本實(shí)用新型涉及數(shù)字波束合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

平方公里射電陣(Square Kilometre Array，SKA)是目前人類興建的最大天文觀測(cè)設(shè)備，SKA所期望探索的科學(xué)目標(biāo)對(duì)其性能指標(biāo)提出了非常苛刻的要求，這也就使得諸多前沿的射電觀測(cè)技術(shù)被應(yīng)用于SKA。中國(guó)作為SKA主要參與國(guó)，必須在SKA正式運(yùn)行之后能夠有效地處理和分析其科學(xué)數(shù)據(jù)，這一目標(biāo)離不開中國(guó)射電天文工作者對(duì)其中諸多前沿技術(shù)的深入理解，而低頻射電陣列的數(shù)字波束合成技術(shù)便是其中最為重要的技術(shù)之一。同時(shí)為了后續(xù)能夠順利的研發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，也必須對(duì)數(shù)據(jù)的獲得過程和數(shù)字波束合成的工作原理有充分深入地理解。

我國(guó)自主研發(fā)的臺(tái)址位于新疆天山的21厘米陣(21cm Array，21CMA)望遠(yuǎn)鏡是我國(guó)唯一自行研制的工作在低頻射電波段的干涉陣，也是國(guó)際上建設(shè)最早的SKA探路者項(xiàng)目。21CMA采用的是基于固定電纜長(zhǎng)度的相位調(diào)整技術(shù)完成波束合成，屬于模擬波束合成技術(shù)。目前，21CMA正在考慮由模擬波束形成向數(shù)字波束合成升級(jí)。所以我國(guó)尚無采用數(shù)字波束合成技術(shù)開展干涉觀測(cè)的先例，這一空白亟待填補(bǔ)，因此低頻射電陣列的數(shù)字波束合成系統(tǒng)的研制的必要性和迫切性十分明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，其能夠填補(bǔ)射電天文觀測(cè)數(shù)字波束合成技術(shù)的空白。

為解決上述問題，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，主要由控制中心和遠(yuǎn)程系統(tǒng)兩大部分組成。上述控制中心包括3個(gè)控制光收發(fā)器和計(jì)算機(jī)集群；其中計(jì)算機(jī)集群設(shè)有主時(shí)鐘信號(hào)輸出接口、觸發(fā)信號(hào)輸出接口和以太網(wǎng)信號(hào)輸出接口；計(jì)算機(jī)集群的主時(shí)鐘信號(hào)輸出接口連接第一控制光收發(fā)器的輸入端；計(jì)算機(jī)集群的觸發(fā)信號(hào)輸出接口連接第二控制光收發(fā)器的輸入端；計(jì)算機(jī)集群的以太網(wǎng)信號(hào)輸出接口連接第三控制光收發(fā)器的輸入端。上述遠(yuǎn)程系統(tǒng)包括N個(gè)天線單元、2個(gè)功分器、1個(gè)交換機(jī)和3個(gè)遠(yuǎn)程光收發(fā)器；每個(gè)天線單元包括1面對(duì)數(shù)周期天線和1臺(tái)主機(jī)；每臺(tái)主機(jī)均設(shè)有模擬信號(hào)輸入接口、時(shí)鐘信號(hào)輸入接口、觸發(fā)信號(hào)輸入接口和路由網(wǎng)口；每面對(duì)數(shù)周期天線的輸出端接入主機(jī)的模擬信號(hào)輸入接口；第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端連接第一控制光收發(fā)器的輸出端，第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接一個(gè)功分器即時(shí)鐘信號(hào)功分器的輸入端，該時(shí)鐘信號(hào)功分器的輸出端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)輸入接口；第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端連接第二控制光收發(fā)器的輸出端，第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接另一個(gè)功分器即觸發(fā)信號(hào)功分器的輸入端，該觸發(fā)信號(hào)功分器的輸出端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的觸發(fā)信號(hào)輸入接口；第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端連接第三控制光收發(fā)器的輸出端，第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接交換機(jī)的輸入端，該交換機(jī)的輸入端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的路由網(wǎng)口。上述N為大于1的正整數(shù)。

