基于FAST數字終端的線—圓偏振轉換的研究

摘 要偏振轉換是射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，轉換效果直接影響著接收機偏振觀測性能。本文從電磁波偏振理論出發(fā)，介紹了電磁波偏振的分類和應用。提出了相干和非相干偏振轉換兩種在數字終端實現線偏振到圓偏振轉換的方法，為偏振轉換的實現提供了新思路。文中提出的偏振轉換的方法不僅可以運用在射電接收機性能的提升方面，同時也可運用于通信、導航和雷達等方面線-圓偏振的轉換的實現。

【關鍵詞】數字終端 電磁波線-圓偏振轉換 相干法 非相干法

1 緒論

五百米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，簡稱FAST）作為世界最大的單口徑望遠鏡，大面積的反射面天線賦予其的高靈敏度和高分辨率的特性無疑是其它同類望遠鏡無法比擬的，然而為保證其在同類望遠鏡的領先地位，需不斷對其進行改進和完善。接收機作為望遠鏡的一個重要組成部分，其性能的改進對望遠鏡整體性能的提升有著不可忽視的重用。FAST有七套接收機系統(tǒng)，工作模式及波段如表1所示，實現了70MHz～3GHz的頻段覆蓋。

FAST接收機使用的是線偏振饋源來接收電磁波的，由有表1得知，7套接收機系統(tǒng)中六套都需要圓偏振輸出，即需要將線偏振饋源接收到的線偏振信號轉換成圓偏振信號，得到圓偏振信號輸出。本文提出兩種將線-圓偏轉換在數字終端實現的方法，這種將偏振轉換在數字終端實現的做法避免了可能的接收機噪聲溫度上升問題，同時還可以提高偏振轉換的精度，獲得更好的偏振轉換效果。

2 電磁波的分類與接收

電場與磁場的相互震蕩形成電磁波，電場或磁場總在一個方向震蕩的現象稱為電磁波的偏振，同時也叫極化。偏振特性是電磁波除時域和頻域外的另一重要信息，在通信、導航和雷達等方面均有運用，即利用電磁波的偏振信息實現信號的發(fā)射與最佳接收、提高信道容量、雷達目標識別、檢測等。

2.1 偏振電磁波的分類

電磁波的偏振對給定空間觀察點電場矢量的大小和方向隨時間變化的規(guī)律的描述，通常用電場矢量尖端端點描述的軌跡對偏振分類。電場矢量尖端端點隨時間變化會形成一定的軌跡，若該軌跡在等相面的投影是一條直線，稱為線偏振；若是圓，稱為圓偏振；若是橢圓，則稱為橢圓偏振。

2.2 電磁波的接收

通常用與電磁波偏振模式匹配的天線去接收電磁波，即用線偏振天線接收線偏振電磁波，用圓偏振天線接收圓偏振電磁波。由電磁波基本理論知，對于單一頻率電磁波（橫波），入射電場的瞬時值在任意選定的與入射電磁波的波矢垂直的平面上分解為兩個互相正交（垂直）的分量，故任意偏振模式的電磁波均可用兩個正交的天線接收。在射電天文觀測中，常用的接收電磁波的饋源有線偏振饋源和圓偏振饋源兩種。若饋源是線偏振，那么饋源輸出的是線偏振信號；若饋源是圓偏振的，則饋源輸出的是圓偏振信號。

由于頻帶的限制，大多數望遠鏡使用線偏振饋源作為射電望遠鏡的饋源。線偏振饋源的特點是，有兩路輸出，每一路輸出的電壓對應上述兩個相互垂直的的電場強度。然而，某些觀測中，如VLBI、雷達衛(wèi)星通訊等，需要圓偏振信號。射電天文接收機的頻率范圍往往覆蓋一個倍頻程或者更寬，這樣寬的頻率范圍，圓偏振饋源往往難以實現。通常用線偏振饋源和一個90°移相器（90° Hybrid）來實現圓偏振觀測。為了保證轉換模式的轉換效果，通常將上述的90°Hybrid放置在前置低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，簡稱LNA）之前，如圖1a所示，這樣會引入噪聲，使得觀測靈敏度下降。若如圖1b所示，將90°Hybrid放在LNA之后，其引入的噪聲可忽略不計，但這樣對兩個線偏振通道的前置放大器的增益（相位和幅度增益）的一致性和穩(wěn)定性要求較高，如果兩個前置放大器的增益不一致甚至是隨時間變化的，那么Hybrid的輸出就不是我們需要的圓偏振信號了，并且90°Hybrid一般也難以覆蓋很寬的頻段。

