基于捷變收發(fā)器的射電天文窄帶譜線觀測平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及射電天文中6GHz以下厘米-分米波段內(nèi)窄帶譜線頻譜分析觀測領(lǐng)域， 尤其適合于工作于L-C波段大型望遠鏡對脈澤、分子譜線的觀測要求。 技術(shù)背景
[0002] 微波譜線在射電天文觀測中具有舉足輕重的地位，可用于診斷相關(guān)天體的基本物 理及化學(xué)條件，如激發(fā)溫度、粒子密度、物質(zhì)運動區(qū)的速度場、磁感應(yīng)強度及各種元素的化 學(xué)豐度等。通過觀測獲得分子云及恒星形成區(qū)的譜線數(shù)據(jù)后，可以通過適當(dāng)?shù)慕品椒▉?求解統(tǒng)計平衡輻射轉(zhuǎn)移方程，從而獲得天體的各種信息。
[0003] 通過對分子譜線的觀測，將使得我們能夠研究包括恒星形成區(qū)早期、恒星演化晚 期、超新星爆炸(超新星遺跡）、行星狀星云、彗星、河外星系等一系列的天文學(xué)現(xiàn)象。對它們 在C波段譜線的觀測研究，關(guān)聯(lián)了很多研究內(nèi)容，例如：（1)基于6.7GHz甲醇脈澤相關(guān)的研 究，6.7GHz甲醇脈澤由于其輻射流量大、致密(角大小約4毫角秒，線大小約幾個天文單位）、 壽命長(約4年）、普遍存在(銀河系內(nèi)探測到1000多個源）以及非常小的內(nèi)部固有運動等特 點成為天文學(xué)和天體測量學(xué)中的一大熱點。它們不僅被用來開展與大質(zhì)量恒星形成有關(guān)的 一系列研究，而且通過對它們視差的精確測量可以精確確定銀河系的一些關(guān)鍵參數(shù)(如旋 臂結(jié)構(gòu)，這是迄今為止最高精度的測量方法），是銀河系研究中的一個重點；（2)基于羥基和 甲醛譜線的研究，也是近來受到廣泛關(guān)注的熱點領(lǐng)域，包含甲醛樣本搜尋以及他們的輻射 特性、羥基脈澤的搜尋以及通過羥基偏振觀測來研究磁場等一些研究內(nèi)容；（3)另外還有很 多研究內(nèi)容:比如C波段的分子譜線搜尋等，此處不在一一例舉。
[0004] 高頻譜分辨率的譜線觀測可以為研究者們帶來所研究目標(biāo)天體內(nèi)部更細節(jié)的信 息，它們通?？梢允刮覀冏粉櫟礁〕叨鹊慕Y(jié)構(gòu)以及其中更詳細的動力學(xué)特征等。又如在 某些高精度的譜線觀測中需要極高的頻率分辨率，例如對塞曼效應(yīng)的觀測中：采用中性氫 HI觀測，每微高斯磁場產(chǎn)生的頻率移動2.8Hz ;如采用0H的基態(tài)，每微高斯磁場在1.665GHz 譜線上產(chǎn)生的頻率移動只有3.27Hz，而在1.667GHz譜線上產(chǎn)生的頻率移動是1.96Hz。然而， 由于目前傳統(tǒng)采用的射電天文終端設(shè)備是對射電天文模擬信號的高速ADC過采樣原理實現(xiàn) 的:采樣率為f sample^ADC大約能覆蓋fsamtW2帶寬的信號目前增加采樣率似乎成為解決大 帶寬數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)寬頻段同時觀測的唯一途徑。
[0005] 而在該原理下由于采樣率fsampie、FFT點數(shù)N和頻譜分辨率Af三者的滿足以下關(guān) 系：
[0006]
[0007]故在傳統(tǒng)采樣原理下，做譜線的高精度輪廓結(jié)構(gòu)觀測是非常困難的。因為在采樣 率一定的情況下，如果要得到更高的頻譜分辨率就必須增加 FFT變換點數(shù)N[5]，這就需要耗 費處理器內(nèi)部乘法器，累加器以及存儲單元等資源，這樣大大增加了冗余數(shù)據(jù)量，對無信號 頻段也需要同時進行分析。
[0008] 目前，各大芯片公司和模塊化儀器公司都相繼在進行更高速更高帶寬的數(shù)據(jù)采集 芯片和設(shè)備設(shè)計開發(fā)，多種高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于部分天文觀測。例如icqiris公 司開發(fā)的高速數(shù)據(jù)采集卡AC240,其帶寬為lGHz@8bit，已經(jīng)應(yīng)用于多臺射電望遠鏡，包括德 令哈的13.7米毫米波望遠鏡，K0SMA毫米波亞毫米波望遠鏡;2014年8月，HOMIN JIANG等人 公布了采樣速率達到5Gsps@8bits的高速采集系統(tǒng)及B.Klien等人研發(fā)的FFTS數(shù)據(jù)采集終 端均是目前采樣速度最快的射電天文終端。