作為改進(jìn)，上述低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，還進(jìn)一步包括控制光纖多路復(fù)用器和遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器；控制光纖多路復(fù)用器的2個(gè)輸入端分別連接第二控制光收發(fā)器的輸出端和第三控制光收發(fā)器的輸出端；控制光纖多路復(fù)用器的輸出端與遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的輸入端連接；遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的2個(gè)輸出端分別連接第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端和第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端。

上述方案中，第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端與第一控制光收發(fā)器的輸出端之間，第二控制光收發(fā)器的輸出端與控制光纖多路復(fù)用器的一個(gè)輸入端之間，以及遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的一個(gè)輸出端與第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端之間均通過1310nm波長(zhǎng)光纖連接。第三控制光收發(fā)器的輸出端與控制光纖多路復(fù)用器的另一個(gè)輸入端之間，以及遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的另一個(gè)輸出端與第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端之間均通過1480nm波長(zhǎng)光纖或1550nm波長(zhǎng)光纖連接。

作為改進(jìn)，每個(gè)天線單元還進(jìn)一步包括1個(gè)低噪聲放大器、2個(gè)中頻放大器和1個(gè)帶通濾波器；對(duì)數(shù)周期天線的輸出端依次經(jīng)過低噪聲放大器、第一中頻放大器、帶通濾波器和第二中頻放大器后接入主機(jī)的模擬信號(hào)輸入接口。

上述方案中，計(jì)算機(jī)集群中配備有DSP和FPGA。

上述方案中，N個(gè)天線單元中的其中一個(gè)天線單元設(shè)為主天線單元，該主天線單元的主機(jī)中配備有GPU和FPGA。

上述方案中，N個(gè)對(duì)數(shù)周期天線呈規(guī)則排列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn)：

1、填補(bǔ)了我國(guó)低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)的空白，幫助相關(guān)研究人員掌握數(shù)字波束射電干涉觀測(cè)技術(shù)，其波束合成數(shù)據(jù)結(jié)果將面向SKA的數(shù)據(jù)處理程序提供重要的測(cè)試樣本；

2、采用A/D前置的分布式數(shù)字化采集的方式，直接通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，可以避免傳輸模擬信號(hào)存在的信號(hào)衰減和幅度/相位不一致的問題；

3、在遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步方面，由于控制中心與遠(yuǎn)程系統(tǒng)之間的距離千米量級(jí)，以往的本地時(shí)鐘分發(fā)方案實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步將無法使用，因此本實(shí)用新型提出使用光纖傳送時(shí)鐘信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步，使用帶寬濾波器有效抑制了光收發(fā)器的非線性效應(yīng)，為了提高遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步的精度，使用高精度的功分器進(jìn)行時(shí)鐘分發(fā)；

4、相比國(guó)內(nèi)僅有的基于固定電纜長(zhǎng)度的相位調(diào)整技術(shù)完成波束合成方法精度要高得多。

附圖說明

圖1為低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)框圖。

圖2為低頻射電陣列天線布局圖。

具體實(shí)施方式

下面通過一個(gè)具體的實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，但需要指出的是本實(shí)用新型不僅限于下述實(shí)施例。

一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，如圖1所示，其主要由控制中心和遠(yuǎn)程系統(tǒng)兩大部分組成。在本實(shí)用新型中所述控制中心與遠(yuǎn)程系統(tǒng)的實(shí)際距離為1200米左右。

上述控制中心包括1個(gè)控制光纖多路復(fù)用器、3個(gè)控制光收發(fā)器和配備有高速DSP和FPGA的計(jì)算機(jī)集群。上述控制中心包括1個(gè)控制光纖多路復(fù)用器、3個(gè)控制光收發(fā)器和計(jì)算機(jī)集群；其中計(jì)算機(jī)集群設(shè)有主時(shí)鐘信號(hào)輸出接口、觸發(fā)信號(hào)輸出接口和以太網(wǎng)信號(hào)輸出接口；計(jì)算機(jī)集群的主時(shí)鐘信號(hào)輸出接口連接第一控制光收發(fā)器的輸入端；計(jì)算機(jī)集群的觸發(fā)信號(hào)輸出接口連接第二控制光收發(fā)器的輸入端，第二控制光收發(fā)器的輸出端連接控制光纖多路復(fù)用器的一個(gè)輸入端；計(jì)算機(jī)集群的以太網(wǎng)信號(hào)輸出接口連接第三控制光收發(fā)器的輸入端，第三控制光收發(fā)器的輸出端連接控制光纖多路復(fù)用器的另一個(gè)輸入端。

