基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法及系统

摘要

本发明提供一种基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法，包括：空间望远镜和多个地面望远镜组成VLBI干涉系统，获取来自空间望远镜和来自多个地面望远镜的原始观测数据；基于空间望远镜和地面望远镜的之间原始观测数据的相关处理以及地面望远镜之间的原始观测数据的相关处理，经过相干合成得到经过增强的VLBI信号。本发明的空间VLBI信号增强方法基于VLBI互相关谱合成的空间VLBI信号增强技术，同时完成地基VLBI望远镜观测原始信号合成与空间‑地面VLBI基线相关处理，实现单个地基口径望远镜与空间小口径望远镜进行月地VLBI的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间VLBI信号增强方法，具体涉及一种基于VLBI互相关谱合成的空间VLBI信号增强技术方法及系统。

背景技术

天文观测，最终都需要追求灵敏度或空间分辨率。甚长基线干涉测量(Very LongBaseline Interferometry，VLBI)技术具有极高的角分辨率和灵敏度，在天体物理、天体测量和天文地球动力学等领域得到了广泛的应用。根据电磁学基本原理，望远镜的角分辨率约等于观测波长除以有效口径。

现有的VLBI的相关处理机(FX型)的原理介绍：

FX型VLBI相关处理机的输入是基线两端台站获得的时域信号，输出是台站间互相关谱(称为可见度函数)。由图1所示，两路信号进入FX型相关处理机后首先按频率通道进行解码；然后根据预先计算的时延模型进行整数比特时延补偿；经过条纹旋转及快速傅里叶变换后，信号从时域变换至频域，并完成分数比特时延补偿；最终两路信号进行共轭相乘及累加积分，得到可见度数据。

由于光速有限，射电源发出的信号波前在不同时刻分别到达两个望远镜，二者的时间差被称为VLBI时延，可以表示为：

其中τ为总时延，τ

对于VLBI，其最高角分辨率约等于观测的波长除以基线长度(即两个射电望远镜之间的距离)。目前，地基角分辨最高的VLBI设施是黑洞视界望远镜，其最大的等效口径接近地球直径。天文学家早就已经意识到地基VLBI最大的基线长度不可能超过地球直径。若将射电望远镜发射到太空，与地基或空间射电望远镜构成空地或空间VLBI阵列，基线长度可以超过地球直径，从而获得更高的角分辨率。这就是空间VLBI(Space VLBI)或空地VLBI(Space-Earth VLBI)。

然而，技术和成本因素限制了空间望远镜的口径大小，造成空间-地面基线的灵敏度往往低于地面基线的灵敏度。此外，由于空地VLBI基线较地基VLBI长，角分辨率高，导致了目标源大部分结构被分解，从而探测到的源流量很低，对于同样的观测源，空间VLBI比常规地面VLBI更难得到清晰条纹。因此如何提高空间VLBI望远镜的灵敏度是一个需要解决的技术问题。

空间VLBI常规做法是一方面尽可能增大空间VLBI望远镜的直径，同时尽量增加地面VLBI望远镜的有效面积。为增加地基望远镜的有效面积，现有的方法是尽量采用超大口径的地基望远镜或利用地面联线干涉望远镜阵列组阵方式，参加空间VLBI组网观测。目前，从公开资料看尚未有现成的将地基空间VLBI望远镜接收信号进行合成并与空间望远镜进行VLBI干涉处理。现有空间VLBI观测中，往往需要超大口径地基望远镜设施。

例如，俄罗斯空间VLBI项目RadioAstron是迄今为止较为成功的空间VLBI项目，空间望远镜Spektr-R的口径为10米。该项目通过国际合作，利用各国地面大口径望远镜和Spektr-R组成空间VLBI系统。RadioAstron项目利用地面直径300米的阿雷西博望远镜、绿岸110米望远镜、波恩100米望远镜、Westerbork综合孔径望远镜阵列等大型地基望远镜设备，通过提升地面望远镜的接收面积来提高空间VLBI观测灵敏度。其中Westerbork等综合孔径望远镜阵列采用了连线短基线望远镜信号合成的方法构成66米等效口径望远镜，其中，望远镜信号合成是指通过技术手段对两台射电望远镜接收到的信号进行相干合成，达到类似于一台单口径射电望远镜接收到的信号的效果。

