CN106299702A - 一种低频射电阵列数字波束合成系统及方法 - Google Patents

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CN106299702A CN201610825581.1A CN201610825581A CN106299702A CN 106299702 A CN106299702 A CN 106299702A CN 201610825581 A CN201610825581 A CN 201610825581A CN 106299702 A CN106299702 A CN 106299702A
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Abstract

本发明公开一种低频射电阵列数字波束合成系统及方法，其主要由控制中心和远程系统组成。由控制中心传送时钟信号、触发信号和以太网信号给远程系统完成数据采集。远程系统完成数字波束合成，并在数字波束合成合成中，使用FIR滤波器加FFT信道划分及数字移相方法和分布式叠加方法。本发明能够够避免传输模拟信号存在的信号衰减和幅度/相位不一致的问题，同时能够大大提高了波束合成的计算速度和精度，能够灵活并精确的控制波束指向。

Description

一种低频射电阵列数字波束合成系统及方法
技术领域
本发明涉及数字波束合成技术领域，具体涉及一种低频射电阵列数字波束合成系统及方法。
背景技术
平方公里射电阵(Square Kilometre Array，SKA)是目前人类兴建的最大天文观测设备，SKA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，这也就使得诸多前沿的射电观测技术被应用于SKA。中国作为SKA主要参与国，必须在SKA正式运行之后能够有效地处理和分析其科学数据，这一目标离不开中国射电天文工作者对其中诸多前沿技术的深入理解，而低频射电阵列的数字波束合成技术便是其中最为重要的技术之一。同时为了后续能够顺利的研发出相应的数据处理软件，也必须对数据的获得过程和数字波束合成的工作原理有充分深入地理解。
我国自主研发的台址位于新疆天山的21厘米阵(21cm Array，21CMA)望远镜是我国唯一自行研制的工作在低频射电波段的干涉阵，也是国际上建设最早的SKA探路者项目。21CMA采用的是基于固定电缆长度的相位调整技术完成波束合成，属于模拟波束合成技术。目前，21CMA正在考虑由模拟波束形成向数字波束合成升级。所以我国尚无采用数字波束合成技术开展干涉观测的先例，这一空白亟待填补，因此低频射电阵列的数字波束合成系统的研制的必要性和迫切性十分明显。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低频射电阵列数字波束合成系统，其能够填补射电天文观测数字波束合成技术的空白。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低频射电阵列数字波束合成系统，主要由控制中心和远程系统两大部分组成。上述控制中心包括3个控制光收发器和计算机集群；其中计算机集群设有主时钟信号输出接口、触发信号输出接口和以太网信号输出接口；计算机集群的主时钟信号输出接口连接第一控制光收发器的输入端；计算机集群的触发信号输出接口连接第二控制光收发器的输入端；计算机集群的以太网信号输出接口连接第三控制光收发器的输入端。上述远程系统包括N个天线单元、2个功分器、1个交换机和3个远程光收发器；每个天线单元包括1面对数周期天线和1台主机；每台主机均设有模拟信号输入接口、时钟信号输入接口、触发信号输入接口和路由网口；每面对数周期天线的输出端接入主机的模拟信号输入接口；第一远程光收发器的输入端连接第一控制光收发器的输出端，第一远程光收发器的输出端连接一个功分器即时钟信号功分器的输入端，该时钟信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的时钟信号输入接口；第二远程光收发器的输入端连接第二控制光收发器的输出端，第二远程光收发器的输出端连接另一个功分器即触发信号功分器的输入端，该触发信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的触发信号输入接口；第三远程光收发器的输入端连接第三控制光收发器的输出端，第三远程光收发器的输出端连接交换机的输入端，该交换机的输入端的N路输出端分别连接N个主机的路由网口。上述N为大于1的正整数。
