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

  • 2026厦门科创产业与证券业发展大会举行

独家策划

推荐阅读
一根通体透明的“玻璃棒”——看着像玻璃,其实它叫光纤预制棒,是生产光纤的核心原材料。2011年,我们开启了基于VAD(轴向气相沉积法)/OVD(棒外化学气相沉积法)工艺的大尺寸光纤预制棒自主研发的漫长征途。
2026-09-07 09:40
脑机接口是在大脑与外部设备之间建立直接信息通路的技术系统。“‘北脑一号’的初始版本采用128通道无线全植入柔性电极,电极贴附在硬脑膜外,兼顾安全性和有效性。”罗敏敏说,在可预见的未来,脑机接口有望实现从人脑与人工智能、机器人深度协同,拓展到健康人群的认知、感知增强等。
2026-09-07 09:38
距今约5000至4000年,大麦、小麦、牛与羊等驯化动植物在亚欧大陆的东西两端双向流动,构建起史前时期一幅跨大陆农牧业交流图景。“这表明,麦作农业和技术自新月沃地传入甘肃,可能并不直接伴随着来自西方的大规模人群流入。
2026-09-07 09:29
火红的钢坯从连铸机中源源不断送出,切割枪落下,每一段坯料的目标误差控制在0.2%以内,不超过一根头发丝的直径。从人工经验到数据驱动,从单点突破到全流程协同,从单一学科到交叉融合,安徽工业大学正在为钢铁行业装上“智慧大脑”。
2026-09-07 09:25
2016年,我到法国留学攻读应用科学与技术博士学位。回国后我进入人形机器人领域,发现品牌思维已深入人心。
2026-09-07 09:24
草案不仅从法律上承认自动驾驶的合法身份,解决了“它是什么”的问题,还为其设立行为规范,发放“法律身份证”。
2026-09-04 09:17
开学后,一些孩子坐进教室才发现,黑板上的字看不清了,验光后发现近视。有些家长听说OK镜可以“晚上戴、白天摘”,还有助于延缓近视进展,准备给孩子配一副。孩子能不能佩戴OK镜?需要注意什么?
2026-09-04 09:32
据《自然》近日报道,根据9月1日联合国环境规划署(UNEP)发布的一份报告,按照当前的排放趋势,本世纪全球气温将较工业化前水平上升约1.8℃,这已是预期的最好结果。
2026-09-04 09:26
人类对寻找地外生命的执着,不仅是要证明人类并非宇宙“孤儿”,更重要的是,这可能带来能源、医学等领域的颠覆性突破。
2026-09-04 09:16
大地测量是国家安全的“隐形防线”,是航空航天和深空探测的“眼睛”,是国家基础设施建设的“尺子”和“秤”。
2026-09-04 09:17
全面了解我国管辖海域基础地质与海底构造特征,服务自然资源管理和国土空间规划“一张图”建设
2026-09-03 11:41
为更好地推动我国流感疫苗的预防接种,中国疾病预防控制中心近日发布《中国流感疫苗预防接种技术指南(2026—2027)》。
2026-09-03 11:39
高温超导带材有了更便宜、更结实的“骨架”。记者2日从中国科学院理化技术研究所获悉,该所科研团队成功研制出高温超导带材新型“骨架”——铁基合金基带(DW01)。用该基带制备的超导带材关键性能指标显著优于传统哈氏合金基带产品,标志着我国在实现高温超导带材核心材料自主可控上迈出重要一步。
2026-09-03 10:38
每天,我们的大脑都要承受成千上万条信息的狂轰滥炸。如果把这些经历和信息全盘照收,大脑很快就会像塞满垃圾文件的电脑一样“死机”。那么,大脑是如何在信息的海洋中去粗取精,只把最重要的事情存进长期记忆的硬盘呢?
2026-09-03 10:38
9月,昴星团伴月、月掩金星、中秋月、海王星冲日等天象将轮番登场。其中备受大家关注的中秋月,既不是“十五圆”,也不是“十六圆”,而是较罕见的“十七圆”。
2026-09-03 10:38
记者13日从国家管网集团获悉,国内首次成品油长输管道顺序输送甲醇现场试验在陕西省咸阳市顺利完成。这标志着我国成品油管道顺序输送甲醇技术实现从理论探索到工程验证的关键跨越,为跨区域绿色甲醇安全、高效输送提供了完整技术方案与实践示范。
2026-09-03 10:38
张国捷介绍,壁虎是研究性染色体演化得天独厚的类群。为此,研究团队选取了22种壁虎开展基因组学分析,其中20个物种的性别决定机制明确,包含3种环境依赖型、6种XY基因型、11种ZW基因型,另有两个外群物种作为对照。研究还发现,上述17个由基因型性别决定的壁虎物种拥有20条性染色体,这些染色体分别起源于17条不同的祖先染色体。
2026-09-03 10:28
开学第一天,浙江省温州市广场路小学“我的暑期科学发现”发布会现场,孩子们正轮流上场展示自己的暑期探究成果。
2026-09-02 12:09
恒星形成率降到约四成,作为重要“气罐”的中性氢却仍保有七成以上。宇宙为何“有气难成星”?
2026-09-02 12:06
9月1日,以“科技改变生活 创新赢得未来”为主题的2026年全国科普月活动全面启动。
2026-09-02 12:21
加载更多