本發(fā)明涉及數(shù)字波束合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

平方公里射電陣(Square Kilometre Array，SKA)是目前人類興建的最大天文觀測設(shè)備，SKA所期望探索的科學(xué)目標(biāo)對其性能指標(biāo)提出了非?？量痰囊?，這也就使得諸多前沿的射電觀測技術(shù)被應(yīng)用于SKA。中國作為SKA主要參與國，必須在SKA正式運(yùn)行之后能夠有效地處理和分析其科學(xué)數(shù)據(jù)，這一目標(biāo)離不開中國射電天文工作者對其中諸多前沿技術(shù)的深入理解，而低頻射電陣列的數(shù)字波束合成技術(shù)便是其中最為重要的技術(shù)之一。同時(shí)為了后續(xù)能夠順利的研發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，也必須對數(shù)據(jù)的獲得過程和數(shù)字波束合成的工作原理有充分深入地理解。

我國自主研發(fā)的臺址位于新疆天山的21厘米陣(21cm Array，21CMA)望遠(yuǎn)鏡是我國唯一自行研制的工作在低頻射電波段的干涉陣，也是國際上建設(shè)最早的SKA探路者項(xiàng)目。21CMA采用的是基于固定電纜長度的相位調(diào)整技術(shù)完成波束合成，屬于模擬波束合成技術(shù)。目前，21CMA正在考慮由模擬波束形成向數(shù)字波束合成升級。所以我國尚無采用數(shù)字波束合成技術(shù)開展干涉觀測的先例，這一空白亟待填補(bǔ)，因此低頻射電陣列的數(shù)字波束合成系統(tǒng)的研制的必要性和迫切性十分明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，其能夠填補(bǔ)射電天文觀測數(shù)字波束合成技術(shù)的空白。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，主要由控制中心和遠(yuǎn)程系統(tǒng)兩大部分組成。上述控制中心包括3個(gè)控制光收發(fā)器和計(jì)算機(jī)集群；其中計(jì)算機(jī)集群設(shè)有主時(shí)鐘信號輸出接口、觸發(fā)信號輸出接口和以太網(wǎng)信號輸出接口；計(jì)算機(jī)集群的主時(shí)鐘信號輸出接口連接第一控制光收發(fā)器的輸入端；計(jì)算機(jī)集群的觸發(fā)信號輸出接口連接第二控制光收發(fā)器的輸入端；計(jì)算機(jī)集群的以太網(wǎng)信號輸出接口連接第三控制光收發(fā)器的輸入端。上述遠(yuǎn)程系統(tǒng)包括N個(gè)天線單元、2個(gè)功分器、1個(gè)交換機(jī)和3個(gè)遠(yuǎn)程光收發(fā)器；每個(gè)天線單元包括1面對數(shù)周期天線和1臺主機(jī)；每臺主機(jī)均設(shè)有模擬信號輸入接口、時(shí)鐘信號輸入接口、觸發(fā)信號輸入接口和路由網(wǎng)口；每面對數(shù)周期天線的輸出端接入主機(jī)的模擬信號輸入接口；第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端連接第一控制光收發(fā)器的輸出端，第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接一個(gè)功分器即時(shí)鐘信號功分器的輸入端，該時(shí)鐘信號功分器的輸出端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的時(shí)鐘信號輸入接口；第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端連接第二控制光收發(fā)器的輸出端，第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接另一個(gè)功分器即觸發(fā)信號功分器的輸入端，該觸發(fā)信號功分器的輸出端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的觸發(fā)信號輸入接口；第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端連接第三控制光收發(fā)器的輸出端，第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接交換機(jī)的輸入端，該交換機(jī)的輸入端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的路由網(wǎng)口。上述N為大于1的正整數(shù)。

作為改進(jìn)，上述低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，還進(jìn)一步包括控制光纖多路復(fù)用器和遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器；控制光纖多路復(fù)用器的2個(gè)輸入端分別連接第二控制光收發(fā)器的輸出端和第三控制光收發(fā)器的輸出端；控制光纖多路復(fù)用器的輸出端與遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的輸入端連接；遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的2個(gè)輸出端分別連接第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端和第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端。