[0009] 然而根據(jù)原子受激輻射的特點，分子譜線呈現(xiàn)出離散局部密集線譜的特點而在另 外一些頻段能夠觀測的射電天文譜線又非常少。這樣，高速數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢資源就大大浪 費在了一些沒有可觀測信號的頻率上，而且采樣率越高，浪費越多！
[0010] 2008年A.W.Hotan等人實現(xiàn)的100MHz輸入帶寬的數(shù)字終端-TasPGA，在觀測脈澤源 G285.35+0.00，在8MHz帶寬內(nèi)實現(xiàn)488.3Hz的頻譜分辨率需要16384點FFT3. Klein等人在 FFTS上實現(xiàn)88.3KHz已經(jīng)需要32768點FFLB.Klein等人總結(jié)的隨著采集速度的上升，需要 達到同樣頻率分辨率所需的FFT點數(shù)關(guān)系圖見圖1。
[0011]隨著采集速度的上升，需要達到同樣頻率分辨率所需的FFT點數(shù)將大大增加這些 都為后端運算、存儲、傳輸帶來巨大壓力。
[0012] 針對上述問題，2005年S.Stanko等人嘗試在Effelsberg 100m射電望遠鏡上建立 了基于DDC_GC4016(digital down converters，數(shù)字下變頻器）的數(shù)字頻譜分析終端ICS 554C，引入了直接數(shù)字下變頻的概念與譜線數(shù)字終端中，見圖2所示。
[0013]其有兩種工作方式：1.工作于全帶寬模式：50MHz，直接由ADC采集而進入FPGA做 FFT分析;2.窄帶工作方式:經(jīng)DDC選通20KHz-10MHz帶寬，再送入FPGA進行處理。兩種方式對 同一條譜線的觀測效果見圖3所示。
[0014] 在2MHz帶寬模式下，相當(dāng)于在全帶寬模式下相同的FFT點數(shù)提高了25倍的頻率分 辨率。
[0015] 同時，云南大學(xué)柏正堯、中國科學(xué)院云南天文臺董亮等人提出了基于欠采樣方案 的采集終端，利用ADC的欠采樣性能可以達到更高的分辨率性能。但是以上兩種方案都以增 加電路的復(fù)雜結(jié)構(gòu)為代價的，在集成電路日新月異的今天新的集成電路能夠取代上述方 案。
[0016] 目前ADI公司推出的AD93XX系列芯片是一種高性能、高度集成的RF Agile Transceiver?捷變收發(fā)器。該器件的可編程性和寬帶能力使其成為多種收發(fā)器應(yīng)用的理想 選擇。該器件集RF前端與靈活的混合信號基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供 可配置數(shù)字接口，從而簡化設(shè)計導(dǎo)入。例如:AD9361工作頻率范圍為70MHz至6.0GHz，涵蓋大 部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段，支持的通道帶寬范圍為不到200KHz至56MHz。
[0017] 較之于傳統(tǒng)的高速采樣數(shù)字頻譜終端，根據(jù)奈奎斯特定律達到6GHz的輸入帶寬必 須至少要有12Gsps的采樣速度，為此在捷變收發(fā)器選擇200kHz的輸入帶寬情況下，到達同 樣的分辨率，相當(dāng)于點數(shù)提高了 240000倍！
[0018]本項發(fā)明擬采用和跟蹤世界最新和最先進的集成RF捷變收發(fā)器研發(fā)新型的專用 譜線接收機，實現(xiàn)快速寬帶內(nèi)可切換的射電天文終端及其相關(guān)軟件，并初步為云南天文臺 40米射電望遠鏡提供高精度譜線能力，同時期望為中國更多的射電望遠鏡服務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 基于捷變收發(fā)器的射電天文窄帶譜線觀測平臺，本發(fā)明特征在于，由捷變收發(fā)器 AD9361電路板、FPGA控制電路板及控制計算機依次連接組成;其中，捷變收發(fā)器AD9361電路 板的輸入信號帶寬為50MHz-6GHz，其信號輸入端與射電天