中国计划在嫦娥七号月球探测中，利用中继星搭载口径为4.2米的望远镜，配有VLBI专用设备，构成一台运行在月球轨道的VLBI望远镜，与中国VLBI网的地面望远镜构成一个基线超过30万km的X频段地月空间VLBI试验系统(构成的地月基线长度约为38万公里)，开展地月VLBI基线的观测研究。然而，目前在空间VLBI中，空间望远镜口径较小，往往通过结合地基大口径VLBI望远镜观测提高基线信噪比，由于我国目前没有百米口径的X频段地基射电望远镜，未来可以使用的中国VLBI网只有25-65米中等口径望远镜，因此空间和地基VLBI望远镜的口径相比国外较小，在观测灵敏度方面存在弱点。

此外，目前，存在5种现有的信号合成方案，可以用来对来自深空探测器的信号进行合成，分别称之为：(1)全频谱合成(FSC)；(2)复符号合成(CSC)；(3)符号流合成(SSC)；(4)基带合成(BC)；(5)载波组阵(CA)。下表1给出5种天线组阵系统的信号合成方案的优缺点。(参见【罗格斯塔等，深空网的天线组阵技术，[M].清华大学出版社，2005】)

表1现有的信号合成方案的优缺点

其中，CSC、SSC、BC、以及CA必须根据深空探测器接收信号的频谱特性和现有设备提出组阵方案。在这些方案中，通过现有的解调同步设备，分别将接收信号变换成复符号、复符号流、复基带，然后再进行信号合成。这些方案需要不同程度的载波跟踪设备，副载波跟踪设备及符号同步设备，因而只用于调制特性明确的信号，例如探测器信号，而不适用于未知或类似噪声(宇宙射电源就是这样的信号)的各类信号。

现有的航天器任务较多采用FSC方案。FSC对来自每个望远镜的中频信号或基带信号进行直接合成，为了确保相干性，信号在合成之前进行时延和相位补偿，利用信号相关来确定阵列望远镜间信号时延和相位的补偿量。

然而，上述的全频谱合成(FSC)信号合成方法常用于连线干涉仪或者短基线，用于探测器信号合成，不适用VLBI望远镜距离远的长基线射电源信号合成。

目前，存在一种方案将FSC拓展到距离远的VLBI望远镜信号合成中，称之为甚长基线全频谱信号合成。甚长基线全频谱信号合成方法的流程框图如图1所示，首先经过预报时延模型得到相关处理的结果，探测器的时延模型通常采用近场模型，以地心为参考计算得到。然后，根据条纹搜索得到残余时延、时延率和相位差，对来自不同望远镜的各路信号进行一系列时延补偿和相位对齐操作。其中，由残余时延、时延率计算得到除了时延模型以为还需要补偿的时延，在补偿过程中分为整数比特移位和小时比特改正两个步骤。因为数字信号采样点的原因，只能移整数比特位。在图1中，τ

然而，该方案对原始信号直接进行操作，主要应用于遥测及数传信号合成。此外，现有方案都是对原始信号直接合成，例如FSC、CSC、SSC、BC等。

综上，全频谱信号合成方法是基于相关处理前的原始信号合成，因此计算量及实现难度较高。

因此，急需提出一种利用VLBI望远镜进行组阵及信号合成，来等效大口径望远镜、同时完成干涉处理的方案，应用到空间VLBI项目中。

发明内容

本发明提供一种基于VLBI互相关谱合成的空间VLBI信号增强技术方法及系统，以增强VLBI的空地基线的信号灵敏度。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法，包括：

S1：提供空间望远镜和多个地面望远镜以组成VLBI干涉系统，获取来自空间望远镜和来自多个地面望远镜的原始观测数据；

S2：基于空间望远镜和地面望远镜的原始观测数据的相关处理以及地面望远镜的原始观测数据之间的相关处理，经过相干合成得到经过增强的VLBI信号。

在所述步骤S2中，空间望远镜和地面望远镜的之间原始观测数据的相关处理是先将空间望远镜的原始观测数据分别与多个地面望远镜的原始观测数据进行FX型VLBI相关处理得到多个空地基线的互相关谱，再对多个空地基线的互相关谱进行合成。

所述步骤S2基于多个空地基线的互相关谱的合成，包括：

S21：通过对地面望远镜接收到的原始观测数据进行相关处理，得到残余时延，补偿时延模型，再次相关处理，使得多个地面望远镜间基线的条纹拉平；

S22：将空间望远镜分别与多个地面望远镜的原始观测数据进行FX型VLBI相关处理得到多个空地基线的互相关谱，通过相位补偿和时延补偿，使得多条空地基线均相位对齐且条纹拉平，随后对不同的空地基线的互相关谱进行合成。

