一种基于短时傅立叶变换的脉冲星消色散算法（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）CN53-1189/PISSN1672-7673一种基于短时傅立叶变换的脉冲星消色散算法X高健健,金乘进,高龙(中国科学院国家天文台FAST实验室,北京100012摘要:叙述了一种基于短时傅立叶变换的脉冲星消色散算法。首先介绍了脉冲星的色散形成原因以及几种当今流行的消色散算法。接着介绍了短时傅立叶变换,并在此基础上提出了一种基于短时傅立叶变换的消色散算法。然后详细讲述了这种消色散算法的具体实现步骤,并且比较了在选取不同长度的时间窗函数的情况下,消色散的处理过程和残余色散量。最后,通过将这种算法的计算量以及结果和其他几种算法做横向比较,得出了结论:这种消色散算法的计算量小,实现简单,可以有效的进行消色散处理。关键词:脉冲星;色散;消色散;短时傅立叶变换中图分类号:P145.6;O174.22文献标识码:A文章编号:1672-7673(200701-0021-091脉冲星消色散的介绍1.1脉冲星色散形成的原因脉冲星辐射的电磁波在传播过程中经过星际介质中的稀薄等离子体,由于不同频率的电磁波在等离子体中的群速度不同[1],导致同一个脉冲中的不同频率分量在不同时间到达地球。由于脉冲信号是一种宽频信号,含有丰富的频率分量,这些频率分量到达时间不同,导致脉冲被展宽,变形甚至平滑消失[2]。这种群速度随着频率的不同而变化的现象就是色散[3]。图1(左是通过数值模拟得到的一个典型的有着双脉冲轮廓的脉冲星信号,图1(右是经过星际色散以后的该脉冲星信号,从图中已经无法直接看到该脉冲星的双脉冲轮廓。为了从观测到的脉冲星信号中得到更多关于原始脉冲星信号的信息,必须要对观测到的脉冲星信号做消色散处理。图1典型的双脉冲轮廓的脉冲星信号(左和是经过星际色散以后的该脉冲星信号(右Fig.1Typicalpulsarsignalwithtwo2peakprofile(leftandthesignalafterdispersion(right1.2常见的几种消色散算法现在比较常见的有两种消色散算法:Coherent消色散算法和Incoherent消色散算法[4]。Coherent消色散的处理思想是将一段有着色散的脉冲星信号的时间序列变换到频域上,然后乘上色散的逆传输函数,再转换到时域上,从而实现消色散;而Incoherent消色散则是将脉冲星信号的时间序列经过一个Vol.4No11Mar.,2007天文研究与技术(国家天文台台刊ASTRONOMICALRESEARCH&TECHNOLOGY第4卷第1期2007年3月X收稿日期:2006-04-20;修定日期:2006-05-09作者简介:高健健,男,硕士,研究方向:天文仪器与方法滤波器组,得到不同频带的多个通道的信号,然后将这多个通道的信号进行不同的延时后相加,以消除色散。两种方法有其各自的优缺点:Coherent消色散算法可以完全消除脉冲星信号的色散,但是其频域和时域之间的转换以及和传输函数的乘法需要大量的计算,而且这种多点数FFT的硬件不容易实现,利用软件计算则又需要昂贵的计算机群才能实现实时消色散;Incoherent消色散算法比较适合硬件实现,成本低,但是不能消除各个通道中残留的色散量,而且算法相对比较复杂。现在国际上比较流行的方案,是将上述两种消色散方法相结合。先通过一个滤波器组,得到不同频带的多通道数据,然后这些数据分别送到计算机群的不同节点进行coherent消色散,由于分配到每个节点的带宽比较窄,计算量比较小,单个节点就可以实现软件消色散。在计算时,加法、减法和移位所需要的计算时间相对于乘法和除法都比较小,所以乘法/除法的个数是评价计算量的主要指标。以上两种算法的共同缺点是所需的乘法/除法计算量太大。本文讨论的基于短时傅立叶变换的消色散算法,就可以有效地减少乘法计算量,而且实现也不复杂。2基于短时傅立叶变换的脉冲星消色散算法的基本思想2.1短时傅立叶变换傅立叶变换是一种信号的整体变换,要么完全在时域进行,要么完全在频域进行分析处理,无法给出信号频谱如何随时间的变化规律[5]。而对于像脉冲星信号的这种非平稳信号,由于其频谱随时间有较大的变化,要求分析方法能够准确的反映出信号的这种局部时变频谱特性,只了解信号在时域或者频域的全局特性是不够的。为了弥补傅立叶分析这一不足,引出了直接在时频平面上表征信号的方法,即时频分析方法。时频分析是当今信号处理领域的个主要研究热点,特别是从20世纪80年代以来在这方面有了很大的发展,各种时频联合分析方法得到了广泛的研究和应用,逐渐形成了一套独特的理论体系。短时傅立叶变换(STFT就是其中最基本最实用的分析方法。短时傅