QTT超宽带多波束信号接收与处理系统

新疆奇台拟建的110 m全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope, QTT),主要用于脉冲星观测、引力波及黑洞探测、恒星形成和星系起源等基础科学研究领域.为了满足众多科学需求,将配备各种超宽带、多波束、高灵敏度接收机与处理系统,其主要功能是将射电望远镜收到的微弱的电磁波信号经接收机放大、滤波、变频之后在数字终端进行处理.由于该系统决定了射电望远镜的工作带宽、瞬时带宽和视场,并与灵敏度具有紧密联系,因此作为该大型射电望远镜的重要组成部分,对于望远镜的性能具有至关重要的作用.本文具体展示了QTT超宽带多波束信号接收与处理系统配置方案和主要性能指标,系统地论述了QTT接收机与信号采集与处理系统初步技术方案,分析了信号接收与处理系统的关键技术问题.     

新疆奇台110米射电望远镜

计划在新疆奇台建设的110米射电望远镜(简称QTT)将位居国际一流大科学装置之列,成为世界最大的全向可转动射电望远镜.QTT在引力波探测、黑洞发现、恒星形成、星系起源等基础科学研究领域将发挥重要作用,并可发展应用于深空探测,如探月工程和火星、金星探测.QTT设计方案考虑多种科学目标的需求,其关键技术包括:大口径天线结构设计技术、天线主动面技术、大惯量机架精密伺服控制技术、超宽带馈源技术、低噪声放大器技术、多波束接收技术等.QTT关键技术的突破与应用,将促进我国信息、精密机械加工和自动控制等工程技术领域的发展.QTT各系统建设将以自主创新为主,通过国际合作引进和采用相关尖端技术完成.     

射电终端发展与110m射电望远镜终端系统

终端系统作为射电望远镜的组成部分,将接收机放大的射电信号作为输入,功能是实现射电信号的数字化和信号处理,并将处理后的数据送入存储设备.数字终端已替代模拟终端成为射电望远镜的标准配置,多功能数字终端系统日趋完善.硬件平台包括现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)、图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)、中央处理器(Central Processing Unit,CPU)和集成众核(Many Integrated Core.MIC)等,为数字终端的研制提供了丰富选择.计划在新疆奇台建设的110 m射电望远镜(QiTai Radia Telescope,QTT)设计了L,S,C,K波段宽带/超宽带单波束接收机,L波段相控阵馈源(Phased Array Feed,PAF)和Q,W波段传统多波束接收机,需研制匹配的超宽带数字终端系统.本文在综述了射电望远镜终端系统的发展和国内外现状基础上,构思和讨论了采用开放FPGA平台+GPU集群为基础的QTT终端系统的设计方案和研制思路.     

景东120 m口径全可动脉冲星射电望远镜

云南天文台将在云南省普洱市景东县(东经101.0°北纬24.5°)建设120 m口径全可动脉冲星专用射电望远镜(Jingdong Radio Telescope, JRT),工作频率覆盖0.1–10 GHz (3 m–3 cm), JRT建成后将成为世界上最大的单口径全可动中低频射电望远镜.本文主要介绍JRT的科学目标和关键技术,其中科学目标包括:(1)以对全天90%以上最稳定毫秒脉冲星实施长期、高时间密度、高精度的计时观测为手段,开展脉冲星时间基准体系建设和纳赫兹低频引力波探测研究;(2)在脉冲星物理、快速射电暴、引力检验、黑洞及周围物理、VLBI天体测量等领域开展科学研究;(3) JRT还将服务于脉冲星导航、深空探测、空间目标监测等领域的国家战略需求. JRT研制关键技术包括:大口径天线结构设计技术、超宽带馈源技术、低温制冷接收机技术和多功能数字后端等. JRT的建设将促进我国在大型机械设计和制造、自动控制、低温电子和系统集成等工程技术领域的发展,建成后将有助于中国在射电天文领域获得重大科学产出.     

