[发明专利]基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台

说明书

基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台，由捷变收发器AD9361电路板、FPGA控制电路板及控制计算机依次连接组成。其中，捷变收发器AD9361电路板的输入信号带宽达到DC～6GHz，其信号输入端与射电天文望远镜的射频输出端相连，控制端和数据输出端与FPGA控制电路板相连，FPGA控制电路板通过网口与主控计算机相连，在主控计算机端集成了控制软件，在该平台上根据窄带谱线射电源红移、中心频点及轮廓展宽等参数，通过FPGA芯片向AD9361下达中心频点、观测带宽及AGC(自动增益控制)增益等参数。本发明针对射电天文中窄带谱线的观测目标，较之于传统设备具有带通选择灵活性高，频谱分辨率高等优点。

技术领域

本发明涉及射电天文中6GHz以下厘米-分米波段内窄带谱线频谱分析观测领域，尤其适合于工作于L-C波段大型望远镜对脉泽、分子谱线的观测要求。

技术背景

微波谱线在射电天文观测中具有举足轻重的地位，可用于诊断相关天体的基本物理及化学条件，如激发温度、粒子密度、物质运动区的速度场、磁感应强度及各种元素的化学丰度等。通过观测获得分子云及恒星形成区的谱线数据后，可以通过适当的近似方法来求解统计平衡辐射转移方程，从而获得天体的各种信息。

通过对分子谱线的观测，将使得我们能够研究包括恒星形成区早期、恒星演化晚期、超新星爆炸(超新星遗迹)、行星状星云、彗星、河外星系等一系列的天文学现象。对它们在C波段谱线的观测研究，关联了很多研究内容，例如：(1)基于6.7GHz甲醇脉泽相关的研究，6.7GHz甲醇脉泽由于其辐射流量大、致密(角大小约4毫角秒，线大小约几个天文单位)、寿命长(约4年)、普遍存在(银河系内探测到1000多个源)以及非常小的内部固有运动等特点成为天文学和天体测量学中的一大热点。它们不仅被用来开展与大质量恒星形成有关的一系列研究，而且通过对它们视差的精确测量可以精确确定银河系的一些关键参数(如旋臂结构，这是迄今为止最高精度的测量方法)，是银河系研究中的一个重点；(2)基于羟基和甲醛谱线的研究，也是近来受到广泛关注的热点领域，包含甲醛样本搜寻以及他们的辐射特性、羟基脉泽的搜寻以及通过羟基偏振观测来研究磁场等一些研究内容；(3)另外还有很多研究内容：比如C波段的分子谱线搜寻等，此处不在一一例举。

高频谱分辨率的谱线观测可以为研究者们带来所研究目标天体内部更细节的信息，它们通常可以使我们追踪到更小尺度的结构以及其中更详细的动力学特征等。又如在某些高精度的谱线观测中需要极高的频率分辨率，例如对塞曼效应的观测中：采用中性氢HI观测，每微高斯磁场产生的频率移动2.8Hz；如采用OH的基态，每微高斯磁场在1.665GHz谱线上产生的频率移动只有3.27Hz,而在1.667GHz谱线上产生的频率移动是1.96Hz。然而，由于目前传统采用的射电天文终端设备是对射电天文模拟信号的高速ADC过采样原理实现的：采样率为f_sample的ADC大约能覆盖f_sample/2带宽的信号目前增加采样率似乎成为解决大带宽数据采集，实现宽频段同时观测的唯一途径。

而在该原理下由于采样率f_sample、FFT点数N和频谱分辨率Δf三者的满足以下关系：

故在传统采样原理下，做谱线的高精度轮廓结构观测是非常困难的。因为在采样率一定的情况下，如果要得到更高的频谱分辨率就必须增加FFT变换点数N^[5]，这就需要耗费处理器内部乘法器，累加器以及存储单元等资源，这样大大增加了冗余数据量，对无信号频段也需要同时进行分析。