射电望远镜相控阵接收机信号处理关键技术研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 裴鑫
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| 答辩日期 | 2022-05-25 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 王娜 |
| 关键词 | 射电天文，数字接收机，相控阵馈源，数字波束合成，射频直接采样 |
| 学位名称 | 理学博士 |
| 学位专业 | 天文技术与方法 |
| 其他题名 | Research on Key Techniques of Signal Processing for Radio Telescope Phased Array Feed (PAF) Receiver |
| 英文摘要 | 大型射电望远镜一项突出的优势是通过增加口径来提高观测灵敏度，以探测更加暗弱的天体，常用来进行未知天体的搜寻发现。然而，大型望远镜的观测视场却随着口径的增加而减小，导致单位时间内观测天区的面积减小，巡天效率下降。相控阵馈源（PAF）是近些年在射电天文得到大力发展的一种多波束接收机技术，它可以将多个馈电单元安装于望远镜焦平面，通过电子扫描来形成多个同步波束，从而增大望远镜的观测视场，提高巡天效率。同时，这些密集交叠的波束还可以形成连续的天空覆盖，通过动态波束合成可以实现多种灵活的观测模式。PAF接收机是大型射电望远镜的巡天利器。 下一代射电天文PAF阵元数量达到上百个，信号带宽高达GHz，PAF前端设计复杂度高，信号处理系统开发挑战大。本文引入数字化接收机设计思路，采用新一代高集成度、高性能射频片上系统（RFSoC）技术，靠近PAF阵元数字化，降低模拟前端复杂度，减小空间和重量，提高信号采集保真度，满足馈源阵列紧凑化设计要求。本研究面向下一代大规模、超宽带PAF接收机信号处理关键技术，开展了数字化前端设计、数字波束合成网络设计以及相关仿真实验，论文完成的主要工作如下： （1）对RFSoC平台的采样特性、功耗、电磁辐射特性、高速传输端口等进行了测试，评估了RFSoC技术应用到射电天文PAF数字接收机设计的可行性。测试结果表明RFSoC集成式设计较分立式信号采集功耗降低一半以上、电磁辐射更弱，RFSoC信号采集和数据卸载能力强、信号采集质量高，非常适合大规模、宽带PAF信号的采集和处理。 （2）开发了基于RFSoC的数字化PAF前端，在CASPER开发工具流的辅助下，设计了最高采样速率4.096 GSPS、12 bit精度、8通道信号采集和预处理固件程序，根据波束合成计算特征开发了信道化、多级数据重排和格式化等模块，将多通道宽带信号变换组合为多条窄带数据流通过多条高速网络链路输出，实现了PAF信号的超高速采集与多路径交叉分发。开发了基于GPU服务器集群的实时数字波束合成后端，采用高可获取共享管道引擎框架和交叉连接波束合成网络拓扑，设计了HRBF_HASHPIPE数字波束合成算法，并采用锁页内存、批处理、非统一内存访问绑定和获取原始套接字等方法对算法和计算架构进行了优化，实现了超高速数据流的多线程实时并行处理，单台服务器搭载4块RTX 3090 GPU运行4个实例下的信号处理带宽达到256 MHz，波束合成参数可动态调整。 （3）建立了RFSoC+GPU混合架构的PAF信号采集与实时处理仿真实验平台。采用软件模拟产生测试数据对GPU波束合成算法的准确性进行了验证；对实验平台的信号采集同步性和数据传输完整性进行了测试，并采用2块RFSoC平台直接采集Vivaldi天线阵列射频信号，开展了不同阵元处理规模和波束合成数量的仿真实验。实验验证了算法的有效性和实验平台的准确、高效，建立了灵活度高、可扩展性好的混合架构集群波束合成网络计算模型，为下一代PAF的多通道、超宽带信号采集和海量数据实时处理提供了技术参考。 （4）针对新疆110米口径全可动射电望远镜（QTT）规划的20 cm PAF接收机参数指标，规划了基于RFSoC的数字化PAF前端设计方案，给出了三种配置下的基于RFSoC+GPU混合架构的分布式PAF信号处理与波束合成网络设计，仿真分析了不同波束合成算法的特征和面对干扰的自适应性，仿真分析了PAF阵元间距、阵元排列形状、合成波束数量、子阵阵元数量等参数对波束合成计算复杂度和观测视场的影响，为QTT波束合成系统的设计提供参考。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 121 |
| 源URL | [http://ir.xao.ac.cn/handle/45760611-7/5162]  |
| 专题 | 研究生 |
| 作者单位 | 中国科学院新疆天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 裴鑫. 射电望远镜相控阵接收机信号处理关键技术研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆天文台
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