并通過光纖傳輸至接收機(jī)的噪聲源。連續(xù)譜終端采用DIBAS (digital backend system)終端，觀測模式為Mode1。Mode1 共有1 024 個(gè)通道，每個(gè)通道的帶寬為1 464.8 kHz，因此，連續(xù)譜觀測的最大記錄帶寬為1.5 GHz。

3.2 控制軟件

控制軟件從上往下可分為邏輯控制層、設(shè)備控制層和設(shè)備層，如圖2所示。邏輯控制層實(shí)現(xiàn)連續(xù)譜觀測邏輯，由Python 語言實(shí)現(xiàn)，采用模型-視圖-控制器(model-view-controller,MVC)模式。連續(xù)譜觀測綱要采用文本格式，便于邏輯控制層的讀取和解析。在綱要中，我們定義了單點(diǎn)觀測和成圖觀測的觀測參數(shù)，包括掃描范圍、掃描速度、行間隔、觀測頻率和帶寬等信息。邏輯控制層按順序讀取綱要信息，以進(jìn)行觀測。由于在觀測過程中需要進(jìn)行指向修正，因此在綱要中需要對(duì)指向修正的十字掃描進(jìn)行特殊標(biāo)記。邏輯控制層讀取到此標(biāo)記時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。設(shè)備控制層由Python 和C++ 實(shí)現(xiàn)，它將設(shè)備軟件化，并提供一組軟件接口供邏輯控制層使用。設(shè)備層由天線、接收機(jī)、連續(xù)譜終端和中頻傳輸?shù)扔布O(shè)備組成。

圖2 連續(xù)譜控制軟件結(jié)構(gòu)圖

3.3 數(shù)據(jù)處理算法

數(shù)據(jù)預(yù)處理程序采用Python 編寫。觀測完成后，控制軟件發(fā)送觀測標(biāo)記符(每組觀測數(shù)據(jù)都有一個(gè)自動(dòng)生成的唯一的標(biāo)記符)給數(shù)據(jù)預(yù)處理程序。數(shù)據(jù)預(yù)處理程序根據(jù)觀測標(biāo)記符查找狀態(tài)數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖

數(shù)據(jù)預(yù)處理的步驟如下：首先，數(shù)據(jù)預(yù)處理程序讀取連續(xù)譜終端的記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)觀測綱要中的帶寬值，合并數(shù)據(jù)通道。由于采用了快速周期性噪聲注入定標(biāo)方法，合并后的觀測數(shù)據(jù)包括有噪聲注入和無噪聲注入的兩組數(shù)據(jù)其中t為數(shù)據(jù)記錄時(shí)間。采用式(1)和式(2)可分別獲得定標(biāo)因子τ和定標(biāo)后的數(shù)據(jù)M(t)。

然后，數(shù)據(jù)預(yù)處理程序讀取天線位置數(shù)據(jù)Pa(t)，并根據(jù)M(t)中的時(shí)間值t對(duì)Pa(t)進(jìn)行線性插值，得出M(t)的位置值，從而得到M(p)，其中p為所述赤經(jīng)或赤緯的位置數(shù)據(jù)。

接著，如果需要進(jìn)行指向修正，數(shù)據(jù)預(yù)處理程序則會(huì)對(duì)M(p)按式(3)進(jìn)行線性和高斯擬合，得出赤經(jīng)和赤緯方向的指向誤差m，并發(fā)送給觀測軟件。控制軟件將赤經(jīng)和赤緯方向的指向偏差轉(zhuǎn)換為方位和俯仰方向的指向誤差后，再對(duì)指向快速修正。

其中，k為基線斜率，b為基線常數(shù)，a為高斯函數(shù)幅度，HPBW為半功率波束寬度。如果不需要進(jìn)行指向誤差修正，則直接跳轉(zhuǎn)到下一步。最后，數(shù)據(jù)預(yù)處理程序?qū)(p)記錄到FITS 文件中，并將此數(shù)據(jù)上傳至FTP 服務(wù)器[5]。

