数字射电望远镜阵列相关的技术研究及其应用

Very low frequency (VLF) (< 30 MHz), as one of the last unexplored frequency band, the potential scientific outcome make it being a highlight in radio astronomy. In low frequency radio observations, most of the new-generation telescopes adopt the technology of digital antenna array to achieve the all-sky radio imaging. This digital radio telescope will provide very flexible radio observations and very high observation efficiency, however, its technological complexity is quite challenging. In this proposal some key technologies of digital radio telescope will be studied, and a small VLF digital antenna array will be built with low cost. The main researches include: digital multi-beamforming, wide field imaging and calibration, three-dimension synthesis imaging, and complex RFIs mitigation. With these studies the technologies of building a digital radio telescope will be broke though, which will provide the solid basis for the new-generation digital radio telescope in China. Meanwhile, the latest studies show that the present solar activity cycle is a minimal period, and the solar activities will reach the minimum level around 2020. At that time the cutoff frequency of the Earth’s ionosphere will decrease to few MHz, which make it possible to detect the celestial radio emission with the terrestrial telescope. The researches in this proposal will be applied to this detection, it is expected to first get the high-resolution sky radio survey and imaging below 10 MHz.

甚低频 (< 30MHz)，作为最后几个未被观测的频段之一，潜在的科学发现使它成为目前射电天文研究的热点。新一代的低频射电望远镜大都采用数字天线阵列的技术来实现全天空成像， 具有很高的观测效率和灵活性，然而这种望远镜技术上复杂度很高。本项目基于数字射电望远镜的关键技术进行研究，并将建造一个小型的甚低频数字天线阵列。主要研究：数字多波束形成技术、大视场成像和校准方法、三维综合孔径成像以及复杂射电干扰的去除技术。通过这些研究将突破数字天线阵列的建造技术，为我国建设下一代数字望远镜提供技术基础。同时新的研究表明，太阳活动在当前的11年周期内为一极小期，并将在2020年左右达到谷底，届时受太阳活动影响地球电离层的截止频率会降到几MHz甚至更低，这就为利用地基射电望远镜对10MHz以下的宇宙信号进行观测成为可能。本项目将被应用到这一观测中，有望能首次实现10MHz以下的高分辨率巡天和成像观测。

甚低频 (<30MHz)，作为最后几个未被观测的频段之一，具有发现新的重大科学的潜力。数字射电阵列技术作为新一代低频射电望远镜的关键技术，其技术比较复杂。本项目主要对数字天线阵列的一些关键技术进行研究。通过这些研究，将建造一个小型的甚低频数字天线阵列，并在2020年左右这一甚低频射电观测的特殊窗口期进行地基的甚低频观测。同时，为未来的空间甚低频射电阵列打下一定的技术基础。..研究中，采用相对简单的有源阵子天线作为甚低频观测的天线，并对有源天线的关键部件低噪声放大器(LNA)进行了深入的研究，设计了低噪声的场效应管和低功耗的电流反馈放大器组成的两级放大器，满足了射电阵列对LNA超宽带和低噪声的需求。针对未来的空间甚低频望远镜，设计了7.5米长的Tripole天线作为其天线单元，并提出缩比模型的方法对天线的甚低频噪声性能进行测试，利用开发的原型天线首次在室外完成和验证了的甚低频天线的噪声测试。..在小型甚低频射电阵列的研究中，提出了与抛物面天线共用支撑结构的低频天线建设方案；设计开发了超低噪声的低频光传输模块；采用共享数字化链路的方式首次利用硬件实现了数字波束和综合孔径相关双模数字接收机；此外，在数字多波束形成技术的研究，提出了改进的MVDR算法，获得了不错的效果。上述研究均成功应用到了所建设的小型甚低频阵列中。目前，该阵列的所有设备均已研制完成，将进行最后的安装调试。同时，作为国内仅有的甚低频射电阵列，其也将与嫦娥四号上的中-荷低频探测器(NCLE)进行联合观测。..针对未来的月基甚低频阵列，提出了利用月基低频天线进行超高能宇宙射线和中微子探测的方法，并对月面和月球轨道上天线的探测能力进行了研究，分析了不同轨道对其的影响，仿真结果证明了该方法探测的有效性。..另外，在研究中深度参与了NCLE项目，对NCLE的射电干扰及其去除方法进行了研究。在射电阵列的设计中，对电磁环境监测、天线的偏振与匹配、数字接收机设计以及阵列的校准等方面也进行了研究。