大口径射电望远镜电磁兼容控制方法

大口径射电望远镜具有极高的系统灵敏度,其建设及运行过程将引入各类电子设备,电磁干扰的有效控制是射电望远镜科学产出的重要保证.本文结合射电天文台址电子设备电磁兼容性要求,分析了现有射电天文领域及其他领域电子设备的主要电磁兼容评估标准及存在的不足,考虑到工程实施的可行性,提出大口径射电望远镜电磁兼容控制方法,涉及台址电子设备所在位置干扰电平限值量化方法、电子设备电磁兼容测量方法和测量要求、屏蔽效能测量方法及测量要求、电子设备电磁兼容控制流程等.该电磁兼容控制方法计划应用于新疆奇台拟建的110 m全向可动射电望远镜(Qi Tai Radio Telescope, QTT),确保QTT拥有良好的电磁兼容性.     

基于等效风场试验的QTT台址风场分布调控技术方案初探

针对高频段大口径全向可动射电望远镜QTT对电性能的高要求,必须降低风扰动对天线的影响.本文分析了QTT台址地形地貌以及风场分布的特点,提出了一种主动降低天线所在区域风速的QTT台址风场分布调控技术方案,进一步搭建了用于QTT台址风场分布调控微缩模型的等效风场试验,通过试验数据分析,确定了QTT风场分布调控技术方案的可行性,并初步给出了经风场调控后,风速显著降低的区域范围以及风速降低的幅度,为QTT台址风场分布的调控提供了技术依据,从而可大大增加射电望远镜的有效观测时间.     

基于多波束接收机的FRB实时搜寻终端设计

快速射电暴(Fast Radio Burst, FRB)是一种偶发的、瞬时射电暴,为了探测到更多的样本进行研究,本文基于多波束接收机开发了一套实时搜寻终端,该系统包括信号采集与处理、单波束信号处理、多波束信号合成与分析、探测结果存储与发布等单元,可以对多路波束信号进行同时采集和分析,利用多波束的信号参考效应消除干扰,提高探测准确率.在某射电望远镜上进行了观测实验,通过捕捉脉冲星的单脉冲信号检验了FRB信号的探测功能,结果表明该终端可实现准确、实时的FRB探测.     

脉冲星数字终端技术综述

脉冲星数字终端是脉冲星观测和搜寻的重要设备,可实现模拟信号的数字化及脉冲星信号处理.随着脉冲星研究的不断深入和数字技术的迅速发展,对脉冲星数字终端的性能要求也在不断提高,需要在更宽带宽、更高的时间分辨率与更高的频率分辨率下进行高速采样、实时分析与处理.本文以国内外主要脉冲星观测射电望远镜为基础,回顾了脉冲星终端的发展历史,综述了目前主流大口径射电望远镜脉冲星数字终端的现状.在调研和分析已有和正在研制的脉冲星数字终端的基础上,构思和讨论了采用开放RFSoC平台+GPU集群为基础的QTT终端系统的设计方案和研制思路.     

FAST的进展——科学、技术与设备

随着射电天文学的发展,高灵敏度的大口径射电望远镜成为射电观测的重要设备.我国正在建设中的500 m口径球面射电望远镜(FAST)将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它有望在中性氢巡视、脉冲星搜索、国际VLBI网联测及地外生命搜寻等重要前沿领域取得突破.本文介绍了FAST工程概念的提出及望远镜概况,列出了FAST的主要科学目标及早期科学准备,重点叙述了FAST工程在科学、技术与设备方面的最新进展,并对FAST工程的发展做出了展望.     

大口径天线非线性特性动态补偿方法研究

非线性特性广泛存在于伺服传动系统的各个环节,对高精度大口径射电望远镜指向与跟踪精度的影响不可忽略.本文针对天线常见的非线性特性展开讨论,分析此类特性对系统造成的负面影响,之后,讨论了常见的非线性补偿方法的优劣.新疆110 m口径全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope, QTT)天线,指向精度要求高,其对设备稳定性、可靠性有着极高要求.本文提出采用非线性动态补偿方法来抑制天线伺服传动系统中的非线性特性,从而降低或消除跟踪、指向动作时的滞后和误差,提高系统稳定性,优化大口径天线的运动性能.非线性动态补偿方法结构简单,鲁棒性强,具有较高的适用性.本文通过计算机仿真与半实物实验结合的方式,模拟大口径天线常见的饱和非线性工况,并以QTT天线作为被控对象验证了该方法的实际补偿效果.最后,讨论了非线性动态补偿法的进一步改进方向.     

