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毫秒脉冲星计时噪声分析及应用

高峰  
【摘要】:脉冲星是高速自转的中子星,有着极其稳定的自转周期,通过脉冲星脉冲到达时间的长期观测和分析,可以获得脉冲星自身相关参数、星际介质及恒星演化等方面的大量信息。尤其是毫秒脉冲星具有较高的自转周期稳定性,通过多年的观测获得丰富的计时资料,可以应用到诸如检验引力波、脉冲星导航以及提供时间标准中去。然而,毫秒脉冲星计时资料同样受产生机制不明、变化无规律、普遍存在的计时噪声的影响,这种影响限制了毫秒脉冲星长期计时资料的利用。为了避免计时噪声的影响,多个相关应用中优先选用低计时噪声的毫秒脉冲星开展研究,这直接导制可用脉冲星数目的大幅减少。当前,开展脉冲星计时噪声的分析和降噪方法的研究尚不完善,尚有不少问题有待解决。本论文主要针对这些问题展开研究,这些问题具体包括:毫秒脉冲星计时噪声的检测、毫秒脉冲星计时噪声的谱结构分析及如何避免计时噪声的影响等方面。这些方向也获得了国家自然基金“脉冲星时间尺度的噪声分析与处理”、“基于射电实测数据研究脉冲星计时误差”、“脉冲星时间尺度建立及其在守时理论中的应用”和“脉冲星时间标准应用研究”等课题项目的支持。本论文的主要研究工作和成果可以概括为以下四个部分:第一部分概述了脉冲星观测技术的现状,计时观测的原理和方法。对脉冲星计时模型中的相位转换模型和脉冲到达时间分析模型进行了论述。研究了影响脉冲星计时观测的主要误差源,重点包括脉冲星自转不稳定性误差、星际色散延迟误差、引力波背景辐射误差、原子时误差和太阳星历表误差。第二部分研究了毫秒脉冲星计时噪声的识别方法。分析了度量计时噪声的多个相关模型,基于毫秒脉冲星计时噪声特征,应用了一种Hurst指数识别的方法。针对观测时长和残差弥散对计时噪声的影响,分析的相应的内在联系。同时给出了Hurst指数方法与其他计时噪声度量之间的差异,相应研究结果给出了毫秒脉冲星计时噪声识别的有效方案。第三部分通过毫秒脉冲星计时残差分解分析研究了不同时间尺度噪声的贡献,同时开展了计时残差预报方案的研究。根据毫秒脉冲星计时残差的无规则波动特征,提出了一种自适应极强的经验模态分解(EMD)的方法,从而实现了残差无规则变化向简单、规则的转化,这种转化有利于后期开展脉冲星数据的频率分析,得到相应的功率谱。同时,利用EMD方法研究了不同脉冲星残差序列波动特性的差异,给出了相应的解释。进而,基于EMD方法有助于残差数据的平稳性转换,研究了残差序列预报的方案,得出EMD方法应用于脉冲星残差的预报方面具有的优势。第四部分基于降噪目的研究了综合脉冲星时间尺度建立的新方法。通过揭示部分脉冲星残差序列之间存在协整的关系,提出了一种基于协整理论建立综合脉冲星时间尺度的算法。采用脉冲星实测数据,验证了这种算法在降噪方面的有效性。应用于脉冲星时间尺度的建立,可以解决计时噪声相对较强的脉冲星数据因稳定性差而在时间尺度算法中受限的问题。


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