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太陽射電成像的數(shù)字相關(guān)器

來源:中國科學(xué)院國家天文臺

自上世紀(jì)50年代起,射電觀測技術(shù)在天文和空間科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。我們熟知的空間科學(xué)工程項目:如登月艙著陸、火星探測,射電望遠(yuǎn)鏡作為深空測控的“鷹眼”,在其中發(fā)揮了重要作用;而像在“黑洞成像”這一歷史性的事件中,世界各地的大型射電望遠(yuǎn)鏡及陣列聯(lián)合通過“甚長基線干涉(VLBI)”技術(shù)對M87星系中的特大質(zhì)量黑洞進(jìn)行了射電成像。


對于離我們最近的恒星—太陽,太陽物理學(xué)家已經(jīng)從多個波段(近紅外、光學(xué)、紫外)進(jìn)行了觀測研究。就像醫(yī)學(xué)上的CT成像,不同波長的觀測對應(yīng)太陽結(jié)構(gòu)的不同深度,射電波段,尤其是厘米-分米波段的觀測能夠讓我們了解太陽日冕的豐富信息。


射電望遠(yuǎn)鏡需要對接收到的太陽射電信號進(jìn)行實時快速處理,產(chǎn)生用于科學(xué)研究的有效數(shù)據(jù)(頻譜、圖像等)。這要求射電望遠(yuǎn)鏡的后端數(shù)字信號處理(digital signalprocessing:DSP)單元具備相當(dāng)?shù)摹凹∪忪`活性”。

圖1. DSP的“齒輪”驅(qū)動作用(圖源:作者)


要對太陽進(jìn)行射電成像觀測,最常用的技術(shù)是綜合孔徑干涉成像。通常一個基于綜合孔徑干涉成像的射電望遠(yuǎn)鏡組成的觀測陣列包括:天線前端、信號傳輸線、模擬信號接收單元、數(shù)字相關(guān)器和圖像合成處理單元。射電觀測成像其實和人眼成像的原理類似,大腦視覺皮層在對物體成像前,首先要獲得物體在時間和空間上的一系列相關(guān)信號。


這些相關(guān)信號由外側(cè)膝狀體(lateral geniculate nucleus: LGN)提供。它們進(jìn)行一系列模擬計算:包括時間上的相關(guān)/解釋以及空間上的相關(guān)。由此產(chǎn)生的輸出到大腦視覺皮層進(jìn)行下一步處理,以實現(xiàn)物體空間的三維表示。



圖2. 射電陣列成像和人眼視覺成像類比(圖源:作者)

在對太陽進(jìn)行綜合孔徑干涉成像觀測的過程中,數(shù)字相關(guān)器(digitalcorrelator)起到的作用和人眼成像中的LGN類似。在太陽射電信號被兩個天線接收到后,經(jīng)過模擬和數(shù)字濾波器組分離出需要觀測的窄帶信號,這兩路窄帶信號具有一定相關(guān)性。數(shù)字相關(guān)器對這種相關(guān)性進(jìn)行測量,得到所謂的“可見度函數(shù)”。


圖3. 數(shù)字相關(guān)器的組成(圖源:作者)

那么數(shù)字相關(guān)器的工作原理是什么呢?數(shù)字相關(guān)器在空間頻率域上計算任意兩路信號之間的互相關(guān)運算結(jié)果,其形式是一個復(fù)數(shù)。其中相位部分包含了可見度函數(shù)的相位,偏離圖像中心(相位中心)的變化源會在可見度函數(shù)的相位上產(chǎn)生相應(yīng)變化。


數(shù)字相關(guān)器能夠得到天線陣列中每兩個天線接收之間的互相關(guān)輸出,從而得到可見度函數(shù)在空間頻率域的分布。這種分布通過后端圖像合成處理單元做Fourier變換和“去卷積”處理后便能得到太陽的射電圖像。




圖4.兩路射電信號之間相關(guān)測量輸出(圖源:作者)

太陽射電成像的最終目標(biāo)是在多個頻率上合成太陽射電圖像,我們首先把整個觀測頻率波段分成一系列的頻率平面“切片層”,在數(shù)字信號處理中稱為“頻譜通道化”,一般用多相濾波器組或多相FFT來實現(xiàn)。每個頻率通道輸出代表所要觀測的頻率信號。在每個頻率“切片層”上對所有天線的信號進(jìn)行量化和互相關(guān)運算,就得到不同頻率的互相關(guān)輸出。
圖5. 多頻率下的互相關(guān)運算單元“矩陣”(圖源:作者)

數(shù)字相關(guān)器在每個頻率“平面”上的計算輸出類似一個相關(guān)矩陣。早期的數(shù)字相關(guān)器由于數(shù)字電路的性能所限,多采用模擬濾波器組和1-bit相關(guān),模擬通道信號被數(shù)字采集后,在相關(guān)之前先被量化成“-1”或“+1”2種狀態(tài),這2種狀態(tài)可以用1個bit位來編碼,以降低后續(xù)相關(guān)運算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Α?/span>

隨著大規(guī)模數(shù)字集成電路的發(fā)展,尤其是高性能現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片的出現(xiàn),數(shù)字信號處理和運算能力有了飛躍式提升,頻譜通道化在數(shù)字信號處理單元中實現(xiàn),與模擬濾波器組相比,更加穩(wěn)定,性能精度也更好。后續(xù)的相關(guān)運算也不斷提升精度,2-bit相關(guān)、4-bit相關(guān)等。如果將頻譜信號傳輸?shù)紾PU中做后續(xù)處理,還可以實現(xiàn)更高精度的相關(guān)運算。

太陽射電觀測的特點是:信號變化范圍大(從寧靜到爆發(fā)的射電流量可增長數(shù)千倍到上萬倍)、變化快(毫秒級)。這要求射電望遠(yuǎn)鏡后端的信號處理系統(tǒng)有足夠的動態(tài)范圍,并能夠?qū)崟r處理動態(tài)信號變化。數(shù)字相關(guān)器作為信號處理系統(tǒng)的核心部分,不僅實現(xiàn)了太陽射電信號從模擬域到數(shù)字域的轉(zhuǎn)化,還使快速射電成像從可能變?yōu)楝F(xiàn)實。

作者·簡介

劉飛,國家天文臺明安圖觀測基地高級工程師,主要研究方向為射電天文DSP后端方法和技術(shù)。



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