低频射电望远镜阵列数字波束合成系统关键技术研究

The low-frequency radio telescope array features broadband, large field of view, high sensitivity, high resolution and high dynamics to enable it to detect unprecedented unknown territories and allow astronomers to develop more ambitious scientific goals. However, the scientific objectives that the telescope array is expected to explore are very demanding on its performance indicators, especially in the aspect of signal preprocessing, requiring a large array of scale and flexible digital multi-beam support, which also makes many frontier radio observation techniques are applied to the telescope array. Based on the 21CMA telescope in Xinjiang, this paper designs a field data acquisition system with remote clock synchronization and triggering synchronization to complete the real-time acquisition of low frequency array signal data. At the same time, a FPGA based multi-phase FFT filter set of channelized digital beam synthesis system will be realized. The system will have any beam toward flexible adjustable, beam sidelobe adjustable and spectrum analysis function. In addition, a real-time digital array calibration scheme is presented to improve the beam pointing accuracy. The operation of this system will not only help the relevant researchers to master the digital beam radio interference observation technology, but also be the key basic work for our scientists to carry out SKA telescope scientific research. Thus, Carrying out the relevant research is urgent and important.

低频射电望远镜阵列具备宽带、大视场、高灵敏度、高分辨率和高动态等特性，使其能够探测前所未有的未知领域，让天文学家研究出更宏伟的科学目标。然而，该望远镜阵列所期望探索的科学目标对其性能指标提出了非常苛刻的要求，尤其在信号预处理方面，需要有巨大的阵列规模和灵活的数字多波束支持，这也使得诸多前沿的射电观测技术被应用于该望远镜阵列。本研究拟以新疆21CMA望远镜为基础，设计具备远程时钟同步、触发同步的野外数据采集系统，完成低频阵列信号数据的实时采集；同时实现一套基于FPGA的多相FFT滤波器组信道化的数字波束合成系统，该系统将具备任意波束指向灵活可调、波束旁瓣可调和频谱分析功能，此外提出了一种实时数字阵列校准方案，提高波束指向精度。这一系统的运行将帮助相关研究人员掌握数字波束射电干涉观测技术，是我国科学家开展SKA望远镜科学研究的关键基础性工作，当前开展研究迫切且重要。

低频射电望远镜阵列是开展宇宙再电离等前沿科学的重要观测设备，该设备是否能够发挥其优越性取决于数字波束合成系统的性能。本课题以新疆21CMA望远镜为基础，研究低频阵列信号采集和实时数字阵列校准方法，实现一套基于FPGA的多相FFT滤波器组（PFFB）信道化的数字波束合成系统。在低频阵列信号采集方面，首先完成了2个野外台站的部署与安装，搭建完成了2个小规模的异构并行计算集群，用于控制阵列信号的采集和回传。其次，完成了2个台站模拟系统搭建，每个台站共有127面天线；具体的，每面天线输入信号先接入低噪声放大器，然后接入带通滤波器，最后使用光纤接入16块FPGA板卡的模拟信号输入端口。FPGA板卡用于完成信号采集和波束合成，每块FPGA配置4块ADC芯片，每块ADC有2个通道，每块板卡共计采集8个通道。最后，采用光纤时钟分发系统和光纤分发触发信号实现了台站各个ADC信号采集的同步。时钟分发系统是利用PLL倍频和分发器获得127路相同频率的时钟信号，并经过光纤传输到野外机房，作为ADC的时钟信号。利用光纤分发过来的127路同步触发信号同时触发ADC进行数据采集。使用Matlab的simulation设计了PFFB并烧写进每个FPGA板卡，完成了每路采集信号的信道划分，每个通道带宽是1MHz，并输出150个窄带信号。在阵列校准方面，主要是通过计算出127面天线的相位因子来完成闭环相位的校准，选取其中1个天线为参考天线，经过相位因子公式算出其余天线的相位因子；然后将相位因子乘以127面天线的窄带信号，再进行叠加合成波束。最终利用2个野外台站对北天极顺利完成了波束合成观测，经过处理的观测数据成功获得了北天极5度范围天区的成图结果。本课题的技术积累将为我国将来参加平方公里阵射电望远镜中的低频阵列数字波束合成技术研究提供宝贵经验。