基于FAST数字终端的线—圆偏振转换的研究

摘 要偏振转换是射电望远镜接收机系统的重要环节，转换效果直接影响着接收机偏振观测性能。本文从电磁波偏振理论出发，介绍了电磁波偏振的分类和应用。提出了相干和非相干偏振转换两种在数字终端实现线偏振到圆偏振转换的方法，为偏振转换的实现提供了新思路。文中提出的偏振转换的方法不仅可以运用在射电接收机性能的提升方面，同时也可运用于通信、导航和雷达等方面线-圆偏振的转换的实现。

【关键词】数字终端 电磁波线-圆偏振转换 相干法 非相干法

1 绪论

五百米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，简称FAST）作为世界最大的单口径望远镜，大面积的反射面天线赋予其的高灵敏度和高分辨率的特性无疑是其它同类望远镜无法比拟的，然而为保证其在同类望远镜的领先地位，需不断对其进行改进和完善。接收机作为望远镜的一个重要组成部分，其性能的改进对望远镜整体性能的提升有着不可忽视的重用。FAST有七套接收机系统，工作模式及波段如表1所示，实现了70MHz～3GHz的频段覆盖。

FAST接收机使用的是线偏振馈源来接收电磁波的，由有表1得知，7套接收机系统中六套都需要圆偏振输出，即需要将线偏振馈源接收到的线偏振信号转換成圆偏振信号，得到圆偏振信号输出。本文提出两种将线-圆偏转换在数字终端实现的方法，这种将偏振转换在数字终端实现的做法避免了可能的接收机噪声温度上升问题，同时还可以提高偏振转换的精度，获得更好的偏振转换效果。

2 电磁波的分类与接收

电场与磁场的相互震荡形成电磁波，电场或磁场总在一个方向震荡的现象称为电磁波的偏振，同时也叫极化。偏振特性是电磁波除时域和频域外的另一重要信息，在通信、导航和雷达等方面均有运用，即利用电磁波的偏振信息实现信号的发射与最佳接收、提高信道容量、雷达目标识别、检测等。

2.1 偏振电磁波的分类

电磁波的偏振对给定空间观察点电场矢量的大小和方向随时间变化的规律的描述，通常用电场矢量尖端端点描述的轨迹对偏振分类。电场矢量尖端端点随时间变化会形成一定的轨迹，若该轨迹在等相面的投影是一条直线，称为线偏振；若是圆，称为圆偏振；若是椭圆，则称为椭圆偏振。

2.2 电磁波的接收

通常用与电磁波偏振模式匹配的天线去接收电磁波，即用线偏振天线接收线偏振电磁波，用圆偏振天线接收圆偏振电磁波。由电磁波基本理论知，对于单一频率电磁波（横波），入射电场的瞬时值在任意选定的与入射电磁波的波矢垂直的平面上分解为两个互相正交（垂直）的分量，故任意偏振模式的电磁波均可用两个正交的天线接收。在射电天文观测中，常用的接收电磁波的馈源有线偏振馈源和圆偏振馈源两种。若馈源是线偏振，那么馈源输出的是线偏振信号；若馈源是圆偏振的，则馈源输出的是圆偏振信号。

由于频带的限制，大多数望远镜使用线偏振馈源作为射电望远镜的馈源。线偏振馈源的特点是，有两路输出，每一路输出的电压对应上述两个相互垂直的的电场强度。然而，某些观测中，如VLBI、雷达卫星通讯等，需要圆偏振信号。射电天文接收机的频率范围往往覆盖一个倍频程或者更宽，这样宽的频率范围，圆偏振馈源往往难以实现。通常用线偏振馈源和一个90°移相器（90° Hybrid）来实现圆偏振观测。为了保证转换模式的转换效果，通常将上述的90°Hybrid放置在前置低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称LNA）之前，如图1a所示，这样会引入噪声，使得观测灵敏度下降。若如图1b所示，将90°Hybrid放在LNA之后，其引入的噪声可忽略不计，但这样对两个线偏振通道的前置放大器的增益（相位和幅度增益）的一致性和稳定性要求较高，如果两个前置放大器的增益不一致甚至是随时间变化的，那么Hybrid的输出就不是我们需要的圆偏振信号了，并且90°Hybrid一般也难以覆盖很宽的频段。