上述方案中，第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端與第一控制光收發(fā)器的輸出端之間，第二控制光收發(fā)器的輸出端與控制光纖多路復(fù)用器的一個(gè)輸入端之間，以及遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的一個(gè)輸出端與第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端之間均通過1310nm波長光纖連接。第三控制光收發(fā)器的輸出端與控制光纖多路復(fù)用器的另一個(gè)輸入端之間，以及遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的另一個(gè)輸出端與第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端之間均通過1480nm波長光纖或1550nm波長光纖連接。

作為改進(jìn)，每個(gè)天線單元還進(jìn)一步包括1個(gè)低噪聲放大器、2個(gè)中頻放大器和1個(gè)帶通濾波器；對數(shù)周期天線的輸出端依次經(jīng)過低噪聲放大器、第一中頻放大器、帶通濾波器和第二中頻放大器后接入主機(jī)的模擬信號輸入接口。

上述方案中，計(jì)算機(jī)集群中配備有DSP和FPGA。

上述方案中，N個(gè)天線單元中的其中一個(gè)天線單元設(shè)為主天線單元，該主天線單元的主機(jī)中配備有GPU和FPGA。

上述方案中，N個(gè)對數(shù)周期天線呈規(guī)則排列。

上述數(shù)字波束合成系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的的一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成方法，包括步驟如下：

步驟1、控制中心主要為遠(yuǎn)程系統(tǒng)的各個(gè)天線單元提供A/D采樣所需的時(shí)鐘信號和觸發(fā)信號，以及以太網(wǎng)信號；同時(shí)控制遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步和觸發(fā)信號同步；

步驟2、遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主天線單元將每個(gè)天線單元所采集的數(shù)字信號使用FIR濾波器加FFT變換進(jìn)行信號信道化分即多相濾波器組信道化，每個(gè)天線單元得到M個(gè)信道的窄帶信號；

步驟3、遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主天線單元對每個(gè)天線單元在M個(gè)信道下的窄帶信號進(jìn)行相位補(bǔ)償；

步驟3.1、在每個(gè)天線單元附近發(fā)射一個(gè)波束作為參考信號；

步驟3.2、將每個(gè)天線單元的M個(gè)信道的窄帶信號分別與這個(gè)參考信號作互相關(guān)，分別求解出它們與參考信號中間的相位差Δφ；

步驟3.3、將每個(gè)天線單元的M個(gè)信道的窄帶信號分別作快速傅里葉變換；

步驟3.4、將步驟3.3所得到的快速傅里葉變換結(jié)果分別與步驟3.2中求解出的對應(yīng)的相位因子e^jΔφ相乘，得到每個(gè)天線單元在M個(gè)信道下的補(bǔ)償窄帶信號；

步驟4、在相同信道下，遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主天線單元將所有天線單元的補(bǔ)償窄帶信號分別進(jìn)行疊加，得到M個(gè)信道下的波束方向圖，由此完成數(shù)字波束合成；

上述M為大于1的正整數(shù)。

上述步驟3.3中，快速傅里葉變換是在遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主天線單元中，基于GPU并行實(shí)現(xiàn)的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、填補(bǔ)了我國低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)的空白，幫助相關(guān)研究人員掌握數(shù)字波束射電干涉觀測技術(shù)，其波束合成數(shù)據(jù)結(jié)果將面向SKA的數(shù)據(jù)處理程序提供重要的測試樣本；

2、采用A/D前置的分布式數(shù)字化采集的方式，直接通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)將接收信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可以避免傳輸模擬信號存在的信號衰減和幅度/相位不一致的問題；

3、在遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步方面，由于控制中心與遠(yuǎn)程系統(tǒng)之間的距離千米量級，以往的本地時(shí)鐘分發(fā)方案實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步將無法使用，因此本發(fā)明提出使用光纖傳送時(shí)鐘信號，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步，使用帶寬濾波器有效抑制了光收發(fā)器的非線性效應(yīng)，為了提高遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步的精度，使用高精度的功分器進(jìn)行時(shí)鐘分發(fā)；