作为改进，上述低频射电阵列数字波束合成系统，还进一步包括控制光纤多路复用器和远程光纤多路复用器；控制光纤多路复用器的2个输入端分别连接第二控制光收发器的输出端和第三控制光收发器的输出端；控制光纤多路复用器的输出端与远程光纤多路复用器的输入端连接；远程光纤多路复用器的2个输出端分别连接第二远程光收发器的输入端和第三远程光收发器的输入端。
上述方案中，第一远程光收发器的输入端与第一控制光收发器的输出端之间，第二控制光收发器的输出端与控制光纤多路复用器的一个输入端之间，以及远程光纤多路复用器的一个输出端与第二远程光收发器的输入端之间均通过1310nm波长光纤连接。第三控制光收发器的输出端与控制光纤多路复用器的另一个输入端之间，以及远程光纤多路复用器的另一个输出端与第三远程光收发器的输入端之间均通过1480nm波长光纤或1550nm波长光纤连接。
作为改进，每个天线单元还进一步包括1个低噪声放大器、2个中频放大器和1个带通滤波器；对数周期天线的输出端依次经过低噪声放大器、第一中频放大器、带通滤波器和第二中频放大器后接入主机的模拟信号输入接口。
上述方案中，计算机集群中配备有DSP和FPGA。
上述方案中，N个天线单元中的其中一个天线单元设为主天线单元，该主天线单元的主机中配备有GPU和FPGA。
上述方案中，N个对数周期天线呈规则排列。
上述数字波束合成系统所实现的的一种低频射电阵列数字波束合成方法，包括步骤如下：
步骤1、控制中心主要为远程系统的各个天线单元提供A/D采样所需的时钟信号和触发信号，以及以太网信号；同时控制远程系统实现时钟同步和触发信号同步；
步骤2、远程系统的主天线单元将每个天线单元所采集的数字信号使用FIR滤波器加FFT变换进行信号信道化分即多相滤波器组信道化，每个天线单元得到M个信道的窄带信号；
步骤3、远程系统的主天线单元对每个天线单元在M个信道下的窄带信号进行相位补偿；
步骤3.1、在每个天线单元附近发射一个波束作为参考信号；
步骤3.2、将每个天线单元的M个信道的窄带信号分别与这个参考信号作互相关，分别求解出它们与参考信号中间的相位差Δφ；
步骤3.3、将每个天线单元的M个信道的窄带信号分别作快速傅里叶变换；
步骤3.4、将步骤3.3所得到的快速傅里叶变换结果分别与步骤3.2中求解出的对应的相位因子ejΔφ相乘，得到每个天线单元在M个信道下的补偿窄带信号；
步骤4、在相同信道下，远程系统的主天线单元将所有天线单元的补偿窄带信号分别进行叠加，得到M个信道下的波束方向图，由此完成数字波束合成；
上述M为大于1的正整数。
上述步骤3.3中，快速傅里叶变换是在远程系统的主天线单元中，基于GPU并行实现的。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、填补了我国低频射电阵列数字波束合成系统的空白，帮助相关研究人员掌握数字波束射电干涉观测技术，其波束合成数据结果将面向SKA的数据处理程序提供重要的测试样本；
2、采用A/D前置的分布式数字化采集的方式，直接通过远程系统将接收信号转换成数字信号，可以避免传输模拟信号存在的信号衰减和幅度/相位不一致的问题；
3、在远程时钟同步方面，由于控制中心与远程系统之间的距离千米量级，以往的本地时钟分发方案实现时钟同步将无法使用，因此本发明提出使用光纤传送时钟信号，为了实现远程时钟同步，使用带宽滤波器有效抑制了光收发器的非线性效应，为了提高远程时钟同步的精度，使用高精度的功分器进行时钟分发；
4、提出了一种新的数字波束合成方法，使用FIR滤波器加FFT信道划分及数字移相技术，大大提高了波束合成的计算速度和精度，能够灵活并精确的控制波束指向；
