孫繼先逯登榮楊戟蘇揚(yáng)張少博周鑫林鎮(zhèn)輝

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)南京210034)

(2中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210034)

1 引言

OTF(On-The-Fly)觀測模式是一種應(yīng)用于單天線成圖觀測的技術(shù)[1],觀測時(shí)天線以恒定的速率對指定的區(qū)域進(jìn)行掃描,多個(gè)采樣點(diǎn)(簡稱ON點(diǎn))測量數(shù)據(jù)共用1個(gè)參考點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和黑體測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),后端數(shù)據(jù)被頻繁讀取以避免波束污染.OTF觀測方法廣泛應(yīng)用到射電望遠(yuǎn)鏡觀測當(dāng)中,如NRAO(National Radio Astronomy Observatory,美國國立射電天文臺(tái))12 m望遠(yuǎn)鏡[1]、Nobeyama 45 m和ASTE 10 m望遠(yuǎn)鏡[2].國內(nèi)13.7 m望遠(yuǎn)鏡于2011年首次使用該方法,2015年天馬望遠(yuǎn)鏡運(yùn)用了OTF觀測方法[3].多數(shù)望遠(yuǎn)鏡OTF系統(tǒng)應(yīng)用在單波束接收機(jī),用于多波束接收機(jī)的較少,多波束接收機(jī)下實(shí)現(xiàn)OTF觀測更為復(fù)雜,需要測試多個(gè)波束之間的相對位置以及各個(gè)波束的相對效率.接收機(jī)后端又有連續(xù)譜和譜線觀測模式之分,連續(xù)譜觀測通常只有1個(gè)通道,而譜線觀測要觀測頻譜,有很多通道,如13.7 m望遠(yuǎn)鏡后端頻譜儀有16384個(gè)通道,后端數(shù)據(jù)采集量比連續(xù)譜觀測大16384倍,從而對數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)有更高的要求.

13.7 m望遠(yuǎn)鏡是典型的地平式卡塞格林結(jié)構(gòu)天線,天線伺服系統(tǒng)有獨(dú)立的控制系統(tǒng),接收調(diào)度機(jī)的指令對天線進(jìn)行控制.超導(dǎo)成像頻譜儀[4?5]采用邊帶分離的超導(dǎo)混頻器,有3×3個(gè)波束(beam),有邊帶分離SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)混頻器、數(shù)字偏置源、獨(dú)立中頻、快速傅里葉變換數(shù)字頻譜儀(FFTS)等主要部分,可以同時(shí)接收18路信號(hào).對安裝在地平式望遠(yuǎn)鏡上的多波束接收機(jī)來說,中心波束跟蹤天空的一個(gè)位置,由于像場旋轉(zhuǎn)問題,其他波束對應(yīng)的天空位置會(huì)隨著時(shí)間改變,所以其他波束無法長時(shí)間跟蹤固定位置進(jìn)行積分.為了消除像場旋轉(zhuǎn),必須配備專門的像場消轉(zhuǎn)裝置,由于接收機(jī)比較重,像場消轉(zhuǎn)裝置會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜程度.因?yàn)镺TF觀測頻繁讀取后端數(shù)據(jù)和天線位置,通過后期數(shù)據(jù)處理,可以計(jì)算出各個(gè)波束指向的天空位置,經(jīng)過網(wǎng)格化(Gridding)處理就能得到規(guī)則的成圖數(shù)據(jù),所以不用像場消轉(zhuǎn)裝置就可以實(shí)現(xiàn)多波束的成圖觀測.

本文介紹13.7 m望遠(yuǎn)鏡的OTF觀測系統(tǒng),以及具體觀測過程,包括系統(tǒng)軟硬件組成、觀測過程和參數(shù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)預(yù)處理相關(guān)參數(shù)測試及處理過程等.

