基于等光子分布的变封装段脉冲星轮廓恢复方法

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28073

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

基于等光子分布的变封装段脉冲星轮廓恢复方法

李治泽, 郑伟(), 王奕迪

国防科技大学空天科学学院，长沙 410073

收稿日期:2022-09-29 修回日期:2022-12-03 接受日期:2022-12-30 出版日期:2023-01-13 发布日期:2023-01-12
通讯作者: 郑伟 E-mail:zhengwei@nudt.edu.cn

Novel method for pulsar profile recovery with variational bin based on distribution of equal photon

Zhize LI, Wei ZHENG(), Yidi WANG

College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China

Received:2022-09-29 Revised:2022-12-03 Accepted:2022-12-30 Online:2023-01-13 Published:2023-01-12
Contact: Wei ZHENG E-mail:zhengwei@nudt.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

现有脉冲星轮廓恢复方法多基于等封装段（bin）间隔分布策略折合观测轮廓，导致信号处理结果会受到封装段的限制，难以兼顾恢复轮廓的信噪比（SNR）以及脉冲到达时间（TOA）的计算精度。针对这一问题，结合脉冲轮廓波形不同区域对信号处理结果的影响，根据完整观测信息，对基于等光子分布策略、变封装段的轮廓恢复方法进行了研究。同时，为能直接构建最佳的脉冲观测轮廓，同时考虑了变封装段间隔及封装段数的优化策略，利用信息准则对轮廓恢复的最佳折叠bin数进行了分析，摆脱人为经验选取问题。仿真结果表明：与传统方法相比，应用提出的变封装段轮廓恢复方法能准确恢复出与模板轮廓高度相似的脉冲星观测轮廓，在观测数据充足的情况下，信号处理过程相位差计算精度能提高25%以上；观测数据不充足时或对于毫秒脉冲星，方法具有明显优势，恢复轮廓的波形特征更加突出，与模板的相似度指标提升3%~7%左右，相位差计算精度的提升能达到接近50%。因此，研究的基于等光子分布策略的变封装段脉冲星轮廓恢复方法原理及实现简单，适用于实际工程应用，能有效提高脉冲星信号处理精度。

关键词: 历元折合, 轮廓恢复, 等光子分布, 变封装段, 最佳bin数, 信号处理

Abstract:

For most existing methods for pulsar profile recovery， the observation profiles are folded based on the distribution of equal bin interval. With this strategy， the signal processing results will be limited by bin， making it difficult to give consideration to both the Signal-to-Noise Ratio （SNR） of profile and the estimation accuracy of pulse Time of Arrival （TOA）. To solve this problem， considering the influence of different regions of pulse profile on signal processing， a profile recovery method based on distribution strategy of equal photon number is studied， and bin changes according to the complete observation information. In addition， to be able to build the best observation pulse profile directly， optimization of variable （varying？） bin interval and number is considered simultaneously， and the optimal bin number for profile recovery is analyzed using the information criterion. Human experience is thus eliminated in determining the number of bin. Simulation results show that the proposed method can accurately recover the observation profiles similar to the pulsar template. Compared to traditional methods， the proposed method can improve the calculation accuracy of phase difference during signal processing by more than 25% with sufficient observation data. In case of insufficient observation data or for millisecond pulsars， the advantages of the method are more obvious， with more prominent features of recovered profile， 3%-7% increase of the index of similarity with the template， and nearly 50% improvement of the corresponding calculation accuracy of phase difference. With simple principle and implementation， the proposed method can effectively improve the accuracy of pulsar signal processing， and is applicable for engineering applications.

Key words: epoch folding, profile recovery, distribution of equal photon number, variational bin, optimal bin number, signal processing

中图分类号:

V448.2

李治泽, 郑伟, 王奕迪. 基于等光子分布的变封装段脉冲星轮廓恢复方法[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 328073-328073.

Zhize LI, Wei ZHENG, Yidi WANG. Novel method for pulsar profile recovery with variational bin based on distribution of equal photon[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(16): 328073-328073.

