强度干涉测量法

强度干涉测量法是天体物理学中用于测量遥远恒星特性的精密技术，例如角直径、恒星结构或辐射机制等。该技术最初在射电频段研发，后被扩展至光学频段，通过对两台或多台望远镜独立接收的天体光强涨落的相关性反推天体参数，以实现高精度测量 ^{1 2}。

在强度干涉测量法中，信号来源于探测短时间内到达的两个远距离观测点的符合光子，通过经典量级的模拟信号探测或单光子量级的光子计数法均可实现。通过计算这些接收光强的相关性，可推断出恒星角直径等重要特性 ³。然而，由于信号微弱，该测量方法通常需要较长的测量时间和精密的噪声控制技术 ⁴。

与需通过光路的物理合并来测量接收光相位和振幅的迈克耳孙干涉测量法不同，强度干涉测量法通过物理分离的望远镜独立探测光强涨落，并通过相关性分析实现天体角直径等参数的测量。该方法直接分析光强信号，无需精密控制光路或复杂的光束合并光学元件，因此光学装置更简单且更易于校准。此外，该方法具有更高的精度和对大气相位扰动的抗干扰能力，是光子受限的天文观测领域高分辨率成像的理想选择 ⁵。

强度干涉测量法中的定时电子设备充当纳秒（ns）至皮秒（ps）级的“秒表”，将单个光子探测结果转换为用于反演恒星结构的统计关联 $g^{(2)}(\tau)$。

典型设置的工作流程为：用望远镜收集星光后将其耦合至单模光纤，通过法布里-珀罗滤波器或干涉滤光片进行光谱窄化以延长相干时间，并利用单光子雪崩二极管（SPADs）或快速光电倍增管（PMTs）探测光子，最后将电脉冲输入高分辨率时间标记器，实时计算 $g^{(2)}(\tau)$。

在数据采集过程中，电子设备需对每个光子进行皮秒级时间标记。对于短基线实验室实验，仅需在探测器旁配备一个时间标记器件，直接将时间戳流式传输至主机。当探测器所在望远镜间距达至少数十米时，望远镜间的时间同步问题将成为独立采集系统的瓶颈，需借助公共定时与频率基准（GPS、PTP 或 White-Rabbit）实现多单元锁相，并补偿皮秒级的光程时延差。

• 定时精度： 包含天体物理信息的热光聚束峰宽仅数十皮秒，而除去定时电子设备的固有抖动外，探测器、线缆及基准时钟的抖动也会使得该峰抖动并降低测量可见度。因此，器件导致的定时不确定度必须控制在皮秒量级，以保证足够的测量信噪比。

• 多通道采集与波长复用： 目前，最先进的实验采用数十个单光子探测器以增大采集面积或覆盖多个光谱波段。将星光分至独立波长通道可进行跨光谱并行关联测量，进一步提升探测灵敏度。因此，定时电子设备需具备多通道能力，且各通道需高度同步以实现数据的精准实时测量。

• 高通量数据： 大型多探测器实验会产生海量时间戳数据，可能超出存储能力并增加分析复杂度。定时电子设备需具备实时计算相关性能力，无需将原始数据存储于磁盘，可显著减少数据量并简化处理流程。

• 实时延迟管理： 观测过程中，望远镜运动、温度相关的光纤延迟或夜间重新配置光路可能导致光程差偏移。传统方法通过物理调整线缆长度进行补偿，但该方式不具备可扩展性。具备可调时延或板载硬件滤波器的定时电子设备，可实时维持 $\tau = 0$ 处的关联峰值。

• 串扰： 时间数字转换器相邻通道间的电串扰会产生虚假符合事件，可能被误判为关联信号。仅通过不同长度的线缆偏移通道并不足以解决该问题，因为线缆热胀冷缩会导致长度改变，进而改变硬件延迟并重新引入虚假峰值。因此，定时电子设备需具备良好的抗通道串扰能力，减少由此产生的虚假符合计数。

• 长基线时间同步： 当探测器所连望远镜间距达数十至数千米时，独立的时间数字转换器必须共享频率与定时信号以保持锁相。

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger系列设备凭借极高的精度、通道可扩展性和实时处理能力，解决了强度干涉测量中的局限性。其核心优势如下：

• 高定时分辨率，确保 $g^{(2)}$ 可见度最大化： Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger设备定时抖动低至 1.5 皮秒，为强度干涉测量装置提供了所需的 “秒表” 精度。这种皮秒级精度可保持热光聚束峰的锐度和清晰度，使 $g^{(2)}$ 可见度在长时间积分和宽基线测量中始终保持较高水平。

• 多通道能力，支持同步测量： 所有输入通道完全等效且独立，消除了通道分配的限制。用户可通过无线方式以激活额外输入通道，在无需新增硬件的条件下扩展实验设置规模。单系统可采集多达20个输入通道的数据，且兼容多达8个系统无缝同步，形成总计160个输入通道的高精度等效时间标记。

• 灵活采集与高速数据传输： Time Tagger设备可对时间戳数据实施灵活的实时滤波，例如条件滤波和事件分频等，能够在硬件层面减少数据量后再传输至分析电脑，在不丢失关键信息的前提下优化数据吞吐量。通过USB 3.0传输数据时，传输速率可达90M Tags/s；对于更高速率需求，Time Tagger X的FPGA链路通过qSFP+可实现1.2G Tags/s的极速传输速率。

• 延迟调节功能： 从采集角度，Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger设备可对上升沿和下降沿进行时间标记，以便更好地分析脉冲轮廓。此外，还可灵活设置通道特定的硬件信号延迟和可调死时间，有助于补偿不同线缆长度及信号后脉冲的影响。通过通道特定信号时延的实时应用，可实现输入信号的精确对准，保障关联测量的稳健性与适应性。

• 长基线远程同步： 当望远镜、探测器及其它组件非共址时，Swabian Instruments - 施瓦本仪器提供的软件工作流（参见教程 可将多个远程Time Tagger设备对准同一时间基准，仅需提供外部同步频率（如 10 MHz）和 1 脉冲 / 秒（1 PPS）信号。通过在各站点启用 ReferenceClock功能，设备可采用该外部基准；客户端的TimeTaggerNetwork可实时合并数据流，使关联与符合分析完全等效于所有探测器接入同一设备的情况，无论望远镜间距是实验室尺度还是千米级基线，均能保持可靠性。

• 消除串扰，获取真实关联可见度： 借助Swabian Instruments - 施瓦本仪器的同步器硬件，可以通过SMA为每个单元分发公共时钟和同步信号。此时，每个信号由独立的时间标记器进行时间标记，从而消除串扰。在软件中，同步后的标记器呈现为单一对象，简化关联与符合分析流程。通过对齐各通道的时间戳，该设置可抑制掩盖强度干涉测量中真实 $g^{(2)}(\tau)$信号的虚假符合事件，在无电子串扰干扰的条件下最终得到真实关联数据，清晰呈现天体物理信号。

• 兼容主流编程环境，集成灵活： Swabian Instruments - 施瓦本仪器支持多种主流编程环境，包括Python、MATLAB、LabVIEW、C++等。其库和API助力用户构建灵活的代码库并自动化复杂实验：测量功能既可通过代码实现，也可借助直观、支持虚拟通道的TimeTaggerLab图形用户界面实现。利用虚拟通道，用户可在采集过程中同步处理数据，实时执行数据计算与算法，实现近实时处理。

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