5、本发明的数字波束合成采用分布式叠加方法，可拓展性良好，比较适合于大规模天线阵列的数字波束合成，能够应用于平方公里阵SKA这种规模的低频射电阵列中；
6、相比国内仅有的基于固定电缆长度的相位调整技术完成波束合成方法精度要高得多。
附图说明
图1为低频射电阵列数字波束合成系统框图。
图2为低频射电阵列天线布局图。
图3为低频射电阵列数字波束合成方法流程图。
图4为多相滤波器组信道化数学模型。
具体实施方式
下面通过一个具体的实例对本发明进行进一步详细说明，但需要指出的是本发明不仅限于下述实施例。
一种低频射电阵列数字波束合成系统，如图1所示，其主要由控制中心和远程系统两大部分组成。在本发明中所述控制中心与远程系统的实际距离为1200米左右。
上述控制中心包括1个控制光纤多路复用器、3个控制光收发器和配备有高速DSP和FPGA的计算机集群。上述控制中心包括1个控制光纤多路复用器、3个控制光收发器和计算机集群；其中计算机集群设有主时钟信号输出接口、触发信号输出接口和以太网信号输出接口；计算机集群的主时钟信号输出接口连接第一控制光收发器的输入端；计算机集群的触发信号输出接口连接第二控制光收发器的输入端，第二控制光收发器的输出端连接控制光纤多路复用器的一个输入端；计算机集群的以太网信号输出接口连接第三控制光收发器的输入端，第三控制光收发器的输出端连接控制光纤多路复用器的另一个输入端。
控制中心的时钟信号的频率为400MHz，由高速DSP板卡提供。控制中心的时钟信号进入第一控制光收发器经1310nm波长光纤送入地下光缆传送至远程系统。
控制中心的触发信号为TTL电平信号，由TTL模块提供。触发信号的作用是使能A/D采样模块进行采样，高电平有效，这个触发信号由控制中心启动和停止。控制中心的触发信号进入第二控制光收发器经控制光纤多路复用器送入地下光缆传送至远程系统。
控制中心的以太网信号由控制中心的交换机提供。控制中心的以太网信号进入第三控制光收发器经控制光纤多路复用器送入地下光缆传送至远程系统。
上述远程系统包括19个天线单元、2个功分器、1个交换机、3个远程光收发器和1个远程光纤多路复用器。2个功分器型号相同，为一分24路功分器即具有1路输入接口和24路输出接口，工作频率范围为250MHz-500MHz，输入驻波比为1.09:1，所有接口的接头形式为SMA型。每个天线单元包括1面对数周期天线、1个低噪声放大器、2个中频放大器、1个带通滤波器和1台主机；每台主机均设有模拟信号输入接口、时钟信号输入接口、触发信号输入接口和路由网口；每面对数周期天线的接收信号依次进入低噪声放大器、第一中频放大器、带通滤波器和第二中频放大器，最后的输出信号进入主机的模拟信号输入接口；第一远程光收发器的输入端连接第一控制光收发器的输出端，第一远程光收发器的输出端连接一个功分器即时钟信号功分器的输入端，该时钟信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的时钟信号输入接口；远程光纤多路复用器的输入端连接控制光纤多路复用器的输出端；远程光纤多路复用器的一个输出端连接第二远程光收发器的输入端，第二远程光收发器的输出端连接另一个功分器即触发信号功分器的输入端，该触发信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的触发信号输入接口；远程光纤多路复用器的另一个输出端连接第三远程光收发器的输入端，第三远程光收发器的输出端连接交换机的输入端，该交换机的输入端的N路输出端分别连接N个主机的路由网口。
每个天线单元包括1面对数周期天线、1个低噪声放大器LNA、2个中频放大器、1个带通滤波器和1台主机。每个天线单元的主机配有精度为8bits的A/D采样模块，采样速率均为400Mbps，每个A/D采样模块有3个接口，分别是模拟信号接口、时钟信号接口和触发信号接口。此外，每个天线单元的主机还配备有路由网口。19面对数周期天线的工作频率是50MHz-200MHz，19面对数周期天线的布局图如图2所示，按照正六边形状分布，正六边形的边长为2.8米。每面对数周期天线的接收信号依次进入低噪声放大器LNA、第一中频放大器(60dB)、带通滤波器(50-200MHz)和第二中频放大器(60dB)，最后的输出信号进入主机的A/D采样模块的模拟信号接口，作为A/D采样模块的模拟输入信号。19个天线单元中的其中一个天线单元设为主单元，主单元的主机中配备有高速FPGA板和GPU。
