FAST相控阵馈源的系统建模及信号处理研究

For radio astronomical telescopes, the field of view is an important parameter to be concerned. The greater field of view means that we can observe or survey large-area sky much more efficiently. Relative to traditional multi-beam waveguide horn feeds, phased array feeds (PAF) for radio telescopes can increase the instrument field of view and sky survey speed. This project will support the research on L-band wide-field multi-beam receiver based on phased array feeds technique for the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST), which is one of the large research infrastructures in Chinese Academy of Sciences. The PAF modeling for reflector, array feeds and system noise, optimal noise matching for microwave components and signal processing will be stressed in this project. A software platform combined the PAF system modeling and optimal noise matching design will be developed, and the phased array feeds for FAST telescope will be designed by using this software platform. Some key signal processing algorithms, which include digital correlation, system calibration, beamforming and radio frequency interference (RFI) mitigation, will be proposed, and the field programmable gate array (FPGA) implementation for these algorithms will be carried on. This project is an advanced topic in the new technique field of radio telescopes. It has a specific and urgent application demand because this research will provide a solid theoretical foundation and practical experience for the future PAF receiver in the actual FAST telescope.

射电天文望远镜设计的一个重要指标是视场，大视场意味着我们能够更有效地进行大范围的空间观测或搜索。相比传统的多波束波导喇叭馈源，相控阵馈源（PAF）能够扩大射电望远镜的视场和提高空间搜索速度。本课题针对国家重大科技基础设施500米球反射面射电望远镜（FAST），研究L波段大视场多波束PAF接收机的系统建模和信号处理，着重解决PAF系统的反射面、馈源阵列和噪声建模、微波组件的最优噪声匹配和信号处理方面的理论和设计问题。开发面向FAST的PAF系统建模和最优噪声匹配设计的软件仿真平台，完成PAF系统馈源阵列的设计。研究PAF宽带系统的数字相关、系统标定、波束形成和无线电干扰消除等信号处理关键算法，完成相应的FPGA开发。本基金项目是射电望远镜设计领域的一个前沿新技术课题，对其开展研究有着非常明确和迫切的应用需求，为将来在FAST射电望远镜中配置PAF接收机的实际应用奠定坚实的理论基础和设计经验。

针对国家重大科技基础设施500米球反射面射电望远镜（FAST），研究L波段大视场多波束PAF接收机的系统建模和信号处理，开发面向FAST-PAF系统建模和最优噪声匹配设计的软件仿真平台，完成PAF系统馈源阵列的设计。具体工作如下：.（1）FAST-PAF系统建模和最优噪声匹配设计：完成FAST-PAF系统建模和馈源优化设计研究，包括反射面及其焦面场建模、相控馈源阵列建模和系统噪声建模，其中系统噪声包括接收机噪声、泄漏噪声、空间辐射噪声、 欧姆噪声和无线电干扰噪声等。完成FAST-PAF系统的噪声温度和性能估算，具体指标包括输出信号信噪比、波束灵敏度、口径效率、泄漏效率、辐射效率、天线效率和噪声匹配效率等。完成FAST相控阵馈源系统的最优噪声匹配设计和HFSS-MATLAB的联合仿真，包括独立阻抗匹配、自阻抗匹配、动态阻抗匹配、多波束平均最优噪声匹配等。.（2）FAST-PAF系统馈源设计：完成FAST反射面天线建模与焦面场分析。确定FAST-PAF系统馈源天线的阵列布局，主要包括阵列形式、阵元数目、阵元间距以及多波束子阵组成。按照FAST-PAF指标要求，设计出单极化圆柱偶极子和五种双极化馈源天线，分别是短背射偶极子馈源天线、微带偶极子馈源天线、微带巴伦馈电的偶极子馈源天线、电磁偶极子馈源天线和Vivaldi馈源天线。.（3）FAST-PAF系统信号处理算法研究：完成FAST-PAF系统中相关信号处理算法研究，主要包括相控馈源系统标定、无线电干扰消除、稳健波束形成、唯相位波束形成和宽带波束形成等。重点解决导向矢量和系统噪声协方差阵存在估计误差情况下的稳健波束形成、无线电干扰消除和宽带波束形成等。.（4）软件开发和相控阵馈源系统信号处理硬件平台设计：一是完成面向FAST-PAF系统建模和馈源优化设计的软件平台开发，具体包括布阵设计、系统仿真和结果显示三个模块，软件适用于矩形栅格、斜栅格以及任意形状栅格布阵方式，可以实现考虑耦合和不考虑耦合两种情况下的大型平面阵列分析和相控阵系统性能分析；二是搭建相控阵馈源系统信号处理硬件平台，在此平台上完成部分信号处理算法的FPGA设计和验证研究。