图/表 20

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

图 5

图 6

表 2

图 7

图 8

表 3

图 9

图 10

表 4

图 11

图 12

表 5

图 13

图 14

表 6

参考文献 25

1	CHESTER T， BUTMAN S. Navigation using X-ray pulsars： 19810018591 ［R］. Washington， D.C.： NASA， 1981.
2	EMADZADEH A A， SPEYER J L. Navigation in space by X-ray pulsars［M］. New York： Springer New York， 2011.
3	郑伟，王奕迪，汤国建. X射线脉冲星导航理论与应用［M］. 北京：科学出版社， 2015： 8-20.
	ZHENG W， WANG Y D， TANG G J. X-ray pulsar-based navigation： Theory and applications［M］. Beijing： Science Press， 2015： 8-20 （in Chinese）.
4	ZHENG W， WANG Y D. X-ray pulsar-based navigation： Theory and applications. Navigation： Science and technology 5［M］. London： Springer Press， 2020： 11-12.
5	SHUAI P， CHEN S L， Wu Y F andet al. Technology and prospect analysis of X-ray pulsar navigation［J］. Aerospace， 2006（10）： 27-32.
6	SONG F N， ZHANG M J， ZHENG Q Y and et al. X-ray detectors in pulsars-based navigation system［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2009（16）： 682-686.
7	LYNE A， GRAHAM-SMITH F. Pulsar astronomy［M］. Cambridge： Cambridge University Press， 2012： 7-9.
8	赵成仕，高玉平，童明雷. 天然时钟—脉冲星时间尺度［J］. 科学， 2018， 70（5）： 44-47.
	ZHAO C S， GAO Y P， TONG M L. Natural clock—pulsar time scale［J］. Science， 2018， 70（5）： 44-47 （in Chinese）.
9	毛悦. X射线脉冲星导航算法研究［D］. 郑州：解放军信息工程大学， 2009： 1-2.
	MAO Y. Research on X-ray pulsar navigation algorithms［D］. Zhengzhou： PLA Information Engineering University， 2009： 1-2 （in Chinese）.
10	WINTERNITZ L B， HASSOUNEH M A， MITCHELL J W， et al. SEXTANT X-ray pulsar navigation demonstration： Additional on-orbit results： AIAA-2018-2538［R］. Reston： AIAA， 2018.
11	黄良伟，帅平，张新源，等. 脉冲星导航试验卫星时间数据分析与脉冲轮廓恢复［J］. 中国空间科学技术， 2017， 37（3）： 1-10.
	HUANG L W， SHUAI P， ZHANG X Y， et al. XPNAV-1 satellite timing data analysis and pulse profile recovery［J］. Chinese Space Science and Technology， 2017， 37（3）： 1-10 （in Chinese）.
12	LI T P， XIONG S L， ZHANG S N， et al. Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817［DB/OL］. arXiv preprint： 1710.06065， 2017.
13	WANG Y D， ZHANG W. Pulsar phase and Doppler frequency estimation for XNAV using on-orbit epoch folding［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2016， 52（5）： 2210-2219.
14	HUIJSE P， ESTEVEZ P A， PROTOPAPAS P， et al. An information theoretic algorithm for finding periodicities in stellar light curves［J］. IEEE Transactions on Signal Processing， 2012， 60（10）： 5135–5145.
15	周庆勇，姬剑锋，任红飞. 非等间隔计时数据的X射线脉冲星周期快速搜索算法［J］. 物理学报， 2013， 62（1）： 019701.
	ZHOU Q Y， JI J F， REN H F. Quick search algorithm of X-ray pulsar period based on unevenly spaced timing data［J］. Acta Physica Sinica， 2013， 62（1）： 019701 （in Chinese）.
16	ZHANG H， XU L P， SHEN Y H， et al. A new maximum-likelihood phase estimation method for X-ray pulsar signals［J］. Journal of Zhejiang University SCIENCE C， 2014， 15（6）： 458-469.
17	高国荣，刘艳萍，潘琼. 基于小波域可导阈值函数与自适应阈值的脉冲星信号消噪［J］. 物理学报， 2012， 61（13）： 139701.
	GAO G R， LIU Y P， PAN Q. A differentiable thresholding function and an adaptive threshold selection technique for pulsar signal denoising［J］. Acta Physica Sinica， 2012， 61（13）： 139701 （in Chinese）.
18	WINTERNITZ L M B， HASSOUNEH M A， MITCHELL J W， et al. X-ray pulsar navigation algorithms and testbed for SEXTANT［C］∥ 2015 IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE Press， 2015： 1-14.
19	WANG Y D， ZHENG W. Pulse phase estimation of X-ray pulsar with the aid of vehicle orbital dynamics［J］. Journal of Navigation， 2016， 69（2）： 414-432.
20	EMADZADEH A A. Relative navigation between two spacecraft using X-ray pulsars［D］. Los Angeles： University of California， 2009： 32-36.
21	HANSON J E. Principles of X-ray navigation［D］. Stanford： Stanford University， 1996： 25-31.
22	HUANG L W， LIANG B， ZHANG T. Pulse phase and Doppler frequency estimation of X-ray pulsars under conditions of spacecraft and binary motion and its application in navigation［J］. Science China Physics， Mechanics and Astronomy， 2013， 56（4）： 848-858.
23	XUE M F， PENG D L， SUN H F， et al. X-ray pulsar navigation based on two-stage estimation of Doppler frequency and phase delay［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 110： 106470.
24	LORIMOR D and KRAMER M. Handbook of pulsar astronomy［M］. Cambridge： Cambridge Press， 2012： 22-34.
25	SHEIKH S I. The use of variable celestial X-ray sources for spacecraft navigation［D］. Park： University of Maryland， College Park， 2005：87-95.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