基于上述原因，本文開展了對兩個線偏振信號經過前置低噪聲放大器和后續(xù)射頻電路放大之后，在數字終端通過計算得到圓偏振分量的研究。

3 偏振轉換在數字終端實現原理分析

對于單一頻率的入射電磁波，線偏振和圓偏振的轉換：X線偏振可以表示成一個左旋和一個右旋圓偏振信號的疊加，以X（左旋）和Y（右旋）來表示。Y偏振的信號也可以表示成一個左旋和右旋信號的疊加，以Y（左旋）和Y（右旋）來表示。并且X（左旋）和Y（左旋）都是左旋偏振的電磁波，并且兩者的相位保持一致（取決于X和Y線偏振的相位差），因此，X（左旋）和Y（左旋）可以合成一個左旋圓偏振的信號。X（右旋）和Y（右旋）同理，可以合成一個右旋偏振的信號。

3.1 相干偏振轉換法

對于有一定帶寬的入射電磁波，線偏振到圓偏振的轉換：上述線偏振到圓偏振的轉換，其中的一個關鍵步驟是對線偏振的電壓信號做90度的相位移動（簡稱相移）。對于單頻信號，一個90度的相移可以用一個時間延遲來實現，即對信號進行一個時間為四分之一周期的延遲或提前。對于有一定帶寬的信號，需要對其中每個頻率分量都做90度相移。這個計算可以通過對在一定時間段內的信號先做離散傅里葉變換，得到在頻帶內的一系列等間隔頻點的幅度和相位信息。對每個頻點的相位做90度相移（加上或減去90度），然后對這些離散的頻率信號做傅里葉逆變換，從而得到90度相移之后的信號。這種方式和脈沖星消色散中的coherent dedispersion類似，這里稱為coherent polarization conversion method（相干偏振轉換法）。這種做法的優(yōu)點在于沒有偏振泄露，轉換精度好，缺點在于計算量比較龐大，對硬件有較高要求，目前FAST終端設備實現較為困難。

3.2 非相干偏振轉換

另一種方法，權且稱為incoherent polarization conversion method（非相干偏振轉換方法）。其計算原理如圖2所示，先將一定帶寬的信號通過濾波器組，如多相濾波器組，將信號分為多個相同帶寬窄的帶信號，然后對每個窄帶信號做一定的時間延遲或提前來近似的實現90度的相移。最后將各個通道得到的左旋偏振信號疊加，得到左旋圓偏振信號，然后輸出；所有右旋信號疊加的結果作為右旋圓偏振信號輸出。

如果一個窄帶信號的中心頻率為v，帶寬為B。如果以中心頻率進行90度相移所需要的時間延遲Δt來對此窄帶信號做時間延遲。此時，

，即頻率v對應的四分之一個周期。那么對此窄帶內的各個頻點，相位延遲是不一樣的，可以用ΔPi=2*π* （v+Δν）來表示。因為ν*Δt是90度，因此，頻率為v+Δν的頻點的信號在Δt的時間延遲后的相位延遲和90度的差別為Δν*Δt。以窄帶信號的中心頻率v=1GHz，通帶帶寬B=1MHz為例，可得上述時間延遲

；通帶邊緣頻點的相位延遲和90度的差別為

2*π*Δv*Δt=2*π**2.5*10-10=2*π*1.25*10-4弧度，也就是360*1.25*10-4=0.045度。這個量級的相位延遲和90度的差，會導致線偏振到圓偏振轉換的系統(tǒng)誤差，約在-60dB的量級。即一個純圓偏振信號，被線偏振饋源接收后，經非相干偏振轉換法轉換成圓偏振，則在另一個圓偏振上會出現-60dB的強度的分量。較目前模擬器件實現偏振轉換-20dB～-30dB偏振泄露，非相干偏振法實現偏振轉換效果較好，而1MHz的帶寬對于目前FAST的數字終端，是很容易實現的。

4 結語

文章介紹了電磁波的三種偏振類型和應用，然后介紹了射天望遠鏡對偏振電磁波的接收，提出相干偏振轉換法和非相干偏振轉換法兩種在數字終端實現偏振轉換的方法。相干法實現偏振轉換不會產生偏振泄露，轉換效果較好，但計算量較為龐大，對支撐硬件有較高要求。非相干法實現偏振轉換將寬帶信號劃分為帶寬相同的的窄帶信號，計算量較相干法大大減少。將偏振轉換在數字終端實現不僅可以應用于射電接收機性能的提升，同時也可應用在通信、導航和雷達方面。

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作者簡介

周德麗（1991-），女，貴州省黔南布依族苗族自治州羅甸縣人。碩士學位。研究方向為計算機網絡與信息安全，天文數字終端技術。

作者單位

1.貴州大學 貴州省貴陽市 550025

2.中國科學院國家天文臺 北京市 100012