2 OTF觀測系統(tǒng)的軟件和硬件

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

13.7 m望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)是分布式的,OTF觀測涉及到很多分系統(tǒng),有調(diào)度計(jì)算機(jī)、天線控制單元(ACU)、副面控制單元(SRCU)、前端控制單元(FECU)、后端控制單元(BECU)、兩臺(tái)數(shù)據(jù)采集單元(FFTS)和數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)(DPS).OTF控制軟件協(xié)調(diào)各個(gè)單元完成觀測過程,各個(gè)單元之間通訊采用網(wǎng)絡(luò)通訊.每個(gè)OTF觀測掃描結(jié)束時(shí)在記錄文件中追加一條記錄,每小時(shí)往DPS上傳1次記錄.DPS上設(shè)置定時(shí)任務(wù)每小時(shí)執(zhí)行1次,根據(jù)記錄對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)處理,并將預(yù)處理后的CLASS格式和FITS格式數(shù)據(jù)上傳到毫米波射電天文數(shù)據(jù)庫,供觀測者下載.

2.2 控制軟件

OTF控制軟件在調(diào)度計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,運(yùn)行環(huán)境采用Linux系統(tǒng),程序用C語言編寫.控制軟件包括監(jiān)控界面程序(Monitor)、天線控制程序和OTF觀測程序3個(gè)進(jìn)程,3個(gè)進(jìn)程分別在3個(gè)終端獨(dú)立運(yùn)行,進(jìn)程之間采用共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)相互通信.Monitor進(jìn)程顯示時(shí)間、天線、接收機(jī)和觀測源等信息.天線控制程序根據(jù)觀測程序指令計(jì)算天線的位置及運(yùn)轉(zhuǎn)速度,并將指令發(fā)送給ACU,每50 ms讀取一次天線位置、狀態(tài)等信息.OTF觀測模式和其他觀測模式(如單點(diǎn)觀測、指向觀測等)共用Monitor和天線控制程序,切換觀測模式只需改變觀測程序即可.OTF觀測程序從星表文件中讀取觀測源的坐標(biāo)和OTF掃描參數(shù),觀測過程中根據(jù)需要給FECU和BECU發(fā)指令控制接收機(jī)狀態(tài).每掃描一行讀取一次接收機(jī)狀態(tài)和天氣信息,如果接收機(jī)不正?；蛴性?該行的數(shù)據(jù)剔除標(biāo)志標(biāo)記為1.觀測黑體時(shí)給SRCU發(fā)指令,讓副面進(jìn)行自適應(yīng)控制[6?8].天線控制程序根據(jù)觀測進(jìn)程給ACU發(fā)指令讓天線跟蹤到需要的位置,當(dāng)天線跟蹤到位后觀測程序給FFTS發(fā)指令開始采集數(shù)據(jù).

2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的寬帶、高分辨FFTS.每臺(tái)頻譜儀安裝有9塊采集板卡,接受9路獨(dú)立的IF(Intermediate Frequency)輸入.每路獨(dú)立進(jìn)行8 bit、2 GHz采樣,瞬時(shí)帶寬為1 GHz.采樣后的數(shù)據(jù)流用FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)快速傅里葉變換(FFT)頻譜運(yùn)算,信號(hào)帶寬為1 GHz,頻點(diǎn)數(shù)為16384,頻率分辨率為61 kHz.

由兩臺(tái)FFTS分別采集上下邊帶的數(shù)據(jù),FFTS操作系統(tǒng)為Linux,程序采用C語言編寫.9個(gè)子線程獨(dú)自從FPGA讀取數(shù)據(jù),主線程協(xié)調(diào)采集,數(shù)據(jù)采集校準(zhǔn)后保存到數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng),每個(gè)波束掃描一遍保存一個(gè)文件.數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)掛載了40 TB的磁盤陣列,通過nfs共享方式將磁盤共享給FFTS.

FFTS采集的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)成溫度后以二進(jìn)制格式保存,每行掃描結(jié)束時(shí)保存一次.每行的數(shù)據(jù)為一塊,前面是觀測源的信息(如坐標(biāo)、譜線名稱、視向速度、觀測頻率)、波束號(hào)、FFTS采樣每個(gè)點(diǎn)時(shí)的計(jì)算機(jī)時(shí)間、中心通道數(shù)、日期、一行采樣點(diǎn)數(shù)、此行數(shù)據(jù)是否刪除標(biāo)志以及每個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)的地方恒星時(shí)(local sidereal time,LST)、儒略日、方位角(AZ)、仰角(EL)等,后面部分是該行所有觀測點(diǎn)的譜線數(shù)據(jù).

