基于脉冲星搜寻技术测量原子钟频率漂移的方法与流程

1.本发明属于时频技术应用领域，涉及一种原子钟频率漂移的测量方法。


背景技术：

2.脉冲星是致密天体，具有强磁场、强电场特性，辐射稳定的周期性脉冲信号，尤其是毫秒脉冲星其自转非常稳定，部分毫秒脉冲星自转周期导数为～10-22
。1991年taylor提出毫秒脉冲星是自然界最稳定的钟，研究表明毫秒脉冲星的长期稳定性可以与原子钟相媲美，可应用于时频领域。脉冲星自转频率可通过天文观测技术测量的非常精确，如j0437-4715利用计时观测技术，测量获得的自转频率值为：173.68794581218460089hz，误差为8.0e-14hz，自转频率不确定度为4.6e-16，目前已达到基准钟-铯喷泉钟的频率准确度。脉冲星稳定、准确的自转频率信号可作为天然基准频率源来校准原子钟。随着观测技术进步以及大型观测装置的建成，如fast射电望远镜的常规化运行，以及未来平方公里射电阵(square kilometre array，ska)建成，将使脉冲星本征自转频率测量精度进一步提升，加速了脉冲星时在时频领域的应用。
3.脉冲星钟具有寿命长、可靠性高、不易受攻击等优点。脉冲星时应用不受地域限制，从地面、近地到深空范围，只要有脉冲星观测装置接收脉冲信号，都可作为时间基准来应用。传统脉冲星时建立及应用是基于脉冲星计时观测数据开展相关研究的，并实现脉冲星自转频率的精确测定。脉冲星计时数据处理技术是通过分析观测获得的脉冲到达时间(time of arrive，toa)与脉冲星自转模型预报的脉冲到达时间开展相关研究。通过对多次观测数据进行计时分析，可获得脉冲星时(pulsar time，pt)与观测参考原子时(atomic time，at)的钟差序列，即pt-at。脉冲星时特点是长期稳定度高，可把pt作为基准频率信号，利用观测获得的pt-at钟差时间序列，通过拟合获得原子钟频率偏差量。目前脉冲星时pt的精度百纳秒量级，利用脉冲星时与原子钟钟差时间比对数据精确计算原子钟频率漂移，至少需要3月以上时间跨度观测数据，因此该方案测定原子钟的频率偏差，需要积累一段时间的观测数据序列，无法通过实时脉冲星观测测定原子钟频率偏差。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于脉冲星搜寻技术测量原子钟频率漂移的方法，能够利用单次脉冲星观测数据测量原子钟频率偏差，实现原子钟频率偏差校准。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
6.(1)以原子钟提供的时频信号为参考对脉冲星进行搜寻观测；
7.(2)对观测数据进行数据处理，包括消干扰和消色散；
8.(3)利用频域傅里叶变换或时域周期折叠技术搜寻最优脉冲星自转频率值，获得观测时刻自转频率值ν
测量
，并计算观测数据中间时刻在tcb时间尺度下的对应值t
tcb
；
9.(4)利用脉冲星星历表提供的脉冲星自转参数，根据自转频率预报公式
计算t
tcb
时刻对应的自转频率预报值ν
本征
，其中，ν(t)为t时刻预报的脉冲星自转频率，ν0是参考历元t0时刻的自转频率，是参考历元t0时刻测量的脉冲星自转频率一阶导数、自转频率二阶导数，公式中相关参数均为tcb时间尺度下的测量值；
10.(5)计算获得原子钟的频率相对偏差量其中，δ
at
为原子钟的相对频率偏差，δf
at
为原子钟在tai尺度下的频率绝对偏差量；
11.(6)根据原子钟频率相对偏差量δ
at
，利用时频伺服系统对原子钟控制实现频率校准。
12.所述的步骤(1)观测波段为l波段，带宽为800mhz，采样时间为10微秒，观测时长为1小时。
13.所述的频域傅里叶变换技术对消色散后的数据做傅立叶变换，在频域做进一步处理寻找自转频率。
14.所述的频域傅里叶变换技术在傅立叶变换后频域中的数据流出现以1/p为基频和2/p,3/p,4/p,
…
的结构，p表示周期，利用谐波叠加技术提升自转频率测量精度。
15.所述的时域周期折叠技术以本征自转频率值为中心，选择一定范围及步长值，给出一系列自转频率候选值；然后对消色散后的数据流按自转频率候选值分别进行周期折叠，获得积分脉冲轮廓来探测信号。
16.所述的时域周期折叠技术搜寻脉冲信号时，以脉冲信号的信噪比为依据判断最优自转频率，信噪比最高的积分脉冲轮廓对应的候选自转频率为最优自转频率值。
17.本发明的有益效果是：用脉冲星信号搜寻技术测量原子钟频率偏差，实现基于单次脉冲星观测测定原子钟频率偏差，为实现原子钟的频率溯源提供支撑。
