Design, implementation and testing of a real-time electromagnetic interference detector and classifier for the five-hundred-meter aperture spherical telescope (FAST)

Abstract

One source of astronomical interest to study are Fast Radio Bursts (FRBs), high-power emissions produced in astrophysical processes of an unknown nature. Their power densities in the frequency domain look like Gaussians moving at lower frequencies on millisecond (ms) time scales. With technological development, the amount of devices that radiate radio signals increases, which is received by a radio telescope as Radio Frequency Interference (RFI). Since the power of these signals are several orders of magnitude greater than those coming from astronomical sources, the effect of RFI is a problem for which detection and mitigation techniques are necessary. This work presents a review of the detection and mitigation techniques for the design, implementation and testing of a real-time RFI detector in the detection of FRBs. The detection score is mathematically derived to be used with a threshold dependent on the type of RFI present. The detector is tested in conjunction with a FRB detector, where from a total of 1801 FRB detections, 1791 were identified as coming from RFI, eliminating 99.4448% of the data corresponding to interference. The characterization of the received spectra is also studied, generating new characteristics using the statistical moments, the maximum and the minimum of the spectra. This is done in order to cluster the data to identify concentrations in space that depend on the type of interference, such as broadband or narrowband. No relationship is found between the classification of the signals and the chosen features, so the exploration of new features that better characterize the spectra is proposed as future work.

Una fuente de interés astronómico son las ráfagas rápidas de radio (FRBs, del inglés Fast Radio Bursts), emisiones de gran potencia producidas en procesos astrofísicos de naturaleza desconocida. Al ver sus densidades de potencia en el dominio de la frecuencia, se ven como gaussianas que se desplazan a frecuencias menores en escalas de tiempo de milisegundos (ms). Con el desarrollo tecnológico, aumenta la cantidad de dispositivos que emiten señales de radio, las que son recibidas por un radiotelescopio como interferencia de radiofrecuencia (RFI, del inglés Radio Frequency Interference). Dado que las potencias de estas señales son varios órdenes de magnitud mayores que las que provienen de las emisiones astronómicas, el efecto de RFI es un problema por lo que son necesarias técnicas de detección y mitigación. Este trabajo presenta una revisión de las técnicas de detección y mitigación para el diseño, implementación y pruebas de un detector de interferencia de radiofrecuencia en tiempo real, para la reducción de falsos positivos en la detección de FRBs. Se deriva matemáticamente un puntaje de detección de interferencia para ser utilizado con un umbral dependiente del tipo de RFI presente. El detector fue probado en conjunto con un detector de FRBs, donde de un total de 1801 detecciones de FRBs, identificó a 1791 como proveniente de RFI, eliminando un 99,4448% de la data correspondiente a interferencia. También se estudió la caracterización de los espectros recibidos, generando nuevas características utilizando los momentos estadísticos, el máximo y el mínimo de los espectros. Esto se realiza con el fin de agrupar los datos para identificar concentraciones en el espacio que dependan del tipo de interferencia, como si es de banda ancha o banda angosta. No se encuentra una relación entre la clasificación de las señales y las características escogidas, por lo que se propone como trabajo futuro la exploración de nuevas características.