3 OTF觀測過程和參數(shù)優(yōu)化

3.1 制作觀測星表

觀測之前先要制作觀測星表,星表中包含源坐標(biāo)和OTF掃描設(shè)置所需的參數(shù).利用“德令哈OTF觀測星表生成器”(DOTG,界面如圖1)制作觀測星表.DOTG用TCL/TK語言編寫,具有友好的界面,在相應(yīng)輸入框中輸入源名、視向速度、源中心點(diǎn)坐標(biāo)、參考位置坐標(biāo).由于9個(gè)波束的波束間隔為3′,加上像場旋轉(zhuǎn),參考位置要求中心點(diǎn)周圍±5′范圍內(nèi)沒有發(fā)射譜線.該軟件具有參考位置查找功能,用哥倫比亞1.2 m望遠(yuǎn)鏡CO(2-1)分子譜線巡天的數(shù)據(jù)[9](數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址https://skyview.gsfc.nasa.gov/current/cgi/moreinfo.pl?survey=CO),將積分強(qiáng)度小于3 K·km·s?1的數(shù)據(jù)作為參考星表,軟件從參考星表查找在離源2°范圍內(nèi)的所有坐標(biāo),如果2°范圍內(nèi)沒有找到,自動(dòng)將查找范圍增加1°再查找,最大范圍為6°.自動(dòng)選擇離觀測中心最近的積分強(qiáng)度小于3 K·km·s?1的位置,查找結(jié)果繪到圖上,觀測者可以在圖上選擇合適的位置作為參考位置,軟件還繪出源和參考位置在方位角和仰角上的差值隨LST變化的圖,方便觀測者選擇仰角上差值小的時(shí)間段進(jìn)行觀測,這樣能保證有比較平坦的基線.

掃描方式有赤道方向、銀道方向和與赤道成某一夾角3種方式可選,其他OTF掃描參數(shù)都從界面輸入.界面上默認(rèn)的參數(shù)為經(jīng)過測試比較理想的參數(shù),觀測者只需要修改掃描范圍即可,軟件會(huì)計(jì)算該參數(shù)下觀測需要的時(shí)間和網(wǎng)格化為30′′間隔后能達(dá)到的噪聲水平.

圖1 德令哈OTF觀測星表生成器軟件界面Fig.1 Software interface of the Delingha OTF observational catalog generator

3.2 觀測流程

觀測過程中相關(guān)計(jì)算公式如下:

式中θRA為起始位置赤經(jīng)(RA)偏移量,θx為掃描區(qū)域?qū)挾?θramp為加速區(qū)域大小,c是一個(gè)函數(shù),如果掃描行數(shù)i是偶數(shù),結(jié)果為?1,i是奇數(shù),則結(jié)果為1.

式中θDEC為起始位置赤緯(DEC)偏移量,θy為掃描區(qū)域高度,θRow為相鄰兩個(gè)掃描行的間隔.

式中p為星位角,?為地理緯度,δ為赤緯,t為LST與RA的差值.

式中θAZ為起始位置換算到AZ上的偏移量,θEL為起始位置換算到EL上的偏移量,ε為掃描該行時(shí)的仰角.RA上掃描速度換算到AZ和EL上公式如下:

式中RRA為星表中設(shè)定的RA上的掃描速度,RAZ為掃描速度換算到AZ上的速度,REL為掃描速度換算到EL上的速度.

OTF觀測程序從觀測星表中讀取參數(shù),從頻率設(shè)置文件中讀取接收機(jī)設(shè)置參數(shù).詳細(xì)觀測流程如下:

(1)給FFTS發(fā)送源的信息,包括坐標(biāo)、源名、視向速度、觀測頻率、參考通道號(hào),FFTS用波束號(hào)、源名、觀測時(shí)間組合作為保存該遍掃描數(shù)據(jù)文件的文件名創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件.

