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 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 乘“蛟龙”入深海

  • 西藏山南萨热路跨江大桥全线合龙

独家策划

推荐阅读
城市是人民美好生活的载体,人民群众是城市建设的主体和城市发展的动力源泉。
2026-10-19 09:32
当你出门后,扫地机器人根据你的清洁习惯自己排定工作时间、规划好路线;自研的快充技术,让它边充边扫、无限续航。这个颇具科幻意味的场景,已被第140届中国进出口商品交易会(广交会)上的一款产品实现。
2026-10-19 09:35
“可信工具”这一重要提法精准抓住了人工智能发展的一个根本问题:我们不能只问人工智能是不是更聪明、更高效、更强大,还要追问它是否真正可信。
2026-10-19 09:31
让从农田到餐桌的全过程均有标准可依,并积极推广应用食品数字标签,让食品信息获取更便捷高效。
2026-10-19 09:18
推动卫生与健康事业高质量发展,不断提高人民健康水平,确保健康中国建设取得决定性进展。
2026-10-19 09:16
当前全球生态环境挑战日益严峻,科技创新是应对可持续发展挑战的核心力量。
2026-10-16 16:29
10月16日是第四十六个世界粮食日,所在周是全国粮食安全宣传周,主题为“创新当下,粮安未来”。从良种选育、智能农机到数字农业、精准储运,创新正成为粮食增产、节粮减损、营养提升的关键引擎。即日起,光明网联合科普中国推出系列科普视频,深入解读科技创新绘就的粮安答卷。
2026-10-16 08:46
在显示技术升级与人工智能赋能的双重驱动下,行业正跳出传统数字阅读的固有边界
2026-10-16 08:45
打造集技术研发、模型训练、系统验证及场景测试于一体的创新基地,推动人形机器人及具身智能技术从实验室研发阶段走向大规模产业应用。
2026-10-16 08:39
工业和信息化部、中央网信办、市场监管总局高度重视,在前期调查工作基础上,成立联合调查组开展核查,并依法依规处理。有关情况将及时公布。
2026-10-16 08:40
大会延续“零碳·科技”永久主题,以“智储新程 绿动全球”为年度主题
2026-10-16 08:35
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
长久以来,古生物学界与教科书普遍认为琥珀皆源自种子植物(裸子或被子植物),最古老的确切记录定格在美国约3.2亿年前的石炭纪晚期。
2026-10-15 09:48
在芯片制造、航空发动机等高端硬核制造领域,技术迭代具有长周期、累积性、阶梯式特征,遵循循序渐进、层层突破的线性攻关规律。新征程上,持续深耕创新生态建设、迭代升级现代化创新体系,必能培育形成扎根中国、联通世界、内生增长、开放共生的创新新格局。
2026-10-15 09:46
受困于“小散弱”的格局,长期以来,我国科技期刊在国际学术传播体系中缺少属于自己的“拳头产品”与平台话语权——“在精品化发展方面,经过70余年积淀,我国已形成以《中国科学》《科学通报》《国家科学评论》等刊群为代表的高水平期刊方阵。
2026-10-15 09:45
AI时代,科研的“源头活水”是什么?不是算力,不是数据,而是人对未知世界的好奇与追问。
2026-10-14 11:28
截至8月末,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数7.04亿户,比上年末净增1365万户;三家基础电信企业及中国广电的移动电话用户总数18.49亿户,其中5G移动电话用户13.11亿户。
2026-10-14 09:34
自然资源部会同国家发展改革委12日发布《矿产资源目录》。自然资源部矿产资源保护监督司负责人表示,矿产资源目录是矿产资源管理制度的重要基础,是制定矿产资源规划、实施矿业权管理、规范矿产资源勘查开采行为、征缴矿产资源税费、制定产业政策等工作的依据。
2026-10-14 09:40
与共康村相邻的巴达村,是第一批参与试种的村,也是西藏首个高海拔水稻实测亩产破千斤的村子,村民把“海拔3175米种水稻”写进村史。一粒水稻种子,不只改写了亩产数字,更改变了“西藏水稻只能在察隅、墨脱海拔1500米以下种植”的历史,为高原水稻纳入地方主粮增添可能。
2026-10-14 09:41
加载更多