所述步骤S21包括：

S211：采用相关处理机对两个地面望远镜的原始观测数据进行FX型VLBI相关处理，得到两个地面望远镜之间的互相关谱；

S212：对两个地面望远镜之间的互相关谱采用相关后处理方法得到残余时延和残余时延率；

S213：将残余时延和残余时延率补偿到时延模型，再次相关处理，得到互相关谱。

在所述步骤S213之后，还包括步骤S213’：重复步骤S212并判断残余时延和残余时延率是否达到足够精度，若成立则结束流程，否则继续执行步骤S213和步骤S213’。

所述步骤S22包括：

S221：采用相关处理机对空间望远镜的原始观测数据分别与多个地面望远镜的原始观测数据进行FX型VLBI相关处理，得到多条空地基线的互相关谱；

S222：利用空地基线的互相关谱构建Q函数

所述Q函数

式中，k表示频点；V

S223：通过补偿相位

S224：将不同的空地基线的互相关谱相干相加，得到合成信号，得到的合成信号为经过增强的VLBI信号。

在所述地面望远镜的数量大于2个时，所述步骤S21还包括步骤S214：重复步骤S211-S213，直到任意两个地面望远镜之间的基线的残余时延达到足够精度，条纹拉平。

所述基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法还包括步骤S3：确定经过增强的VLBI信号的信噪比，并将其作为基线合成效率的评判标准。

另一方面，本发明提供一种基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强系统，其包括空间望远镜、多个地面望远镜和信号增强处理器，所述信号增强处理器设置为执行根据上文所述的基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法。

本发明的基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法基于空地基线VLBI相关处理后的互相关谱进行合成，使多个地基望远镜合成为一个等效口径更大的望远镜，从而可获得类似于大口径望远镜和空间望远镜构成的基线的干涉条纹，达到增强VLBI空间与地面基线灵敏度的效果，可应用于地月空间VLBI或其他VLBI领域，降低对大口径地基望远镜的需求。

本发明的基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法涉及到的信号合成方法有别于现有信号合成方法。本方案是对VLBI相关处理后得到的空地基线的互相关谱进行合成，以同时完成地基VLBI望远镜的原始观测信号合成与空间-地面VLBI基线相关处理，达到空间VLBI信号合成效果得到增强的VLBI信号，处理的数据量大幅减少，且能够达到等效大口径望远镜完成干涉处理的效果，可用于射电源信号和探测器信号合成；且从原始观测数据到合成后的结果，整个过程仅需进行两次相关处理，减少了数据处理步骤。同时，避免了甚长基线全频谱信号合成技术中的VLBI小数时延补偿操作等造成的失真现象。综上，本方案中的计算量及实现难度远小于现有的方案。

附图说明

图1是现有的FX型VLBI相关处理机的数据处理流程图。

图2是现有的甚长基线全频谱信号合成方法的流程框图。

图3是根据本发明的一个实施例的基于VLBI互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法的流程图。

图4是根据本发明的一个实施例的基于VLBI互相关谱合成的空间VLBI信号增强系统的结构示意图，其中示出了多个地面望远镜等效于一个等效大口径地基望远镜。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的实施例，并予以详细描述。

如图3所示，本发明的基于VLBI互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供空间望远镜和多个地面望远镜以组成VLBI干涉系统，获取来自空间望远镜和来自多个地面望远镜的原始观测数据；

其中，多个地面望远镜的尺寸可以一致，也可以不一致。地面望远镜口径差异小，可以提高合成效率；地面望远镜口径差异大，信噪比增强效果不明显。

原始观测数据均为时域信号数据。在本实施例中，地面望远镜的数量为2个，分别为地面望远镜A和地面望远镜B，空间望远镜为空间望远镜C。然而，在其他实施例中，地面望远镜的数量也可以是不少于2个的任意多个。

步骤S2：基于空间望远镜和地面望远镜的原始观测数据的相关处理以及地面望远镜之间的原始观测数据的相关处理，经过相干合成得到经过增强的VLBI信号。

在本实施例中，在所述步骤S2中，空间望远镜和地面望远镜的之间原始观测数据的相关处理是先将空间望远镜分别与多个地面望远镜的原始观测数据进行FX型VLBI相关处理得到多个空地基线的互相关谱，再对多个空地基线的互相关谱进行合成。