(2)接收機(jī)杜瓦窗口前擋黑體,積分n秒(n從星表中讀取),作為校準(zhǔn)數(shù)據(jù).

(3)打開黑體,天線跟蹤參考位置,積分m秒(m從星表中讀取),作為參考位置數(shù)據(jù).

(4)天線移動(dòng)到掃描行的起始位置,起始位置為該行掃描起始點(diǎn)加上一個(gè)加速區(qū)域,赤經(jīng)(RA)方向掃描為例,起始點(diǎn)計(jì)算公式如(1)–(5)式,加速區(qū)域在星表中設(shè)定,天線跟蹤到起始位置后給ACU發(fā)送掃描速度指令.掃描速度分解到AZ和EL方向的掃描速度加源的運(yùn)行速度,掃描速度的分解公式如(6)–(7)式.當(dāng)天線進(jìn)入掃描范圍,給FFTS發(fā)送開始采集數(shù)據(jù)的指令.指令包含采樣間隔ΔT、采樣點(diǎn)數(shù)、AZ及EL方向掃描速度.FFTS收到指令后給調(diào)度計(jì)算機(jī)返回應(yīng)答信息,主控機(jī)收到應(yīng)答信息后開始采集天線位置和時(shí)間信息,每隔ΔT采集一次,前后兩次的值取平均作為該點(diǎn)的值.

(5)當(dāng)一行掃描結(jié)束后把該行所有點(diǎn)的位置和時(shí)間信息發(fā)送給FFTS,FFTS用(8)式對該行所有ON點(diǎn)測量數(shù)據(jù)、之前觀測的參考點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和黑體測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),然后保存.

(6)天線移動(dòng)到下一掃描行起始位置,進(jìn)行下一行掃描,掃描完設(shè)定的行(星表中設(shè)定的校準(zhǔn)間隔換算得到的行數(shù))后重復(fù)第2–5步.

觀測時(shí)OTF掃描采用了隔行掃描的方法,即隔兩行掃描一次,一遍分3次掃描,第1次掃描1、4、7···行,第2次掃描2、5、8···行,第3次掃描3、6、9···行,如圖2. 這樣做的好處在于:(1)在天線掃描速度、采樣間隔、觀測參考點(diǎn)時(shí)間間隔等參數(shù)相同的情況下,一次掃描能快速覆蓋一個(gè)區(qū)域.網(wǎng)格化處理后一個(gè)位置的譜線是多次結(jié)果平均,每次時(shí)間相隔較長,一個(gè)網(wǎng)格化范圍內(nèi)的點(diǎn)分布在不同時(shí)間段,所以能減小望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)性能和天氣變化等因素對整個(gè)區(qū)域分布的影響;(2)隔行掃描的結(jié)果在做網(wǎng)格化處理時(shí),一個(gè)網(wǎng)格化區(qū)域內(nèi)相鄰幾行的數(shù)據(jù)使用的參考點(diǎn)是不同時(shí)間觀測的,相鄰幾行的參考點(diǎn)是獨(dú)立的,對參考點(diǎn)的積分時(shí)間可以減少一些.

圖2 隔行掃描示意圖(左)和觀測過程中掃描軌跡圖(右)Fig.2 Left:diagram of interlaced scanning,right:scanning track in an observation

