郭少杰，沈發(fā)新，高冠男，董 亮，汪 敏

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明 650216；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650216；4. 云南省太陽物理與空間目標(biāo)監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650216)

太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection, CME)等太陽活動是太陽系中最劇烈的能量釋放過程，與空間天氣密切相關(guān)。該過程中產(chǎn)生的射電輻射會攜帶著日冕等離子體和磁場的信息[1]，產(chǎn)生的高能粒子和宇宙射線可能對空間環(huán)境和地磁場產(chǎn)生擾動，直接影響到衛(wèi)星、通訊、電力等現(xiàn)代化技術(shù)系統(tǒng)等，進(jìn)而影響人類的生活環(huán)境[2-4]。近些年，隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，空間天氣逐漸成為太陽物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

太陽射電動態(tài)頻譜是觀測太陽射電爆發(fā)的重要手段，文[5]根據(jù)太陽動態(tài)譜上的爆發(fā)形態(tài)，將其分為5類(I，II，III，IV和V型暴)。隨著譜分辨率和時間分辨率的提高，研究人員發(fā)現(xiàn)了各種各樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)，比如 “斑馬紋” 結(jié)構(gòu)、新型 “曲棍球棒” 結(jié)構(gòu)等[6-9]。高分辨率動態(tài)頻譜對太陽射電爆發(fā)精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究具有重要作用，有助于我們理解太陽射電爆發(fā)過程中的物理機(jī)制[10]。太陽射電動態(tài)頻譜不僅可以提供關(guān)于日冕磁場和等離子體的信息[11]，如等離子體輻射可以提供等離子體密度信息，回旋同步輻射可以提供磁場信息，而且可以用于空間天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)，如II型暴是日冕物質(zhì)拋射激波的最佳指示器，根據(jù)II型暴的漂移率可以估算激波的速度。因此，太陽射電動態(tài)頻譜不僅對太陽物理的研究具有重要作用，而且對空間天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要作用[12-13]。

子午工程二期太陽-行星際監(jiān)測鏈分系統(tǒng)即將建設(shè)完成的太陽射電頻譜儀，其頻率覆蓋30 MHz～15 GHz，站址位于中國東部(來源于https://www.sjdz.org.cn/cn/article/doi/10.19975/j.dqyxx.2023-016)。本項(xiàng)目中的太陽射電頻譜儀放置于中國西部(四川稻城)，兩站配合觀測，可以延長對太陽射電爆發(fā)活動連續(xù)監(jiān)測的時段，加強(qiáng)我國對空間天氣的實(shí)時預(yù)報(bào)能力。

本文設(shè)計(jì)的超寬帶超高分辨率的太陽射電頻譜儀，共由4套設(shè)備組成。數(shù)字頻譜儀是基于現(xiàn)場可編程門陣列研發(fā)的數(shù)字終端，是設(shè)備的關(guān)鍵部分，充分利用數(shù)字信號處理的靈活性，采用快速傅里葉變換算法完成頻譜分析。基于超高譜分辨率的需求，需要的快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)為262144，在現(xiàn)場可編程門陣列上通過一個FFT IP不能實(shí)現(xiàn)如此高點(diǎn)數(shù)的快速傅里葉變換運(yùn)算。為此，我們根據(jù)Cooley-Tukey FFT算法，首先對數(shù)據(jù)分通道，然后做并行快速傅里葉變換處理，最后通過數(shù)據(jù)重組完成所需點(diǎn)數(shù)的快速傅里葉變換運(yùn)算[14]。

1 太陽射電頻譜儀的組成

太陽射電頻譜儀的組成如圖1，主要包括天線系統(tǒng)、接收機(jī)和數(shù)字頻譜儀。天線系統(tǒng)由反射面和饋源組成，用于接收太陽輻射的射電信號并將其傳輸?shù)浇邮諜C(jī)；接收機(jī)對信號進(jìn)行放大、變頻和濾波處理；數(shù)字頻譜儀實(shí)現(xiàn)信號的采樣和頻譜分析，將頻譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并保存。

