一种OTF成图观测的花瓣式扫描方法与流程

本发明涉及射电天文观测领域，尤其涉及一种otf成图观测的花瓣式扫描方法。

背景技术：

otf(onthefly，飞行)成图观测在天文观测领域具有广泛的应用，在otf观测中，天线快速地扫过一个天区，通过谱线终端记录观测数据。otf观测具有以下优点：通过减少天线转动的无效时间以及共用一个参考点来提高观测效率；快速观测整个观测区域，以减少系统变化(如大气情况、系统增益、望远镜指向等)对单幅图的影响，而图之间的系统变化，可通过加权平均以及相关技术予以消除；数据记录频率高于奈奎斯特采样频率，不会造成空间分辨率的丢失。

目前，otf成图观测普遍采用将一个扫描区域分成若干行的方式，例如：论文《天马望远镜谱线otf观测系统》提出了一种逐行扫描的方式，专利文献《一种otf观测扫描方法》提出了一种每次扫描多个相间隔行的扫描方式。对于一些特殊情况下的多波束成图扫描，按照行扫描方式存在以下缺点：

(1)一些天文成图观测要求对天区的中心部分进行较长时间的积分，以保证中心区域较高的信噪；而基于行的扫描方式，通常需要尽量保证整个观测区域每个点的积分时间一致，从而导致观测区域的中心部分积分时间不足。

(2)一些观测源的形状具有圆形特征，而基于行的扫描方式，其成图形状为矩形，为此为实现对圆形区域的观测，需要较大的扫描覆盖区域，导致观测时间较长。

(3)在基于行的扫描方式中，当望远镜从上一扫描行切换到下一扫描行时，不能平滑过渡，导致望远镜有振荡问题，此现象对于大型射电望远镜尤为明显。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提出一种otf成图观测的花瓣式扫描方法，以准确、高效地完成观测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种otf成图观测的花瓣式扫描方法，包括以下步骤：

s1，确定观测参数，包括待观测射电源的半径r、半径振荡时间τ、一遍扫描中的子扫描次数k、每次子扫描的时间t、以及循环扫描的总遍数n；

s2，根据所述步骤s1中确定的观测参数，计算如下扫描轨道方程中的轨道参数ω、ω、φ1和φ2：

dec(t)＝r0sin(ωt+φ1)sin(ωt+φ2)+dec0

在上述方程中，ra(t)、dec(t)分别为扫描点的赤经和赤纬；t为时间；r0为扫描区域的半径，其取值等于或大于射电源半径r；ra0和dec0为待观测射电源的中心位置的赤经和赤纬；ω为半径振荡周期；ω为旋转周期；φ1和φ2为相位；

其中，

s3，按照s2中的轨道方程进行扫描，当经过时间t时，一次子扫描过程结束，则观测参考点；

s4，重复执行k次所述步骤s3；

s5，重复执行n遍所述步骤s3和s4。

进一步地，半径振荡时间τ、一遍扫描中的子扫描次数k、每次子扫描的时间t以及循环扫描的总遍数n根据不同观测要求而取值不同，其中，所述半径振荡周期τ不小于20秒；所述子扫描次数k不小于1；所述每次子扫描的时间t为半径振荡周期的整数倍；所述循环扫描的总遍数n不小于1。

按照本发明的方法进行观测扫描，具有如下有益效果：

(1)观测区域中心覆盖较为密集，数据点较多，积分时间较长，保证了中心区域较高的信噪；

(2)特别适用于对圆形区域的观测，与行扫描方式相比，无需较大的扫描覆盖区域，观测时间短；

(3)轨道有加、减速的过程，在轨道的边缘处自然减速，平滑过渡，非常适应于望远镜扫描。

附图说明

图1为本发明otf成图观测的花瓣式扫描方法的流程图；

图2为按照本发明的扫描方法在一遍扫描的不同时间段的扫描轨迹示意图；

图3为一次子扫描轨道的速度曲线图；

图4为天马望远镜的7波束k波段的波束分布图；

图5为天马望远镜的7波束k波段的波束按照本发明的扫描方法进行扫描时的轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

本发明的otf成图观测的花瓣式扫描方法如图1所示，包括以下步骤：

s1，确定观测参数，包括待观测射电源的半径r、半径振荡时间τ(如图2a所示，半径振荡时间是指望远镜扫描时在径向方向运动的周期)、一遍扫描中的子扫描次数k和每次子扫描的时间t、以及循环扫描的总遍数n。其中，半径振荡周期τ不小于20秒；子扫描次数k不小于1次；每次子扫描的时间t为半径振荡周期的整数倍；循环扫描的总遍数n不小于1遍。

s2，根据步骤s1中确定的观测参数，计算如下花瓣式扫描轨道方程中的未知参数ω、ω、φ1和φ2：

dec(t)＝r0sin(ωt+φ1)sin(ωt+φ2)+dec0

在上式中，ra(t)、dec(t)分别为扫描点的赤经和赤纬；t为时间；r0为扫描区域的半径，其取值等于或略大于射电源半径r；ra0和dec0为待观测射电源的中心位置的赤经和赤纬；ω为半径振荡周期；ω为旋转周期(如图2的a所示，旋转周期是指望远镜扫描时在切向方向运动的周期)；φ1和φ2分别为半径振荡函数的相位和旋转函数的相位)。

其中，

s3，按照s2中的轨道方程进行扫描，当经过时间t时，一次子扫描过程结束，则观测参考点(为远离观测源的位置点)。

s4，进行下一次子扫描，重复执行步骤s3，直到子扫描次数达到k次。

s5，进行下一遍扫描，重复执行步骤s3和s4，直到扫描遍数达到n，结束。

图2的a-d图分别示出了按照本发明的扫描方法在一遍扫描的不同时间段(τ、2τ、18τ、22τ)的扫描轨迹。从图2的d图可知，观测区域中心覆盖较为密集，数据点较多，积分时间较长。当每次子扫描完成后，天线运行到图中右下方的参考点进行观测，以用于在数据处理时去除天空背景信号。

图3是本发明一次子扫描轨道的速度曲线示意图，从图3可知，望远镜在扫描时，其轨道有加、减速的过程，在轨道的边缘处自然减速，平滑过渡，非常适应于望远镜扫描。

当本发明的扫描方法应用于天马望远镜观测时，通过如下步骤实现：

首先，天马望远镜的7波束k波段的波束分布如图4所示，各偏移波束(b2-b7)相对于中心波束b1的偏移量见表1。观测范围大小为5角分大小的圆形区域，半径振荡时间为25秒，一次扫描中的子扫描次数为5次、一次子扫描的时间为110秒、循环扫描的总遍数为2遍。

表1.各波束相对于中心波束的偏移量

然后，根据前面的观测参数，计算得到花瓣式轨道方程中的轨道参数为：r0取5角分，那么天马望远镜7波束的扫描轨迹示意图如图5所示。

而后，按照前述花瓣式轨道方程进行扫描，当经过时间110秒时，一次子扫描过程结束，则观测参考点；再进行下一次子扫描，重复子扫描过程，直到子扫描次数达到5次；最后，重复执行一遍扫描过程，直到扫描遍数达到2遍。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。