3.3 參數(shù)優(yōu)化

OTF觀測需要設(shè)置很多參數(shù),如掃描區(qū)域和加速區(qū)域大小、掃描速度、采樣率、參考位置的觀測間隔、參考位置的積分時(shí)間、黑體的觀測間隔等.這些參數(shù)有一些理論上的范圍,但在范圍內(nèi)每個(gè)望遠(yuǎn)鏡根據(jù)自身特點(diǎn)需要優(yōu)化,參數(shù)優(yōu)化可以提高觀測效率.由于超導(dǎo)成像頻譜儀波束間隔為3′左右,如果掃描區(qū)域小于6′,9個(gè)波束各自的掃描區(qū)域沒有重疊的部分,所以掃描區(qū)域大于6′時(shí)9個(gè)波束才會(huì)有重疊的區(qū)域.掃描區(qū)域太大時(shí),掃描一遍要很長時(shí)間,這不利于望遠(yuǎn)鏡的控制和數(shù)據(jù)處理,所以掃描一個(gè)大區(qū)域時(shí)需要分為幾個(gè)小區(qū)域,觀測后再拼接,掃描區(qū)域選10′–30′為宜.為了避免由于采樣不夠而導(dǎo)致信息的丟失,由Nyquist采樣定理可知,掃描行間隔(θRow)不能大于天線的理論半功率波束寬度(HPBW)的一半,13.7 m望遠(yuǎn)鏡在115 GHz的HPBW為50′′,所以θRow要小于25′′,θRow太小則會(huì)不利于與掃描方向采樣間隔的匹配,并且使得掃描一遍所用的時(shí)間太長,通常設(shè)為15′′.數(shù)據(jù)采樣率,即單次積分時(shí)間(TDUMP)應(yīng)該大于接收機(jī)后端獲取一組有效數(shù)據(jù)所需要的最短時(shí)間.需要綜合考慮觀測時(shí)間的長度、信噪比以及掃描區(qū)域的大小等因素.為了使掃描方向的采樣間隔和θRow一致,掃描速度R用(9)式計(jì)算:

TDUMP分別設(shè)為0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.5 s,選取點(diǎn)源IRC+10216做測試,網(wǎng)格化間隔設(shè)為30′′,得到的中心點(diǎn)積分強(qiáng)度和觀測時(shí)間歸一化后噪聲如圖3,可以看出,采樣間隔取0.1 s時(shí)強(qiáng)度明顯降低,一個(gè)原因是采樣率為0.1 s時(shí),天線掃描速度為150 arcsec/s,目前位置讀取周期是0.05 s,得到的位置誤差會(huì)較大,導(dǎo)致波束污染.所以不建議使用0.1 s.采樣間隔從0.2 s到0.5 s時(shí),強(qiáng)度仍逐漸增大.0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.5 s的歸一化噪聲接近,可以根據(jù)掃描區(qū)域大小選擇合適的采樣間隔,使得掃描1遍的時(shí)間不要大于2 h.

由于13.7 m望遠(yuǎn)鏡副面采用主動(dòng)控制[6?7](補(bǔ)償重力變形)和自適應(yīng)調(diào)焦[8](補(bǔ)償溫度變形),根據(jù)仰角和溫差進(jìn)行副面自動(dòng)調(diào)節(jié),如果觀測參考位置和觀測源時(shí)的副面位置不同,會(huì)導(dǎo)致譜線基線不平,所以每次在觀測黑體時(shí)發(fā)送命令給副面控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié),之后觀測參考位置和對源掃描時(shí)副面不動(dòng).如果長時(shí)間不動(dòng)副面會(huì)影響指向,所以校準(zhǔn)間隔受副面控制限制.根據(jù)補(bǔ)償公式計(jì)算,在特殊位置(如觀測DEC接近37°的源仰角大于80°時(shí)),要把指向誤差控制在5′′內(nèi),兩次OFF間隔最大3.5 min,其他情況下允許的時(shí)間間隔會(huì)比3.5 min長,但是校準(zhǔn)時(shí)間間隔過長,接收機(jī)增益漂移等會(huì)影響譜線質(zhì)量,因此校準(zhǔn)時(shí)間間隔不宜過長,通常采用4 min.