18.脉冲星特点是自转稳定，且自转频率可被精确测定。基于脉冲星辐射的稳定脉冲信号可测量原子钟的频率漂移量，申请人已经利用脉冲星时测定原子钟频率偏差技术申请专利，专利基本思路是基于脉冲星计时观测数据计算原子钟频率漂移量，该方法类似于两台原子钟利用计数器获得钟差比对数据，计算频率漂移。本发明提出另一种基于脉冲星观测数据计算原子钟频率偏差方法，以原子钟为参考进行脉冲星搜寻模式观测，利用搜寻技术搜索给出观测时刻最优自转频率值，然后与本征频率参数预报的观测时刻脉冲星自转频率比较，获得原子钟频率漂移。该方法类似于两台原子钟直接进行频率比对，获得频率偏差。
附图说明
19.图1是自转频率测量基本流程图；
20.图2是基于脉冲星自转频率测量驾驭原子钟流程图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施
例。
22.本发明通过接收脉冲星辐射的稳定脉冲信号，基于脉冲星搜寻技术测量脉冲星自转频率，与本征的脉冲星自转频率比较，确定观测参考原子钟频率漂移，最终实现原子钟频率偏差校准。
23.利用地面射电望远镜长期计时观测技术，可以精确测定tcb时间尺度下的脉冲星自转参数。由于脉冲星自转长期稳定度高，因此自转参数一旦精确测定可长期使用。基于测定的高精度自转参数值，可精确预报tcb时间尺度下任意时刻的脉冲星自转频率值，自转频率预报公式如下：
[0024][0025]
其中，ν(t)为t时刻预报的脉冲星自转频率，ν0是参考历元t0时刻的自转频率，时刻的自转频率，是参考历元t0时刻测量的脉冲星自转频率一阶导数、自转频率二阶导数，公式中相关参数均为tcb时间尺度下的测量值。
[0026]
在脉冲星搜寻观测中，原子钟为脉冲星观测数据采集提供基准参考频率，因此利用搜寻技术测定的脉冲星自转频率值能反映原子钟频率特性。目前地球上使用时间尺度是基于原子钟产生的tai或tt时间尺度(tai和tt秒长一致)，若要利用脉冲星观测计算观测参考原子钟相对tt的频率偏差，则脉冲星的频率测量值和预报值都要归算到tt时间尺度下。目前脉冲星的本征频率值是在tcb时间尺度下测量的，国际天文学会iau给出了不同时间尺度tcb与tt的关系：
[0027][0028]
其中，lb＝1.55051976772
×
10-8
，xe、ve为地球在质心坐标bcrs中的位置和速度矢量，x为观测者在质心坐标中的位置矢量，p为含有引力势函数展开式中的各种周期变化部分，其主项是地球椭圆运动造成地心处太阳引力势的变化产生的周年项。上式右端第二项是地球自转运动引起的太阳日周期项，振幅约2.1μs。
[0029]
对上式(2)进行求微分得到，tcb与tt时间尺度下的平均速率关系如下：
[0030]
《d(tcb)/d(tt)》＝1 lbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0031]
上式表示，tcb时间尺度下的平均秒长为tt时间尺度的的1 lb倍，也就是说tcb时间尺度下测定的脉冲星自转频率为tt时间尺度下测量的自转频率的倍。
[0032]
由于在不同时间尺度tcb和tt下测量的频率值为固定比例关系，则tcb和tt时间尺度下测量的相对频率偏移量相同，也就是说脉冲星的自转频率在tcb和tt时间尺度下存在如下关系：
[0033][0034]
也就是说同一台原子钟，在tt和tcb时间尺度下测量的相对频率漂移量相同。
[0035]
一般原子钟提供的标准频率信号为10mhz，若该原子钟实际输出的频率相对于标准值偏差值为δf
at
，则该原子钟的相对频率偏差值为：
[0036][0037]
其中，δ
at
为原子钟的相对频率偏差，δf
at
为原子钟在tai尺度下的频率绝对偏差量，ν
测量
为在tcb时间尺度下利用原子钟测量的t时刻脉冲星自转频率值，ν
本征
为tcb时间尺度下t时刻脉冲星自转本征频率，可根据公式(1)计算获得t时刻自转本征频率值。基于该方法测量原子钟频率偏差的关键是精确测量给出自转频率测量值ν
测量
，本发明提出利用脉冲星搜寻技术给出自转频率测量值ν
测量
。
[0038]
脉冲星搜寻理论上就是从有噪声的观测数据中发现周期性脉冲信号。传统脉冲信号搜寻是在不知道自转频率和色散量(dm)的情况下寻找周期性脉冲信号，搜寻数据处理量大。在具体数据处理时：首先在一定的色散量范围内(如；dm～0—2000)以一定的步长对数据进行消色散，产生对应不同dm的一系列数据流，然后对每个dm对应的数据流做周期折叠或傅立叶变化来搜寻自转频率。
