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自上世紀(jì)50年代起，射電觀測(cè)技術(shù)在天文和空間科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。我們熟知的空間科學(xué)工程項(xiàng)目：如登月艙著陸、火星探測(cè)，射電望遠(yuǎn)鏡作為深空測(cè)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(yuǎn)鏡及陣列聯(lián)合通過(guò)“甚長(zhǎng)基線干涉(VLBI)”技術(shù)對(duì)M87星系中的特大質(zhì)量黑洞進(jìn)行了射電成像。

對(duì)于離我們最近的恒星—太陽(yáng)，太陽(yáng)物理學(xué)家已經(jīng)從多個(gè)波段(近紅外、光學(xué)、紫外)進(jìn)行了觀測(cè)研究。就像醫(yī)學(xué)上的CT成像，不同波長(zhǎng)的觀測(cè)對(duì)應(yīng)太陽(yáng)結(jié)構(gòu)的不同深度，射電波段，尤其是厘米-分米波段的觀測(cè)能夠讓我們了解太陽(yáng)日冕的豐富信息。

射電望遠(yuǎn)鏡需要對(duì)接收到的太陽(yáng)射電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速處理，產(chǎn)生用于科學(xué)研究的有效數(shù)據(jù)(頻譜、圖像等)。這要求射電望遠(yuǎn)鏡的后端數(shù)字信號(hào)處理(digital signalprocessing:DSP)單元具備相當(dāng)?shù)摹凹∪忪`活性”。

圖1. DSP的“齒輪”驅(qū)動(dòng)作用（圖源：作者）

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

這些相關(guān)信號(hào)由外側(cè)膝狀體(lateral geniculate nucleus: LGN)提供。它們進(jìn)行一系列模擬計(jì)算：包括時(shí)間上的相關(guān)/解釋以及空間上的相關(guān)。由此產(chǎn)生的輸出到大腦視覺皮層進(jìn)行下一步處理，以實(shí)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(duì)太陽(yáng)進(jìn)行綜合孔徑干涉成像觀測(cè)的過(guò)程中，數(shù)字相關(guān)器(digitalcorrelator)起到的作用和人眼成像中的LGN類似。在太陽(yáng)射電信號(hào)被兩個(gè)天線接收到后，經(jīng)過(guò)模擬和數(shù)字濾波器組分離出需要觀測(cè)的窄帶信號(hào)，這兩路窄帶信號(hào)具有一定相關(guān)性。數(shù)字相關(guān)器對(duì)這種相關(guān)性進(jìn)行測(cè)量，得到所謂的“可見度函數(shù)”。

圖3. 數(shù)字相關(guān)器的組成（圖源：作者）

那么數(shù)字相關(guān)器的工作原理是什么呢？數(shù)字相關(guān)器在空間頻率域上計(jì)算任意兩路信號(hào)之間的互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果，其形式是一個(gè)復(fù)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(huì)在可見度函數(shù)的相位上產(chǎn)生相應(yīng)變化。

數(shù)字相關(guān)器能夠得到天線陣列中每?jī)蓚€(gè)天線接收之間的互相關(guān)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(guò)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(yáng)的射電圖像。

圖4.兩路射電信號(hào)之間相關(guān)測(cè)量輸出（圖源：作者）

太陽(yáng)射電成像的最終目標(biāo)是在多個(gè)頻率上合成太陽(yáng)射電圖像，我們首先把整個(gè)觀測(cè)頻率波段分成一系列的頻率平面“切片層”，在數(shù)字信號(hào)處理中稱為“頻譜通道化”，一般用多相濾波器組或多相FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)頻率通道輸出代表所要觀測(cè)的頻率信號(hào)。在每個(gè)頻率“切片層”上對(duì)所有天線的信號(hào)進(jìn)行量化和互相關(guān)運(yùn)算，就得到不同頻率的互相關(guān)輸出。

圖5. 多頻率下的互相關(guān)運(yùn)算單元“矩陣”（圖源：作者）

數(shù)字相關(guān)器在每個(gè)頻率“平面”上的計(jì)算輸出類似一個(gè)相關(guān)矩陣。早期的數(shù)字相關(guān)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(guān)，模擬通道信號(hào)被數(shù)字采集后，在相關(guān)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(gè)bit位來(lái)編碼，以降低后續(xù)相關(guān)運(yùn)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(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片的出現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理和運(yùn)算能力有了飛躍式提升，頻譜通道化在數(shù)字信號(hào)處理單元中實(shí)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(guān)運(yùn)算也不斷提升精度，2-bit相關(guān)、4-bit相關(guān)等。如果將頻譜信號(hào)傳輸?shù)紾PU中做后續(xù)處理，還可以實(shí)現(xiàn)更高精度的相關(guān)運(yùn)算。

太陽(yáng)射電觀測(cè)的特點(diǎn)是：信號(hào)變化范圍大(從寧?kù)o到爆發(fā)的射電流量可增長(zhǎng)數(shù)千倍到上萬(wàn)倍)、變化快(毫秒級(jí))。這要求射電望遠(yuǎn)鏡后端的信號(hào)處理系統(tǒng)有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，并能夠?qū)崟r(shí)處理動(dòng)態(tài)信號(hào)變化。數(shù)字相關(guān)器作為信號(hào)處理系統(tǒng)的核心部分，不僅實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)射電信號(hào)從模擬域到數(shù)字域的轉(zhuǎn)化，還使快速射電成像從可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

作者簡(jiǎn)介：劉飛，國(guó)家天文臺(tái)明安圖觀測(cè)基地高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樯潆娞煳腄SP后端方法和技術(shù)。

文稿編輯：趙宇豪