基于简化促动器的QTT天线主动主反射体结构建模及分析方法

本文针对新疆110 m射电望远镜天线主动主反射体结构建模及调整分析技术进行了研究.首先,将简化促动器引入QTT天线结构模型中,建立了包含简化促动器的主动主反射体结构模型;其次,在外载荷作用下,由主动主反射体结构模型可以得到变形天线的促动器指向;再次,基于促动器刚性构件假设,将主动调整分析进一步简化为面板支撑点沿促动器指向调整指定位移的有限元约束方程;最后,针对QTT天线模型对本文方法进行案例仿真,所提方法计算结果与ANSYS仿真结果的差异量约为10^-9mm,表明所提方法的有效性.该方法可为大型射电望远镜天线主动调整的精确分析提供参考.     

大型全可动射电望远镜关键技术研究专辑·编者按

<正>射电天文学诞生的近一百年来在天文领域取得了诸多载入科学史册的成就,突出代表是现代天文学"四大发现"——类星体、脉冲星、星际分子、宇宙微波背景辐射. 21世纪,暗物质、暗能量、黑洞、宇宙起源、天体起源、生命起源等前沿研究方面仍存在着亟待解决的重大科学问题.天文学已经进入全电磁波观测时代.随着引力波观测窗口的打开,射电天文在引力波探测、引力波天体物理等方面扮演着至关重要的角色,国内外对建设大型射电天文望远镜充满期待.为了展示并总结我国110 m口径全向可动射电望远镜(QTT)的最新成果,我们特别组织"大型全可动射电望远     

国产高精度宽覆盖多波束系统关键技术研发及应用

响应我国大力发展蓝色经济空间的政策,突破数字波束形成、高精度底检测、自适应底跟踪技术、深度修正等关键技术,研制国产浅海多波束测深仪,并集成多GNSS接收机、姿态仪、涌浪仪等辅助传感器,形成了完整的浅海多波束测深仪解决方案,促进了国产高端海洋探测装备的发展。     

“天眼”再添“利刃”,FAST巡天能力将大大增强

正在电影《厉害了我的国》里,中国的路、中国的桥、中国的车……一个个非凡的超级工程向世界展示了中国强大实力,大国雄姿所带来的震撼与民族自豪感油然而生。在影片中,贵州元素多次出镜,"天眼"便是其中之一。作为目前世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST),看得远是其主要的功能之一。如今,这件观天利器将再添"利刃",随着19波束接收机即将投入使用,FAST的巡天能力将大大增     

大口径射电望远镜台址电磁干扰预测方法

新疆奇台拟建的110 m全向可动射电望远镜(Qi Tai Radio Telescope, QTT)具有极高的信号捕捉能力,任何微弱的信号都会影响其高效运行,为了缓解QTT台址无线电宁静区的电磁干扰,本文提出了一种电磁干扰预测方法.首先,基于QTT台址无线电宁静区地形数据和地形特征,分析了现有电波传播模型的适用性,选取LongleyRice模型和Two-Ray模型作为QTT的电波传播模型算法,通过电波传播仿真分析,得到潜在干扰点到达射电望远镜馈源口面的路径损耗;其次,结合QTT馈源口面干扰电平阈值和天线旁瓣增益,计算得到潜在干扰点所在位置的干扰电平阈值;最后,运用该方法分析了QTT限制区内村庄典型电子设备和35 kV高压输电线路对QTT的影响.     

大型射电望远镜天线发展动态及机电耦合应用

射电天文望远镜作为射电天文学中不可或缺的仪器,其平稳运行至关重要.本文首先以引力波的发现、中子星的合并以及首张黑洞照片的拍摄等重大天文发现为切入点,介绍了射电望远镜在射电天文学中的重要性.同时,随着射电天文学步伐的前进,射电望远镜也需要朝着更大的口径和更高的指向精度方向发展,这也使得其中的机电耦合关系愈发紧密.解决射电望远镜的机电耦合问题,发展机电耦合技术也就成为大口径射电望远镜平稳高效运行的关键.为此,本文概述了近10年来已建成并投入使用的射电望远镜,以及在建和将建的射电望远镜的进展,指出了机电耦合技术在射电望远镜设计制造和观测运行中的重要作用.然后,系统性地总结了近年来机电耦合技术在射电望远镜中的发展和应用.最后,基于射电天文学的发展对大口径射电望远镜天线性能提出的苛刻要求,提出未来机电耦合的研究热点.     