4 數(shù)據(jù)預(yù)處理相關(guān)參數(shù)測試及處理過程

數(shù)據(jù)預(yù)處理是在Linux系統(tǒng)的服務(wù)器上,用C++語言編寫數(shù)據(jù)修正軟件,對每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行位置、頻率和效率修正,然后將9個(gè)波束的數(shù)據(jù)合并到一起,生成一個(gè)CLASS格式文件,CLASS是GILDAS(http://www.iram.fr/IRAMFR/GILDAS)軟件的一部分.然后用CLASS腳本做壞譜線剔除和Gridding處理.在多波束OTF觀測中,需要得到每個(gè)波束指向天空的位置相對于中心波束在AZ和EL方向的間隔(稱作波束間隔).各個(gè)波束的效率會(huì)不相同,還需要測試各個(gè)波束相對于中心波束的效率(稱作相對效率),波束間隔和相對效率通常在每年夏季對接收機(jī)維護(hù)后測試1次.下面介紹測試方法和數(shù)據(jù)預(yù)處理具體過程.

4.1 波束間隔測試

理論設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)波束與中心波束的間隔是相等的,由于饋源喇叭是獨(dú)立安裝的,每次安裝的實(shí)際值跟理論值是不一樣的,需要通過測試得到實(shí)際的間隔.測試時(shí)先要用中心波束做指向校準(zhǔn),然后用木星等信號(hào)強(qiáng)的連續(xù)譜點(diǎn)源做AZ-EL方向的OTF掃描觀測,即測試每個(gè)波束的方向圖.方向圖掃描范圍要覆蓋所有波束,如超導(dǎo)成像頻譜儀的理論間隔是3′,掃描范圍設(shè)為12′.對每個(gè)波束的數(shù)據(jù)做二維高斯擬合,得到每個(gè)波束的中心位置(ΔAZ,ΔEL),計(jì)算出各個(gè)波束相對于中心波束的間隔(DAZ,DEL).測得的望遠(yuǎn)鏡的方向圖如圖4,波束間隔如表1.

圖3 設(shè)置不同TDUMP觀測點(diǎn)源IRC+10216得到的中心點(diǎn)積分強(qiáng)度I和觀測時(shí)間歸一化后的噪聲r(shí)ms(root mean square)Fig.3 Integrated intensity I of the central point toward the point source IRC+10216 and the rms(root mean square)of noise normalized by the observation time at different TDUMP

圖4 用OTF模式對木星掃描測得的望遠(yuǎn)鏡方向圖,顏色棒為Fig.4Continuum beam pattern of telescope measured by means of scanning Jupiter in the OTF mode,the color bar is

表1 測得的超導(dǎo)成像頻譜儀波束間隔Table 1 Beam interval of the superconducting imaging spectrometer

4.2 相對效率測試

效率測試只用中心波束做了測試,由于每個(gè)波束的效率不一樣,需要測試其他波束強(qiáng)度與中心波束強(qiáng)度的比值,在對數(shù)據(jù)做效率修正時(shí)其他波束的效率為中心波束的效率乘以對應(yīng)的相對效率.測試方法:在得到波束間隔后,用9個(gè)波束輪流對標(biāo)準(zhǔn)源(如NGC 2264、S140)做譜線單點(diǎn)位置調(diào)制觀測,用某個(gè)波束觀測時(shí)在中心波束觀測的天線位置AZ和EL上分別加上前面測得的對應(yīng)波束間隔(DAZ,DEL).用同一輪觀測中其他波束觀測的強(qiáng)度得到一組相對效率,為了減小誤差,需要多個(gè)源的多組效率平均,測得的各個(gè)波束的效率如表2.

表2 測得的超導(dǎo)成像頻譜儀相對效率Table 2 Relative efficiency of the superconducting imaging spectrometer

4.3 數(shù)據(jù)修正

4.3.1 天線位置修正

由于掃描時(shí)天線位置在調(diào)度機(jī)采集,譜線數(shù)據(jù)在FFTS頻譜儀采集,有時(shí)由于兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通訊不暢造成采樣不同步,為了解決此問題,每個(gè)采樣點(diǎn)都標(biāo)記時(shí)間戳.FFTS計(jì)算機(jī)和調(diào)度機(jī)每半小時(shí)通過Linux命令ntpdate校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)時(shí)間,保證計(jì)算機(jī)時(shí)間準(zhǔn)確.每個(gè)采樣點(diǎn)記錄計(jì)算機(jī)時(shí)間,與調(diào)度機(jī)記錄的時(shí)間進(jìn)行比較,計(jì)算兩臺(tái)計(jì)算機(jī)采樣不同步的時(shí)間差,如果時(shí)間差小于3 s,通過掃描速度修正AZ、EL,如果時(shí)間差大于3 s時(shí),該數(shù)據(jù)要剔除.用波束間隔和每個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)的LST、儒略日、AZ、EL可以計(jì)算各個(gè)波束每個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)際坐標(biāo),用實(shí)際坐標(biāo)和中心坐標(biāo)計(jì)算θRA和θDEC,后面在文件中記錄中心坐標(biāo)、θRA和θDEC.