4、提出了一種新的數(shù)字波束合成方法，使用FIR濾波器加FFT信道劃分及數(shù)字移相技術(shù)，大大提高了波束合成的計(jì)算速度和精度，能夠靈活并精確的控制波束指向；

5、本發(fā)明的數(shù)字波束合成采用分布式疊加方法，可拓展性良好，比較適合于大規(guī)模天線陣列的數(shù)字波束合成，能夠應(yīng)用于平方公里陣SKA這種規(guī)模的低頻射電陣列中；

6、相比國內(nèi)僅有的基于固定電纜長度的相位調(diào)整技術(shù)完成波束合成方法精度要高得多。

附圖說明

圖1為低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)框圖。

圖2為低頻射電陣列天線布局圖。

圖3為低頻射電陣列數(shù)字波束合成方法流程圖。

圖4為多相濾波器組信道化數(shù)學(xué)模型。

具體實(shí)施方式

下面通過一個(gè)具體的實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，但需要指出的是本發(fā)明不僅限于下述實(shí)施例。

一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，如圖1所示，其主要由控制中心和遠(yuǎn)程系統(tǒng)兩大部分組成。在本發(fā)明中所述控制中心與遠(yuǎn)程系統(tǒng)的實(shí)際距離為1200米左右。

上述控制中心包括1個(gè)控制光纖多路復(fù)用器、3個(gè)控制光收發(fā)器和配備有高速DSP和FPGA的計(jì)算機(jī)集群。上述控制中心包括1個(gè)控制光纖多路復(fù)用器、3個(gè)控制光收發(fā)器和計(jì)算機(jī)集群；其中計(jì)算機(jī)集群設(shè)有主時(shí)鐘信號輸出接口、觸發(fā)信號輸出接口和以太網(wǎng)信號輸出接口；計(jì)算機(jī)集群的主時(shí)鐘信號輸出接口連接第一控制光收發(fā)器的輸入端；計(jì)算機(jī)集群的觸發(fā)信號輸出接口連接第二控制光收發(fā)器的輸入端，第二控制光收發(fā)器的輸出端連接控制光纖多路復(fù)用器的一個(gè)輸入端；計(jì)算機(jī)集群的以太網(wǎng)信號輸出接口連接第三控制光收發(fā)器的輸入端，第三控制光收發(fā)器的輸出端連接控制光纖多路復(fù)用器的另一個(gè)輸入端。

控制中心的時(shí)鐘信號的頻率為400MHz，由高速DSP板卡提供。控制中心的時(shí)鐘信號進(jìn)入第一控制光收發(fā)器經(jīng)1310nm波長光纖送入地下光纜傳送至遠(yuǎn)程系統(tǒng)。

控制中心的觸發(fā)信號為TTL電平信號，由TTL模塊提供。觸發(fā)信號的作用是使能A/D采樣模塊進(jìn)行采樣，高電平有效，這個(gè)觸發(fā)信號由控制中心啟動(dòng)和停止?？刂浦行牡挠|發(fā)信號進(jìn)入第二控制光收發(fā)器經(jīng)控制光纖多路復(fù)用器送入地下光纜傳送至遠(yuǎn)程系統(tǒng)。

控制中心的以太網(wǎng)信號由控制中心的交換機(jī)提供。控制中心的以太網(wǎng)信號進(jìn)入第三控制光收發(fā)器經(jīng)控制光纖多路復(fù)用器送入地下光纜傳送至遠(yuǎn)程系統(tǒng)。