因此，所述步骤S2基于多个空地基线的互相关谱的合成，具体包括：

步骤S21：通过时延补偿，使得多个地面望远镜之间的基线的条纹拉平；

在本实施例中，地面望远镜为地面望远镜A和地面望远镜B，也就是说，通过时延补偿，令地面望远镜A和地面望远镜B之间的基线(即AB基线)的残余时延Δτ

在所述步骤S21中，对多个地面望远镜之间的基线进行时延补偿，主要是为了便于之后的空地基线的互相关谱(AC基线的互相关谱和BC基线的互相关谱)的相关相加，其基于以下原理：

基线合成利用三条基线时延闭合这一性质。对于地面望远镜A、地面望远镜B和空间望远镜C，假设来自同一信号源信号的同一波前到达各站的时刻分别记为t

AB基线的时延为：

τ

其中，τ

同理，BC基线的时延为：

τ

其中，τ

同理，CA基线的时延为：

τ

其中，τ

由基线总时延闭合和模型时延闭合可知：

τ

τ

最终可得：

Δτ

若令AB基线的残余时延Δτ

所述步骤S21基于相关处理机来实现。

所述步骤S21具体包括：

步骤S211：采用FX型VLBI相关处理机对两个地面望远镜的原始观测数据进行FX型VLBI相关处理，得到两个地面望远镜之间的互相关谱(即可视度数据)；

在本实施例中，FX型VLBI相关处理机采用的是中国VLBI网(CVN)的软件相关处理机。此时，输出的互相关谱中，由于理论时延模型存在误差，因此存在残余时延和残余时延率。

步骤S212：对两个地面望远镜之间的互相关谱采用相关后处理方法得到残余时延和残余时延率；

VLBI后处理软件采用通过条纹拟合的方法获取残余时延和残余时延率。

步骤S213：将残余时延和残余时延率补偿到相关处理机的时延模型，再次相关处理，得到互相关谱。此时两个地面天线站之间的基线的条纹拉平。

在本实施例中，在所述步骤S213之后，还可以包括步骤S213’：重复步骤S212并判断残余时延和残余时延率是否达到足够精度，若成立则结束流程，否则继续执行步骤S213和步骤S213’。该步骤S213’用于确定补偿后的残余时延和残余时延率是否达到足够精度，起到了提高精度的作用。然而，在不需要特别高的精度的其他实施例中，步骤S213’也可省略。

在其他实施例中，在所述地面望远镜的数量大于2时，所述步骤S21还包括：步骤S214：重复步骤S211-S213，直到任意两个地面望远镜之间的基线的残余时延均达到足够精度，条纹均拉平。

其中，残余时延和残余时延率通过调整钟差、钟速补偿时延模型，残余时延、残余时延率与钟差、钟速、模型时延一起构成了VLBI总时延和总时延率观测量。

步骤S22：将空间望远镜分别与多个地面望远镜的原始观测数据进行FX型VLBI相关处理得到多个空地基线的互相关谱，通过相位补偿和时延补偿，使得多条空地基线均相位对齐且条纹拉平，随后对不同的空地基线的互相关谱进行合成。其中，空地基线为空间望远镜和不同的地面望远镜之间的基线。

为了充分利用多条空地基线的数据来提高基线信噪比，需要对空地基线的互相关谱进行合成。这个合成过程中需要解决不同基线相位对齐和条纹拉平的问题。即，通过调整BC基线的相位，使两条基线的相位对齐。通过补偿基线的时延，使条纹拉平。

所述步骤S22包括：

步骤S221：采用相关处理机对空间望远镜的原始观测数据分别与多个地面望远镜的原始观测数据进行FX型VLBI相关处理，得到多条空地基线的互相关谱；

在本实施例中，空地基线的数量为2，分别为AC基线和BC基线。

步骤S222：利用其中两条空地基线的互相关谱构建Q函数

其中，所述Q函数

式中，k表示频点；V

根据公式(17)，针对空地基线，本方法只需要搜索一个补偿相位

步骤S223：通过补偿相位

本发明通过对两台地基望远镜分别与空间望远镜构成的两条基线间的时延τ及相位

在本实施例中，在所述步骤S223之后，还可以包括步骤S223’：重复步骤S222并判断补偿相位和补偿时延是否达到足够精度(即是否相位对齐且条纹拉平)，若成立则结束流程，否则继续执行步骤S223和步骤S223’。该步骤S223’用于确定补偿后的残余时延和残余时延率是否达到足够精度，起到了提高精度的作用。然而，在不需要特别高的精度的其他实施例中，步骤S223’也可省略。

