自上世紀50年代起，射電觀測技術在天文和空間科學領域得到了廣泛的應用。我們熟知的空間科學工程項目：如登月艙著陸、火星探測，射電望遠鏡作為深空測控的“鷹眼”，在其中發(fā)揮了重要作用；而像在“黑洞成像”這一歷史性的事件中，世界各地的大型射電望遠鏡及陣列聯(lián)合通過“甚長基線干涉(VLBI)”技術對M87星系中的特大質(zhì)量黑洞進行了射電成像。

對于離我們最近的恒星—太陽，太陽物理學家已經(jīng)從多個波段(近紅外、光學、紫外)進行了觀測研究。就像醫(yī)學上的CT成像，不同波長的觀測對應太陽結構的不同深度，射電波段，尤其是厘米-分米波段的觀測能夠讓我們了解太陽日冕的豐富信息。

射電望遠鏡需要對接收到的太陽射電信號進行實時快速處理，產(chǎn)生用于科學研究的有效數(shù)據(jù)(頻譜、圖像等)。這要求射電望遠鏡的后端數(shù)字信號處理(digital signalprocessing:DSP)單元具備相當?shù)摹凹∪忪`活性”。

圖1. DSP的“齒輪”驅動作用（圖源：作者）

要對太陽進行射電成像觀測，最常用的技術是綜合孔徑干涉成像。通常一個基于綜合孔徑干涉成像的射電望遠鏡組成的觀測陣列包括：天線前端、信號傳輸線、模擬信號接收單元、數(shù)字相關器和圖像合成處理單元。射電觀測成像其實和人眼成像的原理類似，大腦視覺皮層在對物體成像前，首先要獲得物體在時間和空間上的一系列相關信號。

這些相關信號由外側膝狀體(lateral geniculate nucleus: LGN)提供。它們進行一系列模擬計算：包括時間上的相關/解釋以及空間上的相關。由此產(chǎn)生的輸出到大腦視覺皮層進行下一步處理，以實現(xiàn)物體空間的三維表示。

圖2. 射電陣列成像和人眼視覺成像類比（圖源：作者）

在對太陽進行綜合孔徑干涉成像觀測的過程中，數(shù)字相關器(digitalcorrelator)起到的作用和人眼成像中的LGN類似。在太陽射電信號被兩個天線接收到后，經(jīng)過模擬和數(shù)字濾波器組分離出需要觀測的窄帶信號，這兩路窄帶信號具有一定相關性。數(shù)字相關器對這種相關性進行測量，得到所謂的“可見度函數(shù)”。

圖3. 數(shù)字相關器的組成（圖源：作者）

那么數(shù)字相關器的工作原理是什么呢？數(shù)字相關器在空間頻率域上計算任意兩路信號之間的互相關運算結果，其形式是一個復數(shù)。其中相位部分包含了可見度函數(shù)的相位，偏離圖像中心(相位中心)的變化源會在可見度函數(shù)的相位上產(chǎn)生相應變化。

數(shù)字相關器能夠得到天線陣列中每兩個天線接收之間的互相關輸出，從而得到可見度函數(shù)在空間頻率域的分布。這種分布通過后端圖像合成處理單元做Fourier變換和“去卷積”處理后便能得到太陽的射電圖像。

圖4.兩路射電信號之間相關測量輸出（圖源：作者）

太陽射電成像的最終目標是在多個頻率上合成太陽射電圖像，我們首先把整個觀測頻率波段分成一系列的頻率平面“切片層”，在數(shù)字信號處理中稱為“頻譜通道化”，一般用多相濾波器組或多相FFT來實現(xiàn)。每個頻率通道輸出代表所要觀測的頻率信號。在每個頻率“切片層”上對所有天線的信號進行量化和互相關運算，就得到不同頻率的互相關輸出。

圖5. 多頻率下的互相關運算單元“矩陣”（圖源：作者）

數(shù)字相關器在每個頻率“平面”上的計算輸出類似一個相關矩陣。早期的數(shù)字相關器由于數(shù)字電路的性能所限，多采用模擬濾波器組和1-bit相關，模擬通道信號被數(shù)字采集后，在相關之前先被量化成“-1”或“+1”2種狀態(tài)，這2種狀態(tài)可以用1個bit位來編碼，以降低后續(xù)相關運算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Α?/p>

隨著大規(guī)模數(shù)字集成電路的發(fā)展，尤其是高性能現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片的出現(xiàn)，數(shù)字信號處理和運算能力有了飛躍式提升，頻譜通道化在數(shù)字信號處理單元中實現(xiàn)，與模擬濾波器組相比，更加穩(wěn)定，性能精度也更好。后續(xù)的相關運算也不斷提升精度，2-bit相關、4-bit相關等。如果將頻譜信號傳輸?shù)紾PU中做后續(xù)處理，還可以實現(xiàn)更高精度的相關運算。

太陽射電觀測的特點是：信號變化范圍大(從寧靜到爆發(fā)的射電流量可增長數(shù)千倍到上萬倍)、變化快(毫秒級)。這要求射電望遠鏡后端的信號處理系統(tǒng)有足夠的動態(tài)范圍，并能夠實時處理動態(tài)信號變化。數(shù)字相關器作為信號處理系統(tǒng)的核心部分，不僅實現(xiàn)了太陽射電信號從模擬域到數(shù)字域的轉化，還使快速射電成像從可能變?yōu)楝F(xiàn)實。

輪值主編：譚寶林

責編：袁鳳芳

編輯：趙宇豪、柒柒