控制中心的時(shí)鐘信號(hào)的頻率為400MHz，由高速DSP板卡提供?？刂浦行牡臅r(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入第一控制光收發(fā)器經(jīng)1310nm波長(zhǎng)光纖送入地下光纜傳送至遠(yuǎn)程系統(tǒng)。

控制中心的觸發(fā)信號(hào)為TTL電平信號(hào)，由TTL模塊提供。觸發(fā)信號(hào)的作用是使能A/D采樣模塊進(jìn)行采樣，高電平有效，這個(gè)觸發(fā)信號(hào)由控制中心啟動(dòng)和停止?？刂浦行牡挠|發(fā)信號(hào)進(jìn)入第二控制光收發(fā)器經(jīng)控制光纖多路復(fù)用器送入地下光纜傳送至遠(yuǎn)程系統(tǒng)。

控制中心的以太網(wǎng)信號(hào)由控制中心的交換機(jī)提供?？刂浦行牡囊蕴W(wǎng)信號(hào)進(jìn)入第三控制光收發(fā)器經(jīng)控制光纖多路復(fù)用器送入地下光纜傳送至遠(yuǎn)程系統(tǒng)。

上述遠(yuǎn)程系統(tǒng)包括19個(gè)天線單元、2個(gè)功分器、1個(gè)交換機(jī)、3個(gè)遠(yuǎn)程光收發(fā)器和1個(gè)遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器。2個(gè)功分器型號(hào)相同，為一分24路功分器即具有1路輸入接口和24路輸出接口，工作頻率范圍為250MHz-500MHz，輸入駐波比為1.09:1，所有接口的接頭形式為SMA型。每個(gè)天線單元包括1面對(duì)數(shù)周期天線、1個(gè)低噪聲放大器、2個(gè)中頻放大器、1個(gè)帶通濾波器和1臺(tái)主機(jī)；每臺(tái)主機(jī)均設(shè)有模擬信號(hào)輸入接口、時(shí)鐘信號(hào)輸入接口、觸發(fā)信號(hào)輸入接口和路由網(wǎng)口；每面對(duì)數(shù)周期天線的接收信號(hào)依次進(jìn)入低噪聲放大器、第一中頻放大器、帶通濾波器和第二中頻放大器，最后的輸出信號(hào)進(jìn)入主機(jī)的模擬信號(hào)輸入接口；第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端連接第一控制光收發(fā)器的輸出端，第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接一個(gè)功分器即時(shí)鐘信號(hào)功分器的輸入端，該時(shí)鐘信號(hào)功分器的輸出端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)輸入接口；遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的輸入端連接控制光纖多路復(fù)用器的輸出端；遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的一個(gè)輸出端連接第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端，第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接另一個(gè)功分器即觸發(fā)信號(hào)功分器的輸入端，該觸發(fā)信號(hào)功分器的輸出端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的觸發(fā)信號(hào)輸入接口；遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的另一個(gè)輸出端連接第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端，第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接交換機(jī)的輸入端，該交換機(jī)的輸入端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的路由網(wǎng)口。

每個(gè)天線單元包括1面對(duì)數(shù)周期天線、1個(gè)低噪聲放大器LNA、2個(gè)中頻放大器、1個(gè)帶通濾波器和1臺(tái)主機(jī)。每個(gè)天線單元的主機(jī)配有精度為8bits的A/D采樣模塊，采樣速率均為400Mbps，每個(gè)A/D采樣模塊有3個(gè)接口，分別是模擬信號(hào)接口、時(shí)鐘信號(hào)接口和觸發(fā)信號(hào)接口。此外，每個(gè)天線單元的主機(jī)還配備有路由網(wǎng)口。19面對(duì)數(shù)周期天線的工作頻率是50MHz-200MHz，19面對(duì)數(shù)周期天線的布局圖如圖2所示，按照正六邊形狀分布，正六邊形的邊長(zhǎng)為2.8米。每面對(duì)數(shù)周期天線的接收信號(hào)依次進(jìn)入低噪聲放大器LNA、第一中頻放大器(60dB)、帶通濾波器(50-200MHz)和第二中頻放大器(60dB)，最后的輸出信號(hào)進(jìn)入主機(jī)的A/D采樣模塊的模擬信號(hào)接口，作為A/D采樣模塊的模擬輸入信號(hào)。19個(gè)天線單元中的其中一個(gè)天線單元設(shè)為主單元，主單元的主機(jī)中配備有高速FPGA板和GPU。