步骤S224：将不同的空地基线的互相关谱相干相加，得到合成信号，得到的合成信号为经过增强的VLBI信号。

此外，在所述地面望远镜的数量大于2时，在所述步骤S224之前，还包括：重复步骤S221-S223，直到任意两条空地基线的互相关谱均相位对齐且条纹拉平。

步骤S3：确定经过增强的VLBI信号的信噪比，并将其作为基线合成效率的评判标准。

本文采用的信噪比(SNR)的计算方式与HOPS一致，公式如下：

式中，A表示所有积分周期内所有频点相加后求得的幅值，其应用到了上文所得到的合成信号的幅值；B为通道带宽；T

合成前后信噪比增加越多，合成效率就越高。

综上，本发明采用相关处理机对地面望远镜的原始数据处理得到相关谱，软件相关处理机第一次输出的结果往往不能使Δτ

随后，本发明还对两条空地基线进行相位补偿和时延补偿处理后合成，对合成后的基线求得信噪比，计算得到的基线信噪比可以作为基线合成效率的评判标准。

实验效果：

下面将介绍信号合成后的等效望远镜口径理论估算及已有的信号合成方法。从理论估算可以看出，通过信号合成可以获得等效大口径望远镜VLBI观测效果。与将现有信号合成方法应用到空间VLBI信号增强中相比，本方案利用了现有的FX型VLBI相关处理软件，在计算量、实现难度上都具有明显的优势。

信号合成后，等效望远镜口径的计算推导如下：

基线信噪比：

其中，B为信号记录带宽，T为积分时间，ρ

单个基线的原始相关强度ρ

其中，T

对ρ

望远镜合成时，设有K个望远镜合成一个等效望远镜(K≥2)，为方便处理，假设这K个望远镜的信噪比完全相同，那么等效望远镜的有效信号温度T

T

噪声温度T

T

由该等效望远镜构成的新基线的相关强度ρ′

在通常情况下T

在上述基础之上，分析1个65米，4个40米，2个25米望远镜信号合成后的等效面积。这里假定各望远镜除尺寸大小不同，其他参数一致,因此望远镜增益的变化会直接决定信号信噪比的变化。计算等效面积的思路是以25米望远镜为基准，分别计算40米望远镜和60米望远镜相当于多少个25米望远镜，然后计算所有25米望远镜信号合成的等效面积。

抛物面望远镜增益的计算公式为：

其中，M为望远镜有效面积，λ为波长，η为望远镜效率。

根据约定，只有面积变化会带来增益提升，所以如果把K个面积为M的望远镜合成为一个等效面积为N的望远镜，根据(1)(2)，信噪比提升为10logK(db)，合成单望远镜增益提升10logK(db)，由公式(3)，有如下的关系：

10logN-10logM＝10logK (9)

对上式化简,并考虑面积和口径的平方关系，所以有：

其中，d

在上述推导的基础上，可以计算1个40米望远镜等效于2.56个25米望远镜(40

从上述理论推导看，可通过合成中小口径望远镜接收到的信号等效为大口径望远镜接收到的信号。

基于上文所述的基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法，所实现的基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强系统，包括空间望远镜10、多个地面望远镜20和信号增强处理器，所述信号增强处理器设置为执行根据上文所述的基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法，由此使得多个地面望远镜20等效于一个大口径地基望远镜30，且空间望远镜10和多个地面望远镜20组成了一个组成VLBI干涉系统40。

本发明提出利用国内多面40～65米中口径地基VLBI望远镜进行组网及信号合成，并与空间4.2m望远镜构成的空间VLBI干涉系统。通过基于VLBI互相关谱合成的空间VLBI信号增强技术，在多条空地基线上进行互相关功率谱的合成，最终可获得类100米级大口径望远镜和空间望远镜构成基线的干涉条纹(干涉条纹基于VLBI互相关函数，特别是“相位-频率”函数)。观测对象可以是射电源和深空探测器。本发明解决了我国不具备X波段大口径望远镜的条件下，巧妙利用了VLBI相关处理机的结构特点，同时完成地基VLBI望远镜观测原始信号合成与空间-地面VLBI基线相关处理两个关键技术问题，达到了利用多个中等口径地基望远镜达到了单个100米级大型VLBI地基望远镜的效果。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。