觀測者下載數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。后處理的流程圖如圖4所示。預(yù)處理數(shù)據(jù)包括目標(biāo)源的數(shù)據(jù)和定標(biāo)源的數(shù)據(jù)兩部分。我們對(duì)觀測數(shù)據(jù)移除基線，并計(jì)算指向偏差量、幅度、HPBW和RMS。數(shù)據(jù)后處理程序根據(jù)定標(biāo)源計(jì)算出增益曲線和央斯基/開爾文轉(zhuǎn)換系數(shù)，以校準(zhǔn)目標(biāo)源的流量。在后處理中，數(shù)據(jù)后處理程序繪制出目標(biāo)源和定標(biāo)源的觀測數(shù)據(jù)，以及增益曲線，以對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。如果觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量較差，則人工刪除數(shù)據(jù)，不對(duì)其作進(jìn)一步處理。

圖4 數(shù)據(jù)后處理流程圖

4 實(shí)際觀測

我們選取了不同流量的射電源進(jìn)行觀測，以驗(yàn)證連續(xù)譜觀測系統(tǒng)的有效性。觀測時(shí)天氣晴朗，觀測頻率為C 波段6.5 GHz，帶寬為500 MHz，噪聲注入周期為50 ms，連續(xù)譜終端記錄時(shí)間為0.1 s (連續(xù)譜終端記錄的數(shù)據(jù)分為2 個(gè)50 ms)。我們分別進(jìn)行了單點(diǎn)觀測和成圖觀測。

我們?cè)?017年12月選擇了3C286,1354+195,Mrk501,B21438+38B,B21420+32 和0421+143 共6 顆不同流量的射電源進(jìn)行間斷性的單點(diǎn)觀測，所采用的天線掃描速度為20(′′)·s?1，掃描長度為700′′。共計(jì)完成有效掃描210 次。在觀測中系統(tǒng)溫度維持在22 K 左右。移除基線后的觀測結(jié)果如圖5所示，探測天線亮溫度Ta可達(dá)0.06 K。校準(zhǔn)后的流量及誤差結(jié)果如表1所示。

圖5 不同流量的射電源觀測結(jié)果圖

表1 6 顆射電源的校準(zhǔn)結(jié)果 Jy

天馬望遠(yuǎn)鏡在中國的射電望遠(yuǎn)鏡連續(xù)譜觀測中首次采用了指向快速修正方法。在6 顆射電源的觀測中，我們均選擇了觀測目標(biāo)附近的一顆強(qiáng)流量射電源進(jìn)行指向快速修正，修正后的指向誤差分布如圖6所示，指向誤差的平均值為2.2′′，均方根誤差為4.3′′。我們對(duì)射電源3C286 進(jìn)行了對(duì)準(zhǔn)-偏開連續(xù)譜觀測，以檢驗(yàn)單點(diǎn)十字掃描的正確性。對(duì)準(zhǔn)- 偏開觀測得到的流量為6.15 Jy，與十字掃描觀測結(jié)果吻合。

2018年9月10日我們選擇了獵戶星云的核心區(qū)域進(jìn)行成圖觀測。掃描的中心坐標(biāo)為RA 05:32:41,DEC?05:34:53。掃描范圍為40′×40′，天線掃描速度為0.8(′)·s?1，行間隔為1′，一次觀測的總時(shí)間約為45 min，系統(tǒng)溫度約為23 K。觀測結(jié)果如圖7所示。所得到的觀測結(jié)果與GBT 在X 波段的觀測結(jié)果類似[6]。

圖6 指向誤差分布圖

圖7 對(duì)獵戶星云連續(xù)譜成圖觀測結(jié)果

5 總結(jié)與展望

目前，連續(xù)譜觀測系統(tǒng)已用于天馬望遠(yuǎn)鏡的連續(xù)譜觀測，并已經(jīng)取得較好的結(jié)果，驗(yàn)證了連續(xù)譜觀測系統(tǒng)的有效性。今后，我們將對(duì)連續(xù)譜觀測系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，以滿足偏振觀測的要求。

致謝

感謝中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)劉俊對(duì)天馬望遠(yuǎn)鏡連續(xù)譜觀測系統(tǒng)的研發(fā)工作給予的指導(dǎo)和幫助。