在本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例中,所述低噪聲放大器LNA的指標(biāo)如下：

(1)輸入頻率：50～200MHz；

(2)噪聲系數(shù)：≤1dB；

(3)阻抗：50Ω；

(4)輸入、輸出駐波比：≤1.5:1；

(5)輸入電平：0.0132mV(RMS)；

(6)增益：80dB；

(7)增益平坦度：≤±1dB；

(8)輸出P1dB：≥10dBm。

第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器輸入端連接1310nm波長(zhǎng)光纖，該光纖承載400MHz時(shí)鐘信號(hào)即上述控制中心經(jīng)地下光纜傳送的時(shí)鐘信號(hào)。第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接1個(gè)功分器即時(shí)鐘信號(hào)功分器的輸入端，該時(shí)鐘信號(hào)功分器的輸出端選取19路，每路將輸出與輸入信號(hào)相同的400MHz時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)功分器的19路輸出端分別連接19臺(tái)主機(jī)的A/D采樣模塊的時(shí)鐘信號(hào)接口。時(shí)鐘信號(hào)功分器的目的是使得19個(gè)A/D采樣的輸入時(shí)鐘信號(hào)同步。

第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器輸入端連接1310nm波長(zhǎng)光纖，該光纖承載觸發(fā)信號(hào)即上述控制中心經(jīng)地下光纜傳送的觸發(fā)信號(hào)。第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器輸出端連接第1個(gè)功分器即觸發(fā)信號(hào)功分器的輸入端，該觸發(fā)信號(hào)功分器的輸出端選取19路，每路將輸出與輸入信號(hào)相同的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)功分器的19路輸出端分別連接19臺(tái)主機(jī)的A/D采樣模塊的觸發(fā)信號(hào)接口。觸發(fā)信號(hào)功分器的目的是使得19個(gè)A/D采樣的輸入觸發(fā)信號(hào)同步。

第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器輸入端連接1480nm波長(zhǎng)光纖或1550nm波長(zhǎng)光纖，該光纖承載以太網(wǎng)信號(hào)即上述控制中心經(jīng)地下光纜傳送的以太網(wǎng)信號(hào)。第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接遠(yuǎn)程系統(tǒng)的交換機(jī)，該交換機(jī)路由出19個(gè)以太網(wǎng)信號(hào)，使用19條網(wǎng)線將19臺(tái)主機(jī)的19個(gè)路由網(wǎng)口相連。

經(jīng)過A/D采樣后，除了主單元外，其余單元實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送至主單元，隨后進(jìn)入主單元的FPGA開發(fā)板進(jìn)行數(shù)字波束合成。

本實(shí)用新型所提出的低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，其主要由控制中心和遠(yuǎn)程系統(tǒng)組成，由控制中心傳送時(shí)鐘信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和以太網(wǎng)信號(hào)給遠(yuǎn)程系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程系統(tǒng)完成數(shù)字波束合成?？刂浦行闹饕獮檫h(yuǎn)程系統(tǒng)提供(輸送)A/D采樣模塊所需的時(shí)鐘信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)，以及為遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主機(jī)提供所需的以太網(wǎng)信號(hào)，同時(shí)控制遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步、觸發(fā)信號(hào)同步，最終共同完成數(shù)字波束合成。本實(shí)用新型采用A/D前置的分布式數(shù)字化采集的方式，避免了傳輸模擬信號(hào)存在的信號(hào)衰減和幅度/相位不一致的問題。使用光纖傳送時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步，并通過帶寬濾波器有效抑制了光收發(fā)器的非線性效應(yīng)，使用高精度的功分器進(jìn)行時(shí)鐘分發(fā)，提高了遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步的精度。