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紫金山天文台青海观测站“3毫米波段多谱线系统”自2002年投入观测以来,为星际分子云、恒星形成区、超新星遗迹和其他天体目标观测研究提供了重要的手段。随着毫米波射电天文观测研究的发展,在提升毫米波天线的性能、提高接收机的探测灵敏度的同时,也对后端频谱仪性能提出新的要求。
目前多谱线系统中后端声光频谱仪所能提供的性能范围已经无法满足新天文科学观测的需求,其主要表现在带宽,频率分辨率,深度积分能力等方面。为了满足新的科学需求,我们调研并总结了毫米波射电频谱关键技术的进展。高速ADC,快速数字信号处理电路和相关的总线技术已经为毫米波射电天文的新一代数字频谱的发展,提供了良好的硬件条件。
从2005年起我们着手研制一套基于Acqiris公司的AC240频谱分析仪的数字FFT频谱,主要的研究工作如下:
1.数字FFT频谱应用软件开发。基于13.7 m望远镜的数字FFT频谱的应用软件以Linux系统为平台,采用C和GTK+为编程工具,实现人机交互图形界面和实时频谱Quicklook界面,实现频谱预处理和网络通信。软件经过测试结果表明在稳定性,CPU资源占用率,通信可靠性等方面满足实际天文应用要求。
2.数字FFT频谱仪性能实验室测试与评估。数字FFT频谱仪性能测试包括带宽、频率分辨率、动态范围、ADC有效位数和系统输出稳定性。测试结果显示数字FFT频谱仪的最大带宽1000 MHz,最高分辨率12kHz,ADC有效位数6bit(理论为8 bit),动态范围大于30dB,系统输出Allan稳定时标大于2000 s。测试结果表明数字FFT频谱仪性能优于现有的AOS频谱仪,特别在动态范围、系统稳定性等方面表现更为突出。
3.数字FFT频谱仪的天文观测。2006年6月和2007年4月,数字FFT频谱仪对W51D、L134N等一批星际分子云以及M82、M51等河外星系的分子谱线进行实际观测,并成功观测到L134N上的N2H+分子谱线超级精细结构,河外星系M82高速的CO分子完整的谱线轮廓(速度范围:400 km/s)以及IRAS02232+6138中的H13CO+微弱的分子谱线(150 mK谱线强度)。观测结果进一步表明数字FFT频谱仪比现有的声光频谱仪具有更强的谱线探测能力,表现在其具备更宽的瞬时带宽,更精细的频谱分辨和深度积分能力。