在本发明优选实施例中,所述低噪声放大器LNA的指标如下：
(1)输入频率：50～200MHz；
(2)噪声系数：≤1dB；
(3)阻抗：50Ω；
(4)输入、输出驻波比：≤1.5:1；
(5)输入电平：0.0132mV(RMS)；
(6)增益：80dB；
(7)增益平坦度：≤±1dB；
(8)输出P1dB：≥10dBm。
第一远程光收发器输入端连接1310nm波长光纤，该光纤承载400MHz时钟信号即上述控制中心经地下光缆传送的时钟信号。第一远程光收发器的输出端连接1个功分器即时钟信号功分器的输入端，该时钟信号功分器的输出端选取19路，每路将输出与输入信号相同的400MHz时钟信号，时钟信号功分器的19路输出端分别连接19台主机的A/D采样模块的时钟信号接口。时钟信号功分器的目的是使得19个A/D采样的输入时钟信号同步。
第二远程光收发器输入端连接1310nm波长光纤，该光纤承载触发信号即上述控制中心经地下光缆传送的触发信号。第二远程光收发器输出端连接第1个功分器即触发信号功分器的输入端，该触发信号功分器的输出端选取19路，每路将输出与输入信号相同的触发信号，触发信号功分器的19路输出端分别连接19台主机的A/D采样模块的触发信号接口。触发信号功分器的目的是使得19个A/D采样的输入触发信号同步。
第三远程光收发器输入端连接1480nm波长光纤或1550nm波长光纤，该光纤承载以太网信号即上述控制中心经地下光缆传送的以太网信号。第三远程光收发器的输出端连接远程系统的交换机，该交换机路由出19个以太网信号，使用19条网线将19台主机的19个路由网口相连。
经过A/D采样后，除了主单元外，其余单元实时采集的数据经以太网将数据实时地传送至主单元，随后进入主单元的FPGA开发板进行数字波束合成。
本发明所提出的低频射电阵列数字波束合成系统，其主要由控制中心和远程系统组成，由控制中心传送时钟信号、触发信号和以太网信号给远程系统完成数据采集，远程系统完成数字波束合成。其采用A/D前置的分布式数字化采集的方式，避免了传输模拟信号存在的信号衰减和幅度/相位不一致的问题。使用光纤传送时钟信号实现远程时钟同步，并通过带宽滤波器有效抑制了光收发器的非线性效应，使用高精度的功分器进行时钟分发，提高了远程时钟同步的精度。
基于上述系统所实现的一种低频射电阵列数字波束合成系统及方法，包括如下步骤：
步骤1、控制中心主要为远程系统提供(输送)A/D采样模块所需的时钟信号和触发信号，以及为远程系统的主机提供所需的以太网信号，同时控制远程系统实现时钟同步、触发信号同步，最终共同完成数字波束合成。
步骤2、远程系统的主天线单元将每个天线单元所采集的数字信号使用FIR滤波器加FFT变换进行信号信道化分即多相滤波器组信道化，每个天线单元得到M个信道的窄带信号。
所述数字波束合成基本原理：
假设阵列为线阵，阵元数为P，线阵各阵元间距为d，入射平面波与线阵法线方向的夹角为则相邻阵元接收信号的波程差为信号延时τ为其中c是光速。假设以第一个阵元的接收信号x1(2πft)为参考信号(没有延时)，则第m个阵元的接收信号延时P个阵元指向的波束表达式为：
y b ( t ) = Σ m = 1 P a m x m ( 2 π f ( t - t m b ) )
其中，am是一个空间权重函数，通常取窗函数。
由于天线接收的信号是带宽为150MHz的宽带信号，本发明考虑对宽带信号进行信道化分，把每个天线接收的宽带信号分别化分为N＝150个信道的窄带信号即每个信道带宽为1MHz。这时再使用上述的数字波束合成理论对每个信道的输出信号进行波束合成。
此时时域上的延时变换为频域上作相移来实现，有其中f0是信号的中心频率。因此，得到频域波束合成表达式为：
