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

  • 守护黄岩岛 青春在这里像浪花一样绽放

  • 新春临近 各地文旅市场火热

独家策划

推荐阅读
近日,一个名为Moltbook的社交平台突然走红。与普通网络平台不同的是,Moltbook上的用户都是AI智能体。
2026-02-14 09:21
全球规模最大的200万吨/年柴油吸附分离装置目前在中国石油广西石化稳定运行。
2026-02-14 09:16
大连理工大学赵珺教授带领师生团队正抓紧时间,为实现可重复使用运载火箭关键部件的“复用检测”技术突破全力冲刺。
2026-02-14 09:12
一场刷新人类对宇宙极端物理过程认知的高能事件,被中国科学卫星清晰捕获并成功解读。
2026-02-14 09:11
近日,中国计量科学研究院研制的锶原子光晶格钟NIM-Sr1正式获准校准国际标准时间,实现了我国光钟参与校准国际标准时间“零”的突破。
2026-02-14 09:10
装上智能仿生手,截肢患者可以轻松拿起水杯喝水;高位截瘫患者用意念移动电脑光标,操控轮椅,指挥机器狗取外卖……
2026-02-13 09:50
凌晨2时,南昌西动车组运用一所检修库内灯光如昼。“接触网已断电,安全措施准备完毕,申请登顶!”确认许可后,国铁南昌局电务段南昌西车载设备车间工长曹准与工友一前一后登上动车组车顶,对北斗天线进行全面“体检”。
2026-02-13 09:45
近日,广西涠洲岛海域发生渔船撞击布氏鲸事件,鲸鱼受伤的画面令人揪心。虽然撞鲸的并非观鲸船,但这起事件也给正处于旺季的观鲸游敲响警钟——负责任地观鲸,有边界地亲近,人与自然和谐共生图景才能真正长久。
2026-02-13 09:43
核光钟通过真空紫外激光诱导原子核跃迁,具备更高精度与强抗干扰能力,且可实现便携化应用。但研制核光钟的道路上的一个核心瓶颈,是无法研制出能激发核跃迁的连续波激光光源。
2026-02-13 09:42
2021年,王勤团队开始研发低成本、适用于牧场环境的马匹体形自动测定设备。王勤团队搜集了全球90个马群体、近40个品种的基因组信息,构建了包含2000多个个体的参考面板——这是目前全球规模最大的马基因组参考数据库。
2026-02-13 09:36
一纸锦旗山水间,杏林春暖绿意长。
2026-02-12 11:01
金星与地球大小相近,同样诞生于太阳系内侧,却有着截然不同的命运。
2026-02-12 09:41
科技部十司相关负责同志解读《调查处理规定》。
2026-02-12 09:38
《细胞》封面:猕猴屏状核细胞分类与全脑联接图谱。在当前脑图谱大科学计划研究目标迈进绘制非人灵长类介观脑图谱的关键阶段,中国科学家仍在进一步集聚全球力量,持续扩大“朋友圈”。
2026-02-12 09:25
据悉,在战略上,植物星球计划还将整体提升全球生物多样性保护和实现碳中和的生态能力,构建植物科学领域全球大科学命题国际合作的新格局。
2026-02-12 09:17
马年将至,作为一种兼具力量与速度的动物,马正受到格外的关注。
2026-02-12 09:12
工业和信息化部等五部门近日印发《关于加强信息通信业能力建设支撑低空基础设施发展的实施意见》。加强监管能力体系建设,规划无人机专用号段,推动“一机一码一号”能力建设,探索标识解析在无人机领域的应用,形成无人机通信资源精细化管理。
2026-02-11 09:25
全球森林逐渐被快生树木主导,而稳定生态系统的慢生树种正在消失。“我们关注的是极为独特的物种,它们主要集中在生物多样性丰富、生态系统联系紧密的热带和亚热带地区。“此外,在现在和未来受到干扰的地区,非本地物种可能会加剧对光、水和养分的竞争,从而使本地树木更难生存。
2026-02-11 09:32
中国科学院动物研究所研究员王红梅带领的“灵长类胚胎发育的规律解析与体外模拟团队”,用27年的接力攻坚,把灵长类早期胚胎发育这个看不见、摸不着的“黑匣子”,变成了清晰可见的“生命剧本”。
2026-02-11 09:32
截至1月28日,“横竖都是世界第一”的贵州花江峡谷大桥累计接待游客突破130万人次,通行车辆超20万辆次,持续为区域发展注入新动能。大桥带来的发展溢出效应令人瞩目,而深入大桥肌理探查,你会发现,支撑起这座庞然大物的每根细钢丝,全部都是“中国造”。
2026-02-11 09:31
加载更多