圖1 太陽射電頻譜儀的組成框圖Fig.1 The block diagram of solar radio spectrometer

1.1 天線系統(tǒng)

從厘米波段到十米波段，天線系統(tǒng)分別為6 m拋物面和四脊喇叭饋源，8 m拋物面和四脊喇叭饋源，12 m拋物面和對數(shù)周期饋源，以及對數(shù)周期天線，均采用赤道式架構(gòu)，可以自動計(jì)算太陽的軌道運(yùn)動參數(shù)并精確跟蹤。對于6 m口徑的拋物面天線，根據(jù)波束寬度的經(jīng)驗(yàn)公式，半功率波束寬度(Half Power Beam Width, HPBW)=1.22λ/D(λ為射電信號的波長，D為天線口徑)。7 GHz以上的頻率范圍，波束寬度小于0.5°，無法覆蓋全部日面。通過采用波束賦形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)7 GHz以上頻率的半功率波束寬度大于0.5°，仿真結(jié)果如圖2。圖中(a), (b), (c)和(d)對應(yīng)的頻點(diǎn)依次為6 GHz，9 GHz，12 GHz和15 GHz，從圖中可見半功率波束寬度依次為0.78°，0.54°，0.50°和0.58°，滿足半功率波束寬度覆蓋全部日面的需求。

圖2 6 m拋物面天線的輻射方向圖。(a), (b), (c)和(d)對應(yīng)的頻點(diǎn)依次為6 GHz，9 GHz，12 GHz和15 GHzFig.2 The radiation pattern of parabolic antenna with diameter of 6 m. (a)，(b)，(c)and (d)correspond to the frequency of 6 GHz，9 GHz，12 GHz and 15 GHz，respectively

1.2 接收機(jī)

接收機(jī)分別包括厘米波接收機(jī)、分米波接收機(jī)、米波接收機(jī)和十米波接收機(jī)。接收機(jī)對信號進(jìn)行低噪聲放大、濾波、功率分配、變頻、增益控制等處理。分米波段和厘米波段接收機(jī)的頻率范圍很寬，采用濾波器組劃分頻率范圍再分段變頻的形式，輸出多路中頻通道。如果中頻通道的帶寬太窄，則中頻通道數(shù)量會很多，增加接收機(jī)的復(fù)雜度；如果中頻通道太寬，不僅對接收機(jī)的器件要求苛刻，也會對數(shù)字頻譜儀提出更高的要求。綜合考慮數(shù)字頻譜儀的采樣頻率以及現(xiàn)場可編程門陣列時鐘速度等因素，將中頻通道的帶寬設(shè)計(jì)為1 GHz，輸出頻率范圍為0.1～1.1 GHz。

分米波接收機(jī)和厘米波接收機(jī)分別有4個和11個中頻通道，米波接收機(jī)和十米波接收機(jī)分別有1個通道。太陽射電頻譜儀需要同時觀測兩個極化信號，共需要34個采樣通道。數(shù)字頻譜儀的硬件成本很高，常規(guī)的做法是在各個中頻通道之間加入微波開關(guān)，通過微波開關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)各中頻通道的輪流采樣。此方法在降低數(shù)字頻譜儀硬件成本的同時降低了信號的積分時間，導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度降低。因此，我們設(shè)計(jì)的厘米波段和分米波段接收機(jī)采用左右旋的切換方式，可以減少一半的數(shù)字頻譜儀采樣通道，但沒有明顯降低積分時間。對米波段和十米波段，帶寬比較窄，可以一次完成采樣，因此左右旋通道同時采樣，分別需要2個采樣通道，共需要19個采樣通道。各個波段接收機(jī)的設(shè)計(jì)框圖如圖3。

圖3 各個波段接收機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。(a), (b), (c)和(d)依次對應(yīng)厘米波段、分米波段、米波段和十米波段接收機(jī)Fig.3 The design structure of analog receivers for each waveband. (a)，(b)，(c)and (d)correspond to centimetric receiver，decimetric receiver，metric receiver and decametric receiver

