点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:太阳射电成像的数字相关器
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

太阳射电成像的数字相关器

来源:光明网2021-08-11 15:29

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  自上世纪50年代起,射电观测技术在天文和空间科学领域得到了广泛的应用。我们熟知的空间科学工程项目:如登月舱着陆、火星探测,射电望远镜作为深空测控的“鹰眼”,在其中发挥了重要作用;而像在“黑洞成像”这一历史性的事件中,世界各地的大型射电望远镜及阵列联合通过“甚长基线干涉(VLBI)”技术对M87星系中的特大质量黑洞进行了射电成像。

  对于离我们最近的恒星—太阳,太阳物理学家已经从多个波段(近红外、光学、紫外)进行了观测研究。就像医学上的CT成像,不同波长的观测对应太阳结构的不同深度,射电波段,尤其是厘米-分米波段的观测能够让我们了解太阳日冕的丰富信息。

  射电望远镜需要对接收到的太阳射电信号进行实时快速处理,产生用于科学研究的有效数据(频谱、图像等)。这要求射电望远镜的后端数字信号处理(digital signalprocessing:DSP)单元具备相当的“肌肉灵活性”。

  太阳射电成像的数字相关器

图1. DSP的“齿轮”驱动作用(图源:作者)

  要对太阳进行射电成像观测,最常用的技术是综合孔径干涉成像。通常一个基于综合孔径干涉成像的射电望远镜组成的观测阵列包括:天线前端、信号传输线、模拟信号接收单元、数字相关器和图像合成处理单元。射电观测成像其实和人眼成像的原理类似,大脑视觉皮层在对物体成像前,首先要获得物体在时间和空间上的一系列相关信号。

  这些相关信号由外侧膝状体(lateral geniculate nucleus: LGN)提供。它们进行一系列模拟计算:包括时间上的相关/解释以及空间上的相关。由此产生的输出到大脑视觉皮层进行下一步处理,以实现物体空间的三维表示。

太阳射电成像的数字相关器

图2. 射电阵列成像和人眼视觉成像类比(图源:作者)

  在对太阳进行综合孔径干涉成像观测的过程中,数字相关器(digitalcorrelator)起到的作用和人眼成像中的LGN类似。在太阳射电信号被两个天线接收到后,经过模拟和数字滤波器组分离出需要观测的窄带信号,这两路窄带信号具有一定相关性。数字相关器对这种相关性进行测量,得到所谓的“可见度函数”。

太阳射电成像的数字相关器

图3. 数字相关器的组成(图源:作者)

  那么数字相关器的工作原理是什么呢?数字相关器在空间频率域上计算任意两路信号之间的互相关运算结果,其形式是一个复数。其中相位部分包含了可见度函数的相位,偏离图像中心(相位中心)的变化源会在可见度函数的相位上产生相应变化。

  数字相关器能够得到天线阵列中每两个天线接收之间的互相关输出,从而得到可见度函数在空间频率域的分布。这种分布通过后端图像合成处理单元做Fourier变换和“去卷积”处理后便能得到太阳的射电图像。

太阳射电成像的数字相关器

图4.两路射电信号之间相关测量输出(图源:作者)

  太阳射电成像的最终目标是在多个频率上合成太阳射电图像,我们首先把整个观测频率波段分成一系列的频率平面“切片层”,在数字信号处理中称为“频谱通道化”,一般用多相滤波器组或多相FFT来实现。每个频率通道输出代表所要观测的频率信号。在每个频率“切片层”上对所有天线的信号进行量化和互相关运算,就得到不同频率的互相关输出。

太阳射电成像的数字相关器

图5. 多频率下的互相关运算单元“矩阵”(图源:作者)

  数字相关器在每个频率“平面”上的计算输出类似一个相关矩阵。早期的数字相关器由于数字电路的性能所限,多采用模拟滤波器组和1-bit相关,模拟通道信号被数字采集后,在相关之前先被量化成“-1”或“+1”2种状态,这2种状态可以用1个bit位来编码,以降低后续相关运算和数据传输的压力。

  随着大规模数字集成电路的发展,尤其是高性能现场可编程门阵列(FPGA)芯片的出现,数字信号处理和运算能力有了飞跃式提升,频谱通道化在数字信号处理单元中实现,与模拟滤波器组相比,更加稳定,性能精度也更好。后续的相关运算也不断提升精度,2-bit相关、4-bit相关等。如果将频谱信号传输到GPU中做后续处理,还可以实现更高精度的相关运算。

  太阳射电观测的特点是:信号变化范围大(从宁静到爆发的射电流量可增长数千倍到上万倍)、变化快(毫秒级)。这要求射电望远镜后端的信号处理系统有足够的动态范围,并能够实时处理动态信号变化。数字相关器作为信号处理系统的核心部分,不仅实现了太阳射电信号从模拟域到数字域的转化,还使快速射电成像从可能变为现实。

  作者简介:刘飞,国家天文台明安图观测基地高级工程师,主要研究方向为射电天文DSP后端方法和技术。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 2025年数字丝路发展论坛新闻发布会

  • 不再遗憾!因为“这条小鱼在乎”