上述遠(yuǎn)程系統(tǒng)包括19個(gè)天線單元、2個(gè)功分器、1個(gè)交換機(jī)、3個(gè)遠(yuǎn)程光收發(fā)器和1個(gè)遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器。2個(gè)功分器型號相同，為一分24路功分器即具有1路輸入接口和24路輸出接口，工作頻率范圍為250MHz-500MHz，輸入駐波比為1.09:1，所有接口的接頭形式為SMA型。每個(gè)天線單元包括1面對數(shù)周期天線、1個(gè)低噪聲放大器、2個(gè)中頻放大器、1個(gè)帶通濾波器和1臺主機(jī)；每臺主機(jī)均設(shè)有模擬信號輸入接口、時(shí)鐘信號輸入接口、觸發(fā)信號輸入接口和路由網(wǎng)口；每面對數(shù)周期天線的接收信號依次進(jìn)入低噪聲放大器、第一中頻放大器、帶通濾波器和第二中頻放大器，最后的輸出信號進(jìn)入主機(jī)的模擬信號輸入接口；第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端連接第一控制光收發(fā)器的輸出端，第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接一個(gè)功分器即時(shí)鐘信號功分器的輸入端，該時(shí)鐘信號功分器的輸出端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的時(shí)鐘信號輸入接口；遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的輸入端連接控制光纖多路復(fù)用器的輸出端；遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的一個(gè)輸出端連接第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端，第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接另一個(gè)功分器即觸發(fā)信號功分器的輸入端，該觸發(fā)信號功分器的輸出端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的觸發(fā)信號輸入接口；遠(yuǎn)程光纖多路復(fù)用器的另一個(gè)輸出端連接第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸入端，第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接交換機(jī)的輸入端，該交換機(jī)的輸入端的N路輸出端分別連接N個(gè)主機(jī)的路由網(wǎng)口。

每個(gè)天線單元包括1面對數(shù)周期天線、1個(gè)低噪聲放大器LNA、2個(gè)中頻放大器、1個(gè)帶通濾波器和1臺主機(jī)。每個(gè)天線單元的主機(jī)配有精度為8bits的A/D采樣模塊，采樣速率均為400Mbps，每個(gè)A/D采樣模塊有3個(gè)接口，分別是模擬信號接口、時(shí)鐘信號接口和觸發(fā)信號接口。此外，每個(gè)天線單元的主機(jī)還配備有路由網(wǎng)口。19面對數(shù)周期天線的工作頻率是50MHz-200MHz，19面對數(shù)周期天線的布局圖如圖2所示，按照正六邊形狀分布，正六邊形的邊長為2.8米。每面對數(shù)周期天線的接收信號依次進(jìn)入低噪聲放大器LNA、第一中頻放大器(60dB)、帶通濾波器(50-200MHz)和第二中頻放大器(60dB)，最后的輸出信號進(jìn)入主機(jī)的A/D采樣模塊的模擬信號接口，作為A/D采樣模塊的模擬輸入信號。19個(gè)天線單元中的其中一個(gè)天線單元設(shè)為主單元，主單元的主機(jī)中配備有高速FPGA板和GPU。

在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中,所述低噪聲放大器LNA的指標(biāo)如下：

(1)輸入頻率：50～200MHz；

(2)噪聲系數(shù)：≤1dB；

(3)阻抗：50Ω；

(4)輸入、輸出駐波比：≤1.5:1；

(5)輸入電平：0.0132mV(RMS)；

(6)增益：80dB；

(7)增益平坦度：≤±1dB；

(8)輸出P1dB：≥10dBm。

第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器輸入端連接1310nm波長光纖，該光纖承載400MHz時(shí)鐘信號即上述控制中心經(jīng)地下光纜傳送的時(shí)鐘信號。第一遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接1個(gè)功分器即時(shí)鐘信號功分器的輸入端，該時(shí)鐘信號功分器的輸出端選取19路，每路將輸出與輸入信號相同的400MHz時(shí)鐘信號，時(shí)鐘信號功分器的19路輸出端分別連接19臺主機(jī)的A/D采樣模塊的時(shí)鐘信號接口。時(shí)鐘信號功分器的目的是使得19個(gè)A/D采樣的輸入時(shí)鐘信號同步。

第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器輸入端連接1310nm波長光纖，該光纖承載觸發(fā)信號即上述控制中心經(jīng)地下光纜傳送的觸發(fā)信號。第二遠(yuǎn)程光收發(fā)器輸出端連接第1個(gè)功分器即觸發(fā)信號功分器的輸入端，該觸發(fā)信號功分器的輸出端選取19路，每路將輸出與輸入信號相同的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號功分器的19路輸出端分別連接19臺主機(jī)的A/D采樣模塊的觸發(fā)信號接口。觸發(fā)信號功分器的目的是使得19個(gè)A/D采樣的輸入觸發(fā)信號同步。