接收機(jī)主要包括定標(biāo)系統(tǒng)、低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)、極化合成器和模擬接收機(jī)。(1)定標(biāo)系統(tǒng)包括微波開關(guān)、噪聲源和50 Ω負(fù)載，通過微波開關(guān)在天線信號、噪聲源和50 Ω負(fù)載之間切換，完成對接收機(jī)系統(tǒng)的定標(biāo)；(2)低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)信號的低噪聲放大；(3)圓極化轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)線極化信號到圓極化信號的轉(zhuǎn)換；(4)模擬接收機(jī)包括放大器、光收發(fā)組件、后級放大、數(shù)控衰減器、功分器、濾波器和混頻組件，實(shí)現(xiàn)信號放大、室外到室內(nèi)的傳輸以及信號變頻等，最終輸出所需的中頻信號。除上述設(shè)計(jì)外，在混頻組件中配備數(shù)控衰減器，可以實(shí)現(xiàn)增益在30 dB范圍內(nèi)，步進(jìn)為1 dB的調(diào)節(jié)，從而增加接收機(jī)的動態(tài)范圍。4套接收機(jī)研發(fā)完成后，測試指標(biāo)如表1。

表1 接收機(jī)的測試指標(biāo)Table 1 The measured specification of the receiver

2 高分辨率數(shù)字頻譜儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

數(shù)字頻譜儀是通過快速傅里葉變換將信號從時域轉(zhuǎn)換為頻域再求功率譜的儀器。信號處理流程如圖4：(1)輸入的模擬信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)采樣，實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字化；(2)快速傅里葉變換運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中的快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)很大，需要使用并行快速傅里葉變換；(3)快速傅里葉變換運(yùn)算結(jié)果的模值作為信號能量的估計(jì)；(4)通過能量的疊加完成積分，可以提高信噪比；(5)除以積分時間作為功率譜密度的估計(jì)；(6)將頻譜數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并保存。

圖4 數(shù)字頻譜儀的信號處理流程Fig.4 The signal processing flow of digital spectrometer

根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣率必須大于輸入信號最高頻率的2倍，所以將厘米波段、分米波段、米波段數(shù)字頻譜儀的采樣率設(shè)計(jì)為2.5 Gsps，十米波段數(shù)字頻譜儀的采樣率為250 Msps。根據(jù)Δf=Fs/N，其中Δf為頻率分辨率(譜分辨率)，F(xiàn)s為采樣頻率，N為快速傅里葉變換運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)，表2給出各個波段數(shù)字頻譜儀的主要技術(shù)指標(biāo)。

表2 數(shù)字頻譜儀的主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 The main technical specification of digital spectrometer

2.1 數(shù)字頻譜儀的設(shè)計(jì)和實(shí)施

數(shù)字頻譜儀是基于標(biāo)準(zhǔn)VPX-6U架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集處理平臺，由VPX-6U機(jī)箱、載板(母板)、采集子板和通信子板組成的高速信號處理系統(tǒng)。采用VPX高速背板設(shè)計(jì)，可以完成載板與載板的高速互聯(lián)，載板和子板之間采用FMC HPC模式鏈接。子板可以在任意載板上互相交換，從而保證板卡的一致性和可交換性。數(shù)字頻譜儀實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 數(shù)字頻譜儀的實(shí)物結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The physical structure of digital spectrometer

載板是基于現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)字信號處理板，搭載兩塊現(xiàn)場可編程門陣列芯片用于處理兩個通道的數(shù)據(jù)，8片DDR3 SDRAM存儲模塊用于數(shù)據(jù)的緩存?，F(xiàn)場可編程門陣列易于實(shí)現(xiàn)流水和并行結(jié)構(gòu)，并且具備靈活性等特點(diǎn)。FGPA型號為JFM7Vx690T36，通過對算法所需資源的仿真，其資源(存儲資源、計(jì)算資源等)滿足需求。ADC的型號為ADI AD9625，采樣率為2.5 Gsps，采樣位寬為12 bit，無雜散動態(tài)范圍為71 dBfs，有效位優(yōu)于8.5 bit，滿足動態(tài)范圍的需求。通信子卡不僅支持10/100 M以太網(wǎng)口，還支持光纖通信，傳輸速率可以達(dá)到10 Gbps，滿足頻譜數(shù)據(jù)的傳輸速度，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。