4.3.2 頻率修正

在計(jì)算本振頻率時(shí),第2級(jí)變頻晶振頻率按理論值計(jì)算,實(shí)際上每個(gè)波束的第2級(jí)變頻晶振存在偏差,通過頻率定標(biāo)的方法確定出每個(gè)波束晶振的實(shí)際值,計(jì)算出晶振頻率偏差導(dǎo)致的速度偏差.另外由于OTF觀測掃描一個(gè)較大的區(qū)域,每個(gè)位置的頻率多普勒修正項(xiàng)中的本地靜止參考系速度VLSR會(huì)有差別,控制軟件難以實(shí)時(shí)逐點(diǎn)改變本振頻率來修正.OTF觀測時(shí)只能每行設(shè)置一次本振頻率,計(jì)算本振頻率用中心點(diǎn)的VLSR0.對各掃描點(diǎn)n根據(jù)其LST、RA、DEC計(jì)算出對應(yīng)的VLSRn,然后用VLSRn減VLSR0計(jì)算該點(diǎn)的速度修正值.上述兩方面的修正可以通過修改CLASS文件頭信息中的Velocity值來實(shí)現(xiàn).

4.3.3 效率修正

用相對效率和主波束效率對每個(gè)波束的數(shù)據(jù)進(jìn)行效率修正,得到與同類望遠(yuǎn)鏡可比的“觀測輻射溫度”,即.

4.4 單個(gè)壞譜線剔除

4.4.1 剔除壞通道

FFTS有16 k個(gè)通道,有的通道會(huì)有壞數(shù)據(jù),如圖5.通過對數(shù)據(jù)的分析,根據(jù)13.7 m望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)的特征,采用一些判據(jù),把壞通道的數(shù)據(jù)用相鄰的通道數(shù)據(jù)替換.如某個(gè)通道的值大于300 K或小于?300 K,或某個(gè)通道比前后的通道都大50 K或都小50 K,認(rèn)為這個(gè)通道是壞通道,用旁邊通道的值替換該通道的值.如果一條譜線上壞通道大于10個(gè),該條譜線質(zhì)量標(biāo)記為差,CLASS中有數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)志,處理時(shí)可以設(shè)定數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)把質(zhì)量差的數(shù)據(jù)剔除.

4.4.2 剔除基線差的譜線

有時(shí)由于接收機(jī)增益不穩(wěn)等原因?qū)е伦V線基線不平整,如圖6,這些譜線需要剔除.由于每條譜線積分時(shí)間很短,噪聲很大,不好判斷基線是否平整,把譜線做32個(gè)通道平滑處理(第1?32個(gè)通道平均,第2?33個(gè)通道平均,依次類推),然后取速度為?500 km·s?1至?200 km·s?1和200 km·s?1至500 km·s?1兩段數(shù)據(jù)做線性擬合,計(jì)算rms,當(dāng)rms大于限定值時(shí)標(biāo)記該點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量為差,限定值根據(jù)當(dāng)時(shí)系統(tǒng)溫度用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算.