根据上述波束合成原理，本发明提出一种基于多相滤波器组信道化数字移相波束合成方法：上述远程系统采集的数字信号进入主单元的高速FPGA开发板后使用FIR滤波器加FFT变换进行信号信道化分即多相滤波器组信道化，得到150个信道窄带信号，然后各阵元在相同信道下作天线校准即相位补偿，再进行叠加求和，得到150个信道下的波束方向图，如图3所示。不同信道下各阵元的校准和相位补偿是不同的，会随着频率的变化而变化，所有信道下波束的集合将是时间和频率的一个函数。
所述FIR滤波器加FFT变换进行信号信道化数学模型，如图4所示。采样后的数字信号信号x(n)先进行r点延时和M倍抽取后得到xr(n)＝x(nM-r)，然后进入多相滤波器组，得到sr(n)＝xr(n)*hr(n)。其中，符号*表示卷积运算；hr(n)为第r+1信道滤波器的冲激响应。这里，多相滤波器使用的低通滤波器原型通常是Parks-McClellan窗。多相滤波器组间单位冲激响应的关系为hr(m)＝h(mD+r)，其中，h是原型滤波器的冲激响应。最后信道化的输出表达式为yr(n)＝DFT{sr(n)}。为了提高计算效率，一般使用快速傅里叶变换FFT。
步骤3、远程系统的主天线单元对每个天线单元在M个信道下的窄带信号进行相位补偿(即校准)。
所述数字波束合成天线校准方法，具体方法如下：
(1)在天线阵列附近发射一个波束作为参考信号,这个信号是一个已知信号，通过这个参考信号的方向来控制本发明合成波束的指向。
(2)19路数字信号经信道划分后的信号分别与这个参考信号作互相关，分别求解出它们与参考信号中间的相位差Δφ。求解相位差的方法是互相关法，基本原理：假设两个信号x1(t)和x2(t)，分别对它们进行FFT之后得到和互相关表达式为因此互相关之后的相位即为两个信号的相位差。
(3)19路数字信号经信道划分后的信号作快速傅里叶变换FFT，得到的结果分别与步骤(2)中求解出的对应相位因子ejΔφ相乘。快速傅里叶变换FFT是基于GPU并行实现的FFT，以提高FFT计算速率。
步骤4、步骤3的得到结果在相同信道下进行叠加求和，得到150个信道下的波束结果。叠加求和采用分布式方法，步骤(3)得到的结果在相同信道下有19路信号，对19路信号用1-19数字进行编号即第1级①和②相加、③和④相加，以此类推，剩下和第1级得到的9个结果，再进行重新编号：①-⑩，进入第2级运算，①和②相加、③和④相加，以此类推，得到5个结果，又进行重新编号：①-⑤，进入第3级运算，以相同方法类推，直到得到1个结果输出。
本发明所提出的使用FIR滤波器加FFT信道划分及数字移相技术的数字波束合成方法，大大提高了波束合成的计算速度和精度，能够灵活并精确的控制波束指向。采用分布式叠加方法，可拓展性良好，比较适合于大规模天线阵列的数字波束合成，能够应用于平方公里阵SKA这种规模的低频射电阵列中。相比国内仅有的基于固定电缆长度的相位调整技术完成波束合成方法精度要高得多。它将填补射电天文观测数字波束合成技术的空白，帮助相关研究人员掌握数字波束射电干涉观测技术，其波束合成数据结果将面向SKA的数据处理程序提供重要的测试样本。

Claims (9)

1.一种低频射电阵列数字波束合成系统，其特征在于：主要由控制中心和远程系统两大部分组成；
上述控制中心包括3个控制光收发器和计算机集群；其中计算机集群设有主时钟信号输出接口、触发信号输出接口和以太网信号输出接口；计算机集群的主时钟信号输出接口连接第一控制光收发器的输入端；计算机集群的触发信号输出接口连接第二控制光收发器的输入端；计算机集群的以太网信号输出接口连接第三控制光收发器的输入端；