仿真参数	Crab数值	B1821-24数值
脉冲流量α/（ph·s^-1）	660	0.093
背景流量β/（ph·s^-1）	13 860.2	0.22
信号周期/ms	33.4	3.05
仿真数据时长/（10³s）	1.8	30

bin数	变bin方法恢复轮廓相似度/%	传统折合方法恢复轮廓相似度/%
252 （最佳）	99.89	99.84
100	99.75	99.71
1 000	99.51	99.46
10 000	93.62	94.34

bin数	变bin方法恢复轮廓相似度/%	传统折合方法恢复轮廓相似度/%
41 （最佳）	91.94	84.33
15	85.67	81.01
100	89.24	86.39
500	78.58	79.45

bin数	变bin方法恢复轮廓相似度 /%	传统折合方法恢复轮廓相似度 /%
327 （最佳）	99.76	99.73
100	99.34	99.15
1 000	97.37	97.86
10 000	92.29	91.78

bin数	变bin方法恢复轮廓相似度/%	传统折合方法恢复轮廓相似度/%
23 （最佳）	84.26	81.33
10	79.52	78.97
100	67.38	65.61
500	32.17	33.65

基于等光子分布的变封装段脉冲星轮廓恢复方法

Novel method for pulsar profile recovery with variational bin based on distribution of equal photon

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 20

参考文献 25

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

脉冲星	观测号	观测时间段（UTC）
B0531+21	Obs_ID： 1013010147	2018⁃12⁃26 02：00-19：40
B1821-24	Obs_ID： 1070010184	2018⁃03⁃30 00：10-22：00
B1937+21	Obs_ID： 1070020399	2018⁃11⁃26 01：30-23：25

[1]	王禹淞, 王奕迪, 郑伟. 太阳信息辅助的脉冲相位估计方法及导航应用[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727651-727651.
[2]	徐国栋, 张丹蕾, 徐振东. 脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526185-526185.
[3]	贾金伟, 刘利民, 韩壮志, 解辉. 基于压缩感知的抗SDIF分选射频隐身信号设计及回波信号处理[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 327934-327934.
[4]	李益文, 邓朝晖, 刘涛, 卓荣锦, 李重阳, 吕黎曙. 切削加工过程中颤振在线监测研究综述[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 27562-027562.
[5]	逯志宇, 王建辉, 巴斌, 王大鸣. 修正容积卡尔曼滤波数据域直接定位算法[J]. 航空学报, 2018, 39(9): 322031-322038.
[6]	张书瑞, 马晓峰, 盛卫星, 韩玉兵. 频率不变宽带波束形成权重系数的稀疏优化[J]. 航空学报, 2017, 38(7): 320794-320794.
[7]	虞翔, 李旦, 张建秋. 鲁棒成形极化敏感阵列波束的方法及极化估计[J]. 航空学报, 2017, 38(6): 320752-320752.
[8]	燕学智, 温艳鑫, 刘国红, 陈建. 基于稀疏表示和近似l₀范数约束的宽带信号DOA估计[J]. 航空学报, 2017, 38(6): 320705-320705.
[9]	曾文浩, 朱晓华, 李洪涛, 马义耕, 陈诚. 一种稀疏阵列下的二维DOA估计方法[J]. 航空学报, 2016, 37(7): 2269-2275.
[10]	曾文浩, 朱晓华, 李洪涛, 陈诚, 马义耕. 基于矩阵填充的二维自适应波束形成算法[J]. 航空学报, 2016, 37(5): 1573-1579.
[11]	沈海鸥, 王布宏. 扩展酉矩阵束算法实现稀疏可重构天线阵的优化设计[J]. 航空学报, 2016, 37(12): 3811-3820.
[12]	虞飞, 陶建武, 钱立林. 基于声波传播时间估计的气流速度测量方法[J]. 航空学报, 2015, 36(4): 1285-1298.
[13]	虞翔, 张建秋. 高斯非平稳机动目标波达角模型及跟踪[J]. 航空学报, 2015, 36(10): 3430-3438.
[14]	沈志博, 赵国庆, 董春曦, 黄龙. 基于压缩感知的频率和DOA联合估计算法[J]. 航空学报, 2014, 35(5): 1357-1364.
[15]	张宇, 闫云聚, 余龙, 王建强. 阵列宽带Lamb波在结构损伤检测中的应用[J]. 航空学报, 2014, 35(3): 780-787.