快速射电暴搜寻方法研究

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射电瞬变源是天文领域重要的研究方向。以脉冲星为例,自上世纪60年代第一颗脉冲星发现为止,人类已经探测到了近三千余颗脉冲星。由于脉冲星和双星系统对天文学的重要贡献,分别获得1974,1993年的诺贝尔奖。快速射电暴(Fast Radio Burst,FRB)是一种重要的射电瞬变源,Lorimer等人利用澳大利亚64米帕克斯射电望远镜,首次在2001年的脉冲星存档数据中发现了快速射电暴现象,并于2007年发表。相比脉冲星辐射出的脉冲,快速射电暴并没有周期性的脉冲辐射,但每次爆发的能量却远高于脉冲星。目前已经发现近百例快速射电暴,大部分快速射电暴只爆发一次,但有两例射电暴被重复探测到在天文界引起了很大的轰动。FRB121102是第一例重复暴,最开始由美国的阿雷西博(Arecibo)望远镜首次发现,超大阵列望远镜(Very Large Array,VLA)在2018年对其展开了后续观测,由于长基线带来的高角分辨率,将位置精确到了 1.7毫角秒(mili-arcsecond)。在2019年初,位于加拿大的CHIME干涉阵列公布了其发现的13例快速射电暴,并公布了第二例重复暴引起了大家的广泛关注。本文研究了快速射电暴的搜寻方法,从消色散算法到射电望远镜搜寻原理,从硬件终端到软件数据处理都做了详细的研究。在本文中,我们介绍了CASPER(Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronics Research)射电天文终端设计平台,利用该平台可以大大节省搜寻终端设计时间。结合本人博士期间研究课题,列出了一些快速射电暴搜寻终端设计实例,总结了设计方法和技巧。可针对干涉阵列和单天线不同的射电望远镜需求提供数字终端设计解决方案。本文通过射电信号在星际介质中的传播特性,研究了搜寻快速射电暴的几种消色散算法。并提出了一种在二维傅立叶空间下搜寻快速射电暴的新方法,该方法可以有效的减少搜索时间提高搜索效率和灵敏度。本文还基于该搜索算法搭建了一套开源的搜索程序,我们称之为2DFFT。该套搜寻程序基于Python编写,可进行并行化处理。由于良好的并行性能,该算法在接下来的工作中可以被移植到GPU中,届时其性能可以获得可观的提升。
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