上述远程系统包括N个天线单元、2个功分器、1个交换机和3个远程光收发器；每个天线单元包括1面对数周期天线和1台主机；每台主机均设有模拟信号输入接口、时钟信号输入接口、触发信号输入接口和路由网口；每面对数周期天线的输出端接入主机的模拟信号输入接口；第一远程光收发器的输入端连接第一控制光收发器的输出端，第一远程光收发器的输出端连接一个功分器即时钟信号功分器的输入端，该时钟信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的时钟信号输入接口；第二远程光收发器的输入端连接第二控制光收发器的输出端，第二远程光收发器的输出端连接另一个功分器即触发信号功分器的输入端，该触发信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的触发信号输入接口；第三远程光收发器的输入端连接第三控制光收发器的输出端，第三远程光收发器的输出端连接交换机的输入端，该交换机的输入端的N路输出端分别连接N个主机的路由网口；
上述N为大于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种低频射电阵列数字波束合成系统，其特征在于：还进一步包括控制光纤多路复用器和远程光纤多路复用器；控制光纤多路复用器的2个输入端分别连接第二控制光收发器的输出端和第三控制光收发器的输出端；控制光纤多路复用器的输出端与远程光纤多路复用器的输入端连接；远程光纤多路复用器的2个输出端分别连接第二远程光收发器的输入端和第三远程光收发器的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种低频射电阵列数字波束合成系统，其特征在于：
第一远程光收发器的输入端与第一控制光收发器的输出端之间，第二控制光收发器的输出端与控制光纤多路复用器的一个输入端之间，以及远程光纤多路复用器的一个输出端与第二远程光收发器的输入端之间均通过1310nm波长光纤连接；
第三控制光收发器的输出端与控制光纤多路复用器的另一个输入端之间，以及远程光纤多路复用器的另一个输出端与第三远程光收发器的输入端之间均通过1480nm波长光纤或1550nm波长光纤连接。
4.根据权利要求1所述的一种低频射电阵列数字波束合成系统，其特征在于：每个天线单元还进一步包括1个低噪声放大器、2个中频放大器和1个带通滤波器；对数周期天线的输出端依次经过低噪声放大器、第一中频放大器、带通滤波器和第二中频放大器后接入主机的模拟信号输入接口。
5.根据权利要求1所述的一种低频射电阵列数字波束合成系统，其特征在于：计算机集群中配备有DSP和FPGA。
6.根据权利要求1所述的一种低频射电阵列数字波束合成系统，其特征在于：N个天线单元中的其中一个天线单元设为主天线单元，该主天线单元的主机中配备有GPU和FPGA。
7.根据权利要求1所述的一种低频射电阵列数字波束合成系统，其特征在于：N个对数周期天线呈规则排列。
8.基于权利要求1所述数字波束合成系统的一种低频射电阵列数字波束合成方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1、控制中心主要为远程系统的各个天线单元提供A/D采样所需的时钟信号和触发信号，以及以太网信号；同时控制远程系统实现时钟同步和触发信号同步；
步骤2、远程系统的主天线单元将每个天线单元所采集的数字信号使用FIR滤波器加FFT变换进行信号信道化分即多相滤波器组信道化，每个天线单元得到M个信道的窄带信号；
步骤3、远程系统的主天线单元对每个天线单元在M个信道下的窄带信号进行相位补偿；
步骤3.1、在每个天线单元附近发射一个波束作为参考信号；
步骤3.2、将每个天线单元的M个信道的窄带信号分别与这个参考信号作互相关，分别求解出它们与参考信号中间的相位差△φ；
步骤3.3、将每个天线单元的M个信道的窄带信号分别作快速傅里叶变换；
步骤3.4、将步骤3.3所得到的快速傅里叶变换结果分别与步骤3.2中求解出的对应的相位因子ej△φ相乘，得到每个天线单元在M个信道下的补偿窄带信号；
步骤4、在相同信道下，远程系统的主天线单元将所有天线单元的补偿窄带信号分别进行叠加，得到M个信道下的波束方向图，由此完成数字波束合成；
上述M为大于1的正整数。
9.根据权利要求8所述的一种低频射电阵列数字波束合成方法，其特征在于，步骤3.3中，快速傅里叶变换是在远程系统的主天线单元中，基于GPU并行实现的。
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