第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器輸入端連接1480nm波長光纖或1550nm波長光纖，該光纖承載以太網(wǎng)信號即上述控制中心經(jīng)地下光纜傳送的以太網(wǎng)信號。第三遠(yuǎn)程光收發(fā)器的輸出端連接遠(yuǎn)程系統(tǒng)的交換機(jī)，該交換機(jī)路由出19個(gè)以太網(wǎng)信號，使用19條網(wǎng)線將19臺主機(jī)的19個(gè)路由網(wǎng)口相連。

經(jīng)過A/D采樣后，除了主單元外，其余單元實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送至主單元，隨后進(jìn)入主單元的FPGA開發(fā)板進(jìn)行數(shù)字波束合成。

本發(fā)明所提出的低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)，其主要由控制中心和遠(yuǎn)程系統(tǒng)組成，由控制中心傳送時(shí)鐘信號、觸發(fā)信號和以太網(wǎng)信號給遠(yuǎn)程系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程系統(tǒng)完成數(shù)字波束合成。其采用A/D前置的分布式數(shù)字化采集的方式，避免了傳輸模擬信號存在的信號衰減和幅度/相位不一致的問題。使用光纖傳送時(shí)鐘信號實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步，并通過帶寬濾波器有效抑制了光收發(fā)器的非線性效應(yīng)，使用高精度的功分器進(jìn)行時(shí)鐘分發(fā)，提高了遠(yuǎn)程時(shí)鐘同步的精度。

基于上述系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的一種低頻射電陣列數(shù)字波束合成系統(tǒng)及方法，包括如下步驟：

步驟1、控制中心主要為遠(yuǎn)程系統(tǒng)提供(輸送)A/D采樣模塊所需的時(shí)鐘信號和觸發(fā)信號，以及為遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主機(jī)提供所需的以太網(wǎng)信號，同時(shí)控制遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步、觸發(fā)信號同步，最終共同完成數(shù)字波束合成。

步驟2、遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主天線單元將每個(gè)天線單元所采集的數(shù)字信號使用FIR濾波器加FFT變換進(jìn)行信號信道化分即多相濾波器組信道化，每個(gè)天線單元得到M個(gè)信道的窄帶信號。

所述數(shù)字波束合成基本原理：

假設(shè)陣列為線陣，陣元數(shù)為P，線陣各陣元間距為d，入射平面波與線陣法線方向的夾角為則相鄰陣元接收信號的波程差為信號延時(shí)τ為其中c是光速。假設(shè)以第一個(gè)陣元的接收信號x₁(2πft)為參考信號(沒有延時(shí))，則第m個(gè)陣元的接收信號延時(shí)P個(gè)陣元指向的波束表達(dá)式為：

$y_b\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{P}{\Σ}}{a}_m{x}_m\left(2\mathrm{\π}f\right(t-t_{mb}\left)\right)$

其中，a_m是一個(gè)空間權(quán)重函數(shù)，通常取窗函數(shù)。

由于天線接收的信號是帶寬為150MHz的寬帶信號，本發(fā)明考慮對寬帶信號進(jìn)行信道化分，把每個(gè)天線接收的寬帶信號分別化分為N＝150個(gè)信道的窄帶信號即每個(gè)信道帶寬為1MHz。這時(shí)再使用上述的數(shù)字波束合成理論對每個(gè)信道的輸出信號進(jìn)行波束合成。

此時(shí)時(shí)域上的延時(shí)變換為頻域上作相移來實(shí)現(xiàn)，有其中f₀是信號的中心頻率。因此，得到頻域波束合成表達(dá)式為：

根據(jù)上述波束合成原理，本發(fā)明提出一種基于多相濾波器組信道化數(shù)字移相波束合成方法：上述遠(yuǎn)程系統(tǒng)采集的數(shù)字信號進(jìn)入主單元的高速FPGA開發(fā)板后使用FIR濾波器加FFT變換進(jìn)行信號信道化分即多相濾波器組信道化，得到150個(gè)信道窄帶信號，然后各陣元在相同信道下作天線校準(zhǔn)即相位補(bǔ)償，再進(jìn)行疊加求和，得到150個(gè)信道下的波束方向圖，如圖3所示。不同信道下各陣元的校準(zhǔn)和相位補(bǔ)償是不同的，會隨著頻率的變化而變化，所有信道下波束的集合將是時(shí)間和頻率的一個(gè)函數(shù)。