2.2 并行快速傅里葉變換算法

數(shù)字頻譜儀的核心算法是快速傅里葉變換的實(shí)時運(yùn)算，在現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部可以直接調(diào)用快速傅里葉變換 IP核完成變換運(yùn)算，但是快速傅里葉變換 IP核能完成變換點(diǎn)數(shù)的上限無法滿足項(xiàng)目中大點(diǎn)數(shù)快速傅里葉變換運(yùn)算的需求。同時，由于項(xiàng)目中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率為2.5 Gsps，現(xiàn)場可編程門陣列的時鐘速度達(dá)不到如此高的速率，因此需要采用并行快速傅里葉變換算法以便滿足高速且大點(diǎn)數(shù)的快速傅里葉變換運(yùn)算。比如，數(shù)字頻譜儀所需的262 144點(diǎn)的快速傅里葉變換，可以分成8路并行快速傅里葉變換進(jìn)行計(jì)算，每路快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)為32 768，每路的工作時鐘為312.5 MHz，現(xiàn)場可編程門陣列的時鐘滿足需求。

根據(jù)Cooley-Tukey FFT算法，對N點(diǎn)序列x[n]做傅里葉變換，定義為

(1)

其中，k=0，1，2，…，N-1。為了實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算，可以將x[n]的N點(diǎn)數(shù)據(jù)排列成M行L列的矩陣，其中N=M×L，則x[n]可以轉(zhuǎn)換成一個二維的快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)，

(2)

令

(3)

(4)

則

(5)

圖6 并行快速傅里葉變換算法Fig.6 Parallel FFT algorithm

根據(jù)上述信號處理流程，對并行快速傅里葉變換算法進(jìn)行仿真，輸入一個頻率為762.94 MHz的正弦信號(包含一個高斯噪聲)的采樣數(shù)據(jù)流，采樣頻率為2.5 Gsps，快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)選為32 768。使用并行快速傅里葉變換算法(M=8，L=4 096)的仿真結(jié)果如圖7(a)，并行算法在現(xiàn)場可編程門陣列上實(shí)現(xiàn)的結(jié)果如圖7(b)。對比兩圖中的信號都是762.94 MHz，沒有顯著不同，表明并行快速傅里葉變換算法在現(xiàn)場可編程門陣列上可以成功運(yùn)用。對262 144點(diǎn)的快速傅里葉變換也做同樣的處理，得到相似的結(jié)果。

3 總 結(jié)

此4套太陽射電頻譜儀可以覆蓋15 MHz～15 GHz的頻譜范圍，用于監(jiān)測從日冕底部到兩個太陽半徑范圍內(nèi)的太陽射電爆發(fā)，這里是太陽射電爆發(fā)初始能量釋放、日冕物質(zhì)拋射、激波形成和加速的主要區(qū)域。同時，此太陽射電頻譜儀具備超高譜分辨率和時間分辨率，達(dá)到甚至超過世界同類設(shè)備的水平，不僅為太陽射電爆發(fā)的研究提供有效的數(shù)據(jù)，而且為空間天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供可靠的數(shù)據(jù)。目前除天線正在加工，接收機(jī)和數(shù)字頻譜儀已經(jīng)研發(fā)完成。數(shù)字頻譜儀的測試數(shù)據(jù)表明，采用并行快速傅里葉變換方式可以實(shí)現(xiàn)大點(diǎn)數(shù)快速傅里葉變換，獲得高分辨率的頻譜。結(jié)合國內(nèi)的日像儀，比如明安圖厘米-分米波射電頻譜日像儀和稻城圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，可以成功完成譜-像結(jié)合方式對太陽射電的觀測研究。