[发明专利]基于互相关谱合成的空间VLBI信号增强方法及系统

说明书

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。

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，τ₀和为根据时延模型计算的时刻的理论时延和时延率。相关处理机根据理论模型进行时延和时延率的修正，具体通过整数比特补偿、条纹旋转和小数比特补偿将两路信号在时间域和频率域上对齐。由于时延模型精度有限，输出的可见度数据仍然存在残余时延和残余时延率，即干涉条纹“频率-相位”函数斜率不为零，同时随时间变化而变化。VLBI后处理软件将通过条纹拟合的方法获取残余时延和残余时延率；它们与模型时延和时延率及钟差钟速一起构成总的时延和时延率，从而获得VLBI总时延和总时延率观测量。

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。