所述FIR濾波器加FFT變換進(jìn)行信號信道化數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。采樣后的數(shù)字信號信號x(n)先進(jìn)行r點(diǎn)延時(shí)和M倍抽取后得到x_r(n)＝x(nM-r)，然后進(jìn)入多相濾波器組，得到s_r(n)＝x_r(n)*h_r(n)。其中，符號*表示卷積運(yùn)算；h_r(n)為第r+1信道濾波器的沖激響應(yīng)。這里，多相濾波器使用的低通濾波器原型通常是Parks-McClellan窗。多相濾波器組間單位沖激響應(yīng)的關(guān)系為h_r(m)＝h(mD+r)，其中，h是原型濾波器的沖激響應(yīng)。最后信道化的輸出表達(dá)式為y_r(n)＝DFT{s_r(n)}。為了提高計(jì)算效率，一般使用快速傅里葉變換FFT。

步驟3、遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主天線單元對每個(gè)天線單元在M個(gè)信道下的窄帶信號進(jìn)行相位補(bǔ)償(即校準(zhǔn))。

所述數(shù)字波束合成天線校準(zhǔn)方法，具體方法如下：

(1)在天線陣列附近發(fā)射一個(gè)波束作為參考信號,這個(gè)信號是一個(gè)已知信號，通過這個(gè)參考信號的方向來控制本發(fā)明合成波束的指向。

(2)19路數(shù)字信號經(jīng)信道劃分后的信號分別與這個(gè)參考信號作互相關(guān)，分別求解出它們與參考信號中間的相位差Δφ。求解相位差的方法是互相關(guān)法，基本原理：假設(shè)兩個(gè)信號x₁(t)和x₂(t)，分別對它們進(jìn)行FFT之后得到和互相關(guān)表達(dá)式為因此互相關(guān)之后的相位即為兩個(gè)信號的相位差。

(3)19路數(shù)字信號經(jīng)信道劃分后的信號作快速傅里葉變換FFT，得到的結(jié)果分別與步驟(2)中求解出的對應(yīng)相位因子e^jΔφ相乘?？焖俑道锶~變換FFT是基于GPU并行實(shí)現(xiàn)的FFT，以提高FFT計(jì)算速率。

步驟4、步驟3的得到結(jié)果在相同信道下進(jìn)行疊加求和，得到150個(gè)信道下的波束結(jié)果。疊加求和采用分布式方法，步驟(3)得到的結(jié)果在相同信道下有19路信號，對19路信號用1-19數(shù)字進(jìn)行編號即第1級①和②相加、③和④相加，以此類推，剩下和第1級得到的9個(gè)結(jié)果，再進(jìn)行重新編號：①-⑩，進(jìn)入第2級運(yùn)算，①和②相加、③和④相加，以此類推，得到5個(gè)結(jié)果，又進(jìn)行重新編號：①-⑤，進(jìn)入第3級運(yùn)算，以相同方法類推，直到得到1個(gè)結(jié)果輸出。

本發(fā)明所提出的使用FIR濾波器加FFT信道劃分及數(shù)字移相技術(shù)的數(shù)字波束合成方法，大大提高了波束合成的計(jì)算速度和精度，能夠靈活并精確的控制波束指向。采用分布式疊加方法，可拓展性良好，比較適合于大規(guī)模天線陣列的數(shù)字波束合成，能夠應(yīng)用于平方公里陣SKA這種規(guī)模的低頻射電陣列中。相比國內(nèi)僅有的基于固定電纜長度的相位調(diào)整技術(shù)完成波束合成方法精度要高得多。它將填補(bǔ)射電天文觀測數(shù)字波束合成技術(shù)的空白，幫助相關(guān)研究人員掌握數(shù)字波束射電干涉觀測技術(shù)，其波束合成數(shù)據(jù)結(jié)果將面向SKA的數(shù)據(jù)處理程序提供重要的測試樣本。