射电天文综合孔径阵列望远镜光子学成像方法

Synthetic aperture array telescopes being used and under construction in radio astronomy use the traditional imaging method to process electrical signals which is received from each radio telescope of synthetic aperture array. The received signals are processed by complex cross-correlation and discrete fast Fourier transformation, and reconstructing image of observed celestial objects at last. The traditional method has disadvantages such as insufficient detection sensitivity, strict requirements of radio environment (i.e. no or little electromagnetic interference), complex architectures of the system and no real-time imaging etc. . This proposal presents a photonic imaging method which will be used for signal processing of imaging for synthetic aperture array in radio astronomy. The method can convert the broadband radio signal which is from each antenna in the synthetic aperture array up to optical frequency by photonic receiver, and then through operation of optical coherence to realize imaging. The new photonic imaging techniques can not only enhance the detecting sensitivity of the radio synthetic aperture array imaging, improve the ability of anti-electromagnetic interference, and also simplify the architecture, lower the building costs of the system, as well as realize real time imaging. This proposal will study theories and technical methods, including photonic receiver of radio for radio to optical, phase measurement and correction at real time, and radio astronomy synthetic aperture real time coherent imaging theory etc. The aim of this proposal is to provide solid theoretical and technical bases for enhancing the detecting sensitivity and imaging quality of synthetic aperture array telescopes in radio astronomy.

目前国际上正在使用和正在建设的射电天文综合孔径阵列望远镜都是采用传统的成像方法，即将综合孔径阵列中各天线输出的电信号经两两复互相关运算，再经离散快速Fourier 变换后重构出目标的图像。这种传统的方法存在着探测灵敏度不足够高、难以实时成像、对电磁环境要求高、系统结构复杂等不足。本项目提出射电天文综合孔径望远镜光子学成像方法，即将综合孔径阵列中各天线输出的电信号调制到光波上，再经光学相关处理技术实现成像。这样的光子学成像技术不仅可以提高射电综合孔径阵列的探测灵敏度和抗电磁干扰能力，而且可以使得系统具有结构简单和实时成像等优点。本项目期望对射电天文信号的射电光子接收机理论和技术方法、射电综合孔径的光子学相位实时测量与校正的理论和方法、射电信号光子学实时相干成像理论等内容的研究，为显著提高传统射电综合孔径阵列的探测灵敏度和成像质量奠定坚实的理论与技术基础。

近年来，望远镜和空间探测所需的天文新技术方法不断涌现，Astrophotonics是近年来出现的比较重要的一个新概念，属于天文学和光子学技术的交叉科学领域，利用光子学技术解决现有天文观测技术中存在问题和不足，提高观测系统性能，受到重点关注和深入研究，成为未来天文新技术方法的一个重要研究方向。. 本项目主要研究内容和成果包括：（1）从理论上论证了射电综合孔径阵列光子学相干成像过程和方法，整个信息传递过程中射电信号的存在形式，研究与射电综合孔径阵列相对应的光纤缩比阵列的空间相干成像，并开展初步实验研究。本研究工作为射电综合孔径阵列光子学相干成像技术提供重要的理论支撑。（2）依据uv平面最均匀采样和最小冗余度的原则确定目标函数、对圆形和Y形等不同的结构采用模拟退火算法来实现天线阵的优化布局。优良的天线阵布局不仅可使用空间频域的采样得到均匀覆盖，而且可使射电天线数目最小化，从而使系统在使用最少射电天线及射电光子接收机的基础上实现最佳成像质量。（3）针对射电光子接收机要求，利用已有的Astrophotonics技术和微波光子学技术的研究成果，设计并制作了一款能够接收W波段信号的射电光子接收机集成模块，目前国内尚未见到相关报道。研究w波段光子接收机制作和工艺取得的成果可为国内高速LN-EOM提供设计和工艺方面的技术支撑。（4）在本项目研究过程中，提出一种全新的冗余基线校正和载波干涉校正相结合的复合相位校正方法来进行相位误差控制，建立了该校正方法的理论模型，并搭建实验系统进行了验证，结果表明光纤引入的随机相位抖动可以被有效的控制，为相干成像提供有利的技术保障。同时，该技术也可以用于各种光纤相干系统中。. 通过本项目的研究，为未来射电综合孔径望远镜光子学成像技术奠定了理论和关键技术基础。