[0039]
脉冲星时的应用是利用已知的脉冲星，即对已知脉冲星进行信号搜寻，其本征自转频率和色散量是已知的。但由于观测参考原子钟的频率误差，使得实际测量的自转频率值与本征频率值存在一定偏差，但可将前期测量获得的本征自转频率作为初始值，利用脉冲星搜寻技术在本征自转频率附近的小范围内搜寻获得最佳自转频率，降低搜寻数据处理量，提高搜寻效率。脉冲星自转频率测量基本流程图如上图所示，具体搜寻步骤如下：
[0040]
(1)无线电干扰消除：脉冲星辐射信号弱，容易受地面无线电干扰污染，影响脉冲星信号搜寻质量。需要首先对观测数据进行消干扰处理，消除干扰对脉冲信号的影响。主要的消干扰技术有时域和频率内干扰消除技术。
[0041]
(2)消除色散影响：脉冲星观测为宽频带观测，由于受星际介质影响，不同频率的脉冲信号到达天线的时间不同，直接将所有频带通道信号叠加会使得脉冲轮廓展宽，降低信号信噪比甚至探测不到信号，影响脉冲星自转频率的测量。需要根据脉冲星的色散量，消除色散影响，并将不同频率信号叠加，获得一维时间序列数据。本发明是对已知脉冲星观测，因此色散量是已知的，即利用已知dm值进行消色散，然后将频率通道数据叠加，产生一维时间序列数据流。
[0042]
(3)脉冲星信号搜索：利用脉冲星搜寻技术探测周期性脉冲信号，脉冲星信号搜寻方法主要有两种；1)时域搜索技术，以本征自转频率值为中心，选择一定范围及步长值，给出一系列自转频率候选值。然后对步骤(2)消色散后的数据流，按自转频率候选值分别进行周期折叠，获得积分脉冲轮廓来探测信号。2)频域搜寻技术，对步骤(2)消色散后的数据做傅立叶变换，在频域做进一步处理寻找自转频率。
[0043]
(4)自转频率确定：周期折叠技术搜寻脉冲信号时，以脉冲信号的信噪比为依据判断最优自转频率，信噪比最高的积分脉冲轮廓对应的候选自转频率为最优自转频率值；频域搜寻技术，利用傅里叶变换技术搜寻周期信号的频率，由于脉冲星辐射信号为脉冲式信号，傅里叶变换后频域中的数据流会出现以1/p(周期)为基频和2/p,3/p,4/p,
…
的结构，高频次谐波的多少取决于脉冲半宽与周期的比值(p/w)，即脉冲轮廓越窄，比值将越大，谐波越多。利用谐波叠加技术提升自转频率测量精度，详细谐波叠加技术可参考脉冲星搜寻相关文献。
[0044]
脉冲星搜寻技术已经很成熟，基于该技术已发现3000多颗脉冲星。目前国际上已有公开的多款主流通用的脉冲星专业搜寻软件，例如presto软件。利用presto软件对观测数据处理可直接给出tcb时间尺度和tai时间尺度下的自转频率测量值ν
测量
，最后结合本征频率预报值ν
本征
，可计算出观测参考原子钟的频率偏差。
[0045]
利用地面射电望远镜脉冲星观测系统，以原子钟为参考对已知脉冲星j0437-4715开展搜寻模式观测，利用搜寻模式数据进行自转频率高精度测量，基于测量的自转频率和预报的本征自转频率值计算原子钟频率偏差，最终实现对原子钟频率校准。方案实施流程图见图2，具体实施方案如下：
[0046]
a)根据观测脉冲星特征及望远镜灵敏度制定观测方案，如观测频段、观测时长、采样时间等。其中，采样时间应小于脉冲星周期百分之一，观测时长根据脉冲星辐射流量强度确定，通常设置观测时长为1小时；
[0047]
b)利用射电望远镜以原子钟提供的时频信号为参考对j0437-4715进行搜寻观测，其中观测波段为l波段，带宽为800mhz，采样时间为10微秒，观测时长为1小时；
[0048]
c)对观测数据按搜寻模式进行数据处理，具体数据处理流程包括：1)消干扰，消除无线电干扰影响，以提升信号信噪比；2)消色散，消除星际介质对脉冲信号影响，对已知脉冲星观测其色散量为已知值，如j0437-4715，色散量为2.64，根据色散量计算色散延迟，并消除色散的影响；3)利用频域傅里叶变换或时域周期折叠技术搜寻最优脉冲星自转频率值；
[0049]
d)利用专业脉冲星搜寻软件presto按步骤(3)搜寻数据处理流程，搜寻获得对应时刻自转频率值ν
测量
，并计算观测数据中间时刻在tcb时间尺度下的对应值t
tcb
；
[0050]
e)利用脉冲星星历表提供的脉冲星自转参数，根据公式(1)计算获得观测时刻t
tcb
，对应的自转频率预报值ν
本征
；
[0051]
f)利用搜寻数据测量的ν
测量
和预报值ν
本征
，根据公式(5)计算获得原子钟的频率相对偏差量δ
at
；
[0052]
g)将原子钟频率相对偏差量δ
at
，利用时频伺服系统对原子钟控制实现频率校准。