星敏感器技术在射电望远镜指向测量中的应用

大型射电望远镜指向精度要求高,但自身跨度大易变形,其指向性能会受多种因素影响.且大型射电望远镜惯性较大,传统的波束扫描方式进行指向测量耗时较多,难以快速地进行.通过辅助设备精确地测量中心体的方向可以对上述测量和改正问题进行分解研究,可降低问题的复杂度且提高指向测量的效率.星敏感器技术可以通过对星图的拍摄和处理,以几赫兹的频率获得亚角秒精度的指向参数,能较好地满足中心体方向测量的要求.本文阐述了星敏感器辅助测量射电望远镜指向的原理,介绍了数个射电望远镜使用星敏感器技术开展的观测和测试情况,并对在大型射电望远镜上搭建低成本星敏感器系统进行了一定的探讨.     

新疆110m射电望远镜(QTT)天线高精度面板结构研制挑战

研制满足单面板精度为0.07mm(RMS)的高精度面板,是制造高精度新疆110m射电望远镜(QiTai Radio Telescope,QTT)天线的关键技术之一.QTT基于主动保形技术,为满足天线结构与性能优化需求,在保证面板精度同时面板数量需要控制.天线面板越大面型精度提升越困难,制造高精度大面板将面临严峻挑战.基于蜂窝夹层结构、蒙皮筋条结构,采用改进负压成型工艺,进行了高精度面板成型试验研究,试验结果表明面积小于1.5 m~2面板精度能满足需求,就目前国内工艺水平来看已无法研制更大面积单面板(如5 m~2).为了满足QTT需求,对组合面板结构进行了初探.仿真了采用传统以及过渡子桁架,基于刚性和等柔性支撑两种方式以及采用传统拼接组合面板形式.结果表明采用过渡子桁架方式面板精度、数量能够满足需求,但复杂子桁架结构研制成本高,且造成组合面板重量增加,会导致天线结构设计复杂影响天线性能;传统拼接组合面板结构虽然满足精度需求但其面板数量没有控制在理想范围内.展望了未来提高面板精度需要进一步开展的工作.     

同波束VLBI在采样返回式多目标探测器精密测轨测位中的应用

同波束VLBI即用射电望远镜的主波束同时观测角距很小的两个探测器发出的巧妙配置的多频点信标,据此得到两探测器在两个测站间的误差为皮秒量级的差分相位时延．在月球卫星SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar的测定轨中,利用40多分钟的同波束VLBI和测速测距数据数小时的短弧定轨精度已显著提高,而一年多的定轨结果表明弧长数天的长弧定轨精度已达10m左右,充分证明了同波束VLBI在多目标卫星精密测定轨中的作用．本文在介绍SELENE同波束VLBI观测、多普勒数据处理和定轨结果的基础上,以用于月球采样返回探测任务中的多目标探测器如轨道器、着陆器和返回器为例,给出各探测器搭载电波源的信标设计方案及设计原则,并分析S频段多频点同波束VLBI技术在轨道器和着陆器绕月飞行、着陆器月球软着陆、着陆器月球采样、返回器从月面上升、返回器多次变轨、特别是轨道器和返回器交会对接等各个测控段的高精度测定轨或测定位及月球重力场探测中的应用．     

基于SeaBat的航道测量技术研究

多波束测深技术是现代水下探测领域的新兴技术,它集成了现代空间测控技术、声呐技术、计算机技术、信息处理技术等一系列高新技术,实现了对水下探测目标的高精度和高密度测量。论文首先探讨了多波束测深系统的组成,进而以多波束测深系统用于采砂管理为任务背景,详细研究分析了多波束测深系统在采砂管理量化监测中的应用流程和监测结果。