基于上述原因，本文开展了对两个线偏振信号经过前置低噪声放大器和后续射频电路放大之后，在数字终端通过计算得到圆偏振分量的研究。

3 偏振转换在数字终端实现原理分析

对于单一频率的入射电磁波，线偏振和圆偏振的转换：X线偏振可以表示成一个左旋和一个右旋圆偏振信号的叠加，以X（左旋）和Y（右旋）来表示。Y偏振的信号也可以表示成一个左旋和右旋信号的叠加，以Y（左旋）和Y（右旋）来表示。并且X（左旋）和Y（左旋）都是左旋偏振的电磁波，并且两者的相位保持一致（取决于X和Y线偏振的相位差），因此，X（左旋）和Y（左旋）可以合成一个左旋圆偏振的信号。X（右旋）和Y（右旋）同理，可以合成一个右旋偏振的信号。

3.1 相干偏振转换法

对于有一定带宽的入射电磁波，线偏振到圆偏振的转换：上述线偏振到圆偏振的转换，其中的一个关键步骤是对线偏振的电压信号做90度的相位移动（简称相移）。对于单频信号，一个90度的相移可以用一个时间延迟来实现，即对信号进行一个时间为四分之一周期的延迟或提前。对于有一定带宽的信号，需要对其中每个频率分量都做90度相移。这个计算可以通过对在一定时间段内的信号先做离散傅里叶变换，得到在频带内的一系列等间隔频点的幅度和相位信息。对每个频点的相位做90度相移（加上或减去90度），然后对这些离散的频率信号做傅里叶逆变换，从而得到90度相移之后的信号。这种方式和脉冲星消色散中的coherent dedispersion类似，这里称为coherent polarization conversion method（相干偏振转换法）。这种做法的优点在于没有偏振泄露，转换精度好，缺点在于计算量比较庞大，对硬件有较高要求，目前FAST终端设备实现较为困难。

3.2 非相干偏振转换

另一种方法，权且称为incoherent polarization conversion method（非相干偏振转换方法）。其计算原理如图2所示，先将一定带宽的信号通过滤波器组，如多相滤波器组，将信号分为多个相同带宽窄的带信号，然后对每个窄带信号做一定的时间延迟或提前来近似的实现90度的相移。最后将各个通道得到的左旋偏振信号叠加，得到左旋圆偏振信号，然后输出；所有右旋信号叠加的结果作为右旋圆偏振信号输出。

如果一个窄带信号的中心频率为v，带宽为B。如果以中心频率进行90度相移所需要的时间延迟Δt来对此窄带信号做时间延迟。此时，

，即频率v对应的四分之一个周期。那么对此窄带内的各个频点，相位延迟是不一样的，可以用ΔPi=2*π* （v+Δν）来表示。因为ν*Δt是90度，因此，频率为v+Δν的频点的信号在Δt的时间延迟后的相位延迟和90度的差别为Δν*Δt。以窄带信号的中心频率v=1GHz，通带带宽B=1MHz为例，可得上述时间延迟

；通带边缘频点的相位延迟和90度的差别为

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。这个量级的相位延迟和90度的差，会导致线偏振到圆偏振转换的系统误差，约在-60dB的量级。即一个纯圆偏振信号，被线偏振馈源接收后，经非相干偏振转换法转换成圆偏振，则在另一个圆偏振上会出现-60dB的强度的分量。较目前模拟器件实现偏振转换-20dB～-30dB偏振泄露，非相干偏振法实现偏振转换效果较好，而1MHz的带宽对于目前FAST的数字终端，是很容易實现的。

4 结语

文章介绍了电磁波的三种偏振类型和应用，然后介绍了射天望远镜对偏振电磁波的接收，提出相干偏振转换法和非相干偏振转换法两种在数字终端实现偏振转换的方法。相干法实现偏振转换不会产生偏振泄露，转换效果较好，但计算量较为庞大，对支撑硬件有较高要求。非相干法实现偏振转换将宽带信号划分为带宽相同的的窄带信号，计算量较相干法大大减少。将偏振转换在数字终端实现不仅可以应用于射电接收机性能的提升，同时也可应用在通信、导航和雷达方面。

参考文献

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作者简介

周德丽（1991-），女，贵州省黔南布依族苗族自治州罗甸县人。硕士学位。研究方向为计算机网络与信息安全，天文数字终端技术。

作者单位

1.贵州大学 贵州省贵阳市 550025

2.中国科学院国家天文台 北京市 100012