独家策划

推荐阅读
钙钛矿太阳能电池因成本低、效率高、易加工等优势备受关注,可应用于光伏发电、车载光伏、光伏建筑等领域。
2025-07-03 09:59
目前,对于10厘米以上大型空间碎片,航天器通常采用主动规避的策略,通过轨道调整,避开可能的碰撞路径。
2025-07-03 09:58
6月26日,中国民航局官网发布公告,提到为切实保障航空运行安全,自2025年6月28日起,禁止旅客携带没有3C标识、3C标识不清晰、被召回型号或批次的充电宝乘坐境内航班。
2025-07-03 09:56
药膳制作师既要懂烹饪,是餐厅的大厨,又要懂中医药理论知识,特别是能够作为食药物质的中药材。
2025-07-03 09:55
运动有助于健康和抗衰老。但究竟是什么让运动有这种奇效呢?我国研究团队历时6年,首次系统解析了人体对急性单次运动与长期规律运动的分子-细胞动态响应谱,揭示肾脏是运动效应的关键应答器官——其内源代谢物甜菜碱作为衰老延缓的核心分子信使,通过靶向抑制天然免疫枢纽激酶TBK1,协同阻遏炎症并缓解多器官衰老进程。
2025-07-03 05:20
近日,四川乐山一小伙感觉身体不适独自乘出租车前往医院就诊,途中开启“超强自救”模式:联系妈妈告知情况、打110报警求助、打120告知医院准备急救。如果长期处于焦虑引起的躯体化障碍状态,患者会反复出现头痛、心慌、呼吸急促、胃肠紊乱、肢体疼痛、睡眠问题等。
2025-07-02 10:06
使用人工智能大模型时,不少人或许都遇到过类似问题:它们有时会捏造细节,甚至“一本正经地胡说八道”。当“喂给”大模型的训练数据包含虚假信息时,它就会产生“幻觉”、给出错误答案。
2025-07-02 10:05
中国国际航空公司所属的国产C909客机平稳降落在蒙古国乌兰巴托成吉思汗国际机场,标志着国航首条C909国际航线正式开通。早8时许,这架C909客机从呼和浩特起飞,经过1个多小时飞行抵达乌兰巴托。
2025-07-02 10:03
农业是国民经济的基础,农业领域形成新质生产力是国民经济形成和发展新质生产力的基础和“底盘”。 农业新质生产力是通过提升劳动者素质、优化劳动资料和创新利用劳动对象,实现全要素生产率的显著提高。
2025-07-02 10:01
团队基于卫星遥感数据构建了1988年至2021年青藏高原30米分辨率人工草地数据集,明确了青藏高原主要的人工草地类型及其时空分布特征,并揭示了青藏高原人工草地的迅速扩张及其驱动机制。
2025-07-02 09:59
屠光绍认为,金融机构在应用人工智能时必须在服务投资人与消费者之间寻求平衡,避免AI鸿沟,坚守金融服务大众的初心。鲍建敏倡导构建产学研深度融合、开放共赢的人工智能金融生态体系,搭建跨机构、跨领域的协同创新平台。
2025-07-01 10:13
6月30日,2025温布尔登网球锦标赛在英国伦敦拉开大幕,引发球迷关注。在草地球场,球的速度更快且弹跳不规则,比赛回合较短,发球就成为球员们的重要“武器”。红土球场并不是天然土壤,而是分层分布着碎砖粉、白色碎石灰石、碎石等。
2025-07-01 10:09
7月1日起,医保定点医药机构在销售药品时,必须按要求扫药品追溯码后方可进行医保基金结算;2026年1月1日起,所有医药机构都要实现药品追溯码全量采集上传。步,进入国家医保局微信公众号主页,点击服务、药品追溯信息查询,进入查询页面;或进入国家医保局微信公众号消息对话页,点击医保服务、药品追溯信息查询,进入查询页面。
2025-07-01 10:09
记者从国家航天局获悉,7月1日,该局发布行星探测工程天问二号探测器在轨获取的地月影像图。(国家航天局供图)  月球全色图,由天问二号探测器的窄视场导航敏感器于2025年5月30日15时拍摄,经辐射校正处理后制作而成。
2025-07-01 10:08
龙芯中科近日正式发布基于国产自主指令集龙架构研发的服务器处理器龙芯3C6000系列芯片、工控领域及移动终端处理器龙芯2K3000/3B6000M芯片以及相关整机和解决方案。
2025-07-01 10:06
四大家鱼,即青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼,是我国重要的经济鱼类,占淡水鱼类养殖总量的“半壁江山”,尤以长江流域所产鱼品质最优。但人工养殖久了,鱼类品质逐渐下降,需要捕捞野生鱼种来更换,确保鱼类种质“基因库”稳定。
2025-06-30 04:50
FAST如今每天观测时长接近24小时,每年总观测时长超过5300小时,持续不断地为科学家提供宝贵的数据。
2025-06-30 09:52
华南农业大学积极探索应用大数据、人工智能等技术加速育种创新,“华航香银针”就是创新成果之一。
2025-06-30 09:51
在近日落下帷幕的第十五届全国周培源大学生力学竞赛中,一位特殊的“考生”吸引了人们目光。
2025-06-30 09:51
6月29日,在海南文昌卫星超级工厂项目建设现场,各方正全力以赴加快工厂投产进程。
2025-06-30 09:51
加载更多