圖5 譜線上的壞通道Fig.5 A bad channel in a spectrum

圖6 基線差的譜線Fig.6 A spectrum with a bad baseline

4.5 Gridding處理

OTF觀測的過程中進(jìn)行了很密集的空間采樣,這些采樣點(diǎn)不一定是等間隔分布,需要進(jìn)一步的處理,即Gridding,其過程是用卷積函數(shù)作加權(quán)平均,以獲取通常形式的格點(diǎn)數(shù)據(jù).CLASS軟件具有Gridding功能,用CLASS軟件實(shí)現(xiàn)Gridding過程.首先根據(jù)不同頻率的實(shí)測值設(shè)置望遠(yuǎn)鏡波束大小,重采樣間隔設(shè)為30′′,然后執(zhí)行table命令,該命令將當(dāng)前索引中的所有譜線構(gòu)建成GILDAS表,再用xy map命令對表中數(shù)據(jù)采用高斯函數(shù)做卷積計(jì)算,生成光譜Cube數(shù)據(jù)及相關(guān)的權(quán)重圖像,然后用vector fits命令生成國際通用的FITS Cube文件,各命令用法詳見GILDAS網(wǎng)站介紹.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證觀測過程和數(shù)據(jù)處理過程的正確性,選取結(jié)構(gòu)比較特殊的源S140進(jìn)行多遍OTF觀測.用4遍觀測的9個(gè)波束的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行成圖,比較9個(gè)波束的分子云分布圖,如圖7,采樣間隔為0.3 s,速度積分范圍為?13 km·s?1至?2 km·s?1,比較可以看出:各個(gè)波束的分子云分布圖形狀一致,中心點(diǎn)位置正確,中心點(diǎn)譜線強(qiáng)度一致.每個(gè)波束的分布圖與9個(gè)波束合并后的分布圖(如圖8)一致,最大值出現(xiàn)的位置一致,相同位置的譜線輪廓和強(qiáng)度一致.經(jīng)過測試,在不同方位多遍OTF觀測得到分子云的分布同樣具有一致性,且與FCRAO觀測結(jié)果(如圖9)十分吻合[10].用OTF觀測Gridding后中心點(diǎn)的譜線與該位置用位置調(diào)制方法做單點(diǎn)觀測得到的譜線進(jìn)行比較,二者強(qiáng)度和輪廓一致,峰值強(qiáng)度差值在rms范圍內(nèi),如圖10,表明我們的觀測模式和數(shù)據(jù)處理方法是可靠的.

圖7 9個(gè)波束獲得的S14013CO的分子云分布圖Fig.7 13CO integrated intensity maps of S140 by 9 beams

圖8 S14013CO積分強(qiáng)度圖Fig.8 13CO integrated intensity map of S140

圖9 FCRAO S14013CO積分強(qiáng)度圖[10]Fig.9FCRAO13CO integrated intensity map of S140[10]

圖10 OTF觀測中心點(diǎn)譜線與單點(diǎn)觀測譜線比較Fig.10 Spectra from the central point in an OTF observation and a single point observation

6 結(jié)論和展望

超導(dǎo)成像頻譜儀和OTF觀測方法的應(yīng)用,使得13.7 m望遠(yuǎn)鏡觀測效率得到很大提升,10′×10′的區(qū)域成圖用時(shí)40 min得到的圖像,如果采用原有的單像元系統(tǒng),覆蓋同樣的區(qū)域,采用逐點(diǎn)掃描方式得到質(zhì)量接近的結(jié)果則需要700 min[4].OTF觀測方法從2011年5月用于13.7 m望遠(yuǎn)鏡譜線成圖觀測,目前主要用于對北天銀河系平面±5°范圍內(nèi)的CO同位素3條分子譜線進(jìn)行大尺度巡天,其他課題成圖觀測中也得到廣泛的應(yīng)用.目前的數(shù)據(jù)預(yù)處理過程部分采用CLASS軟件,先把數(shù)據(jù)寫成CLASS格式,再用CLASS軟件讀取,多次讀寫文件,數(shù)據(jù)預(yù)處理花費(fèi)時(shí)間較長,預(yù)處理方法需要進(jìn)一步優(yōu)化.

致謝OTF觀測前期杜福君做了調(diào)研工作,系統(tǒng)開發(fā)中銀河畫卷項(xiàng)目組成員給予很多幫助和對觀測結(jié)果進(jìn)行測試驗(yàn)證,青海觀測站的同事給予大力支持,在此表示真摯的感謝.

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