[发明专利]一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法

说明书

本发明提供一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法，包括共享信号处理模块用于提供各个天线的子带输出信号；相关处理模块用于对各个天线的子带输出信号进行相关运算，得到相关结果数据；波束合成模块用于对各个天线的子带输出信号进行波束合成处理形成波束；共享信号处理模块包括：模数转换模块用于将模拟宽带信号转换为数字宽带信号；延时补偿模块用于进行延时补偿；通道化处理模块用于得到数字窄带信号；相位补偿模块用于进行相位补偿；频率选择模块用于从数字窄带信号中选取不同频率的子带输出信号。本发明能以多波束合成和综合孔径相关两种模式同时对射电源进行观测，降低了接收机的数据处理硬件需求，同时提高了射电望远镜阵列的性能。

技术领域

本发明涉及射电观测技术领域，具体涉及一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法。

背景技术

甚低频频段(30MHz)作为最后几个未被观测的频谱窗口之一，潜在的科学发现使它成为目前射电天文学研究的热点。然而，在低于30MHz的频段，大量人为的强射电干扰严重限制了人们对宇宙射电辐射的观测，并且地球电离层的反射和吸收作用更使得基于地基射电望远镜对低于10MHZ的宇宙射电辐射进行观测十分困难。但幸运的是，新的太阳物理研究表明，太阳活动在当前的11年周期内为一极小期，并将在2020年左右达到谷底，受太阳活动影响地球电离层的截止频率会降到几MHz甚至更低，这就使利用地基射电望远镜对10MHz以下的宇宙信号进行观测成为可能。

为了利用地基射电望远镜对10MHz以下的宇宙信号进行观测，需要将天线接收的信号经过低噪声放大器放大后利用光电转换器转换为光信号，再通过太阳射电阵列富余的光纤将光信号传输到观测室内，最后利用电光转换器将光信号转变为电信号，进入数字接收机中进行信号的采样和处理。在整个系统中，数字接收机是其中的关键，直接决定了系统的观测能力和性能。

目前，地面上工作频段与甚低频频段接近的地基射电望远镜只有美国的Long-Wavelength Array(LWA)，工作在10-88MHz；荷兰的Low Frequency Array(LOFAR)，工作在10-90MHz，它们的数字接收机基本上代表了目前低频射电望远镜接收机的世界水平。

其中，根据图1所示的美国LWA的数字接收机的模块结构图，可以看出，美国LWA的数字接收机主要实现两部分功能。一部分是进行两个频率四个波束方向的波束合成，另一部分是进行整个阵列所有天线的宽带短时间的数据缓存，或是进行窄带长时间的数据缓存。在波束合成过程中，信号的选频是通过数字下变频实现的，合成后的信号再通过离散傅里叶变换进一步窄带化。在数据缓存过程中，宽带信号缓存是将全频带的信号同时进行缓存，但只能一次缓存61ms的数据，需要5分钟时间来写数据；窄带信号缓存是通过数字下变频进行窄带选频，可以对信号进行连续缓存。但是，阵列的成像是后续通过软件对所有天线缓存的观测数据进行相关和综合孔径处理来实现的。

根据图2所示的荷兰LOFAR的数字接收机的模块结构图，可以看出，荷兰LOFAR的数字接收机是分布式的，每个阵列子阵有对应的数字接收机，对子阵内所有天线接收的信号进行数字化采样，并进行数字波束合成处理；同时，对可能的瞬态事件在触发条件下进行数据缓存。然后，所有子阵的数据被传输到位于数据处理中心的中央超级计算机由软件做进一步的处理，包括整个阵列信号的延迟补偿、信号的窄带化、中心基站的波束合成、各子阵数据之间的相关等。

但是，上述两种数字接收机至少存在如下技术缺陷：

对于射电望远镜阵列来说，通常采用两种方式进行成像，一种是多波束合成的方式，另一种是综合孔径相关的方式。采用多波束合成的方式可以对一些强快变射电源的快速成像，适用于空间分辨率要求不高的情况，例如对太阳的甚低频射电爆发的观测；采用综合孔径相关的方式可以对所有射电源进行成像。但是，美国LWA和荷兰LOFAR的数字接收机主要完成对天线接收到的模拟信号的数字化以及数字波束合成，并不进行信号的相关和综合孔径成像处理，信号的相关和综合孔径成像处理主要是通过后续的软件来实现的。也就是说，在现有的数字接收机中，多波束合成模式和综合孔径相关模式并不能同时工作，不能同时对射电源进行成像。