一种大规模亚毫米波探测器读取系统及方法

技术领域

本发明涉及射电天文领域，特别是涉及一种大规模亚毫米波探测器读取系统及方法。

背景技术

亚毫米波和远红外(FIR)波长的天文数据中包含大量重要的科学信息，包括有关尘埃星系，星系团和恒星形成的信息；然而，由于这方面研究所存在的技术困难，使得这些波长是天文学中最少研究的领域。在过去的20年中，人们致力于开发亚毫米和毫米波长的天文仪器和望远镜。

作为Caltech亚毫米天文台的最新仪器，MUSIC是最早的微波动态电感探测器相机之一，并且是对亚毫米波长范围敏感的探测器数量最多的相机。 MUSIC可用于观察星系团，尘埃形成恒星系和暗物质光环中的 Sunyaev–Zeldovich(SZ)效应，以解决有关宇宙大规模结构和宇宙时间、恒星形成历史的基本问题。

在过去的几年中，亚毫米/毫米天文仪器通过测量我们的宇宙基本参数，彻底改变了我们对恒星、星系和星团形成的认识。因此，这些工具对于帮助我们了解自然并继续进行新发现至关重要。探测器的数量是此类仪器的重要属性，并且是当前研究的主题。未来的望远镜将需要多达数十万个探测器才能满足视场、扫描速度和分辨率方面的要求。大像素数是使用动态电感探测器(动态电感探测器)技术的可复用探测器的一项优势。

对于亚毫米波长，一种常用的探测器技术是过渡边缘传感器(TES)，它是一种基于超导相变的温度相关电阻的低温传感器。为了从TES读取信号，将超导量子干扰设备(SQUID)与探测器配对。TES已在许多类型的仪器中用于检测亚毫米/毫米波长。但是，它们复杂的制造过程和读出方法使它们难以扩展到更大的阵列。另一项相对较新的技术是动态电感探测器，它是在2000年代初由加州理工学院/喷气推进实验室(JPL)开发的。动态电感探测器可以很容易地在两层到三层的晶圆上制造并进行频域复用。除一个低温放大器外，所有读数功能均由室温电子设备执行。动态电感探测器是实现大型阵列的理想选择，这对于未来望远镜的开发将是必不可少的。

但是，对于大规模亚毫米波探测器来说，在数据读取方面还存在数据处理量不满足要求以及容易受干扰等技术问题需要解决。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大规模亚毫米波探测器读取系统及方法，能够实现大规模的处理处理量，满足对亚毫米波探测过程中对读取系统的技术要求。

本发明提供一种大规模亚毫米波探测器读取系统，所述读取系统应用于多波长亚毫米电感相机MUSIC，包括：多个读取单元，每个读取单元包括一个 ADC/DAC板，一个IF板和一个FPGA板；每个读取单元可以读取有限数量的谐振器，所述读取系统使用多个读取单元的组合，读取望远镜仪器中数千个谐振器的探测数据。

进一步，所述读取系统共有16个读取单元，可以同时读取3000多个复杂的频段，系统具有多个谐振器，每个谐振器的带宽为200–400kHz，在谐振器之间建立2MHz的间隔。

进一步，其中所述ADC/DAC板具有两个ADC芯片和两个DAC芯片，读取同相和正交相分量，获得整个采样带宽的幅度和相位信息；信号与FPGA构成一个闭环，作为起点和终点；信号处理具有两条路径，沿着FPGA中的一条路径，读取的电子设备将频率音发送到低温恒温器中的设备，其中包括数模转换器 DAC，IQ混频器和数字衰减器；沿着另一条路径，包括放大器，衰减器，IQ混频器和模数转换器ADC，读取的电子设备接收来自低温恒温器的输出信号并处理信号，两条信号路径均使用DAQ计算机进行最终计算和读取。

进一步，为了从探测器读取信号，为耦合到一条传输线上的所有谐振器生成探针频率梳，所述频率梳通过动态电感探测器阵列发送，在该阵列中，入射光子引起的超导体表面阻抗的变化会改变梳信号的幅度和相位，在通过低温放大器进行放大之后，频率梳被传输至室温电子设备以进行数字化和分析。

进一步，对ADC和DAC芯片都使用外部时钟，将ADC芯片的外部时钟用于 FPGA，以实现更好的相位性能以及与ADC、DAC和FPGA的同步，在IF板上集成了时钟频率生成和本地振荡器LO频率生成。

另一方面，本发明提供一种大规模亚毫米波探测器读取方法，其特征在于，所述方法在大规模亚毫米波探测器读取系统中进行使用，所述方法包括以下步骤：

S1：读取的电子设备将频率音发送到低温恒温器中的设备进行处理；

S2：存储在存储模块中的预编程波形通过快速DAC卡发送基带信号，通过谐振器与本地振荡器混合的上变频生成微波探测信号；

S3：微波信号在接收器端首先由混频器下变频，然后由快速ADC卡数字化；

S4：使用FPGA上的算法以数字方式执行对数字化信号的信号处理并通过计算机读取。

进一步，为了确保整个信号接收链提供良好的信噪性能，在信号接收链的前端放置一个高增益和低噪声的组件，所述组件为低温放大器HEMT。

进一步，从每个探测器的载波音的读取功率，计算HEMT处的信噪比SNR；每个谐振器在HEMT之前在设备上的读取功率在10至30pW之间；将低温恒温器和ADC之间的SNR降级降至1–2dB。

进一步，使用两个ADC芯片和两个DAC芯片与IQ混频器一起使用，覆盖 550MHz的完整采样率的有用带宽。

进一步，所述读取方法在低至大约100MHz的频率下运行，较低的频率在频率方向上提供了更高的响应能力，因此降低了两级系统TLS噪声。

附图说明

图1示出了根据本发明的MUSIC焦平面晶片的构造图以及工作原理图；

图2示出了根据本发明的大规模亚毫米波探测器读取系统及方法的系统构架图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

根据本发明的大规模亚毫米波探测器读取系统及方法主要适用于天文探测领域，使用动态电感探测器(KID)技术构造的多波长亚毫米电感相机(MUSIC) 仪器覆盖0.87、1.04、1.33和1.98毫米的波长。多波长亚毫米电感相机成功地实现了光刻焦平面。此系统中使用四个带通滤波器102(BPF)。图1显示了 MUSIC焦平面晶片，该晶片包含用于波束定义的宽带相控阵天线，四个用于频带选择的带通滤波器(BPF)，以及用于功率检测的微波动态电感探测器(MKID)。用于捕获信号的相控阵天线101具有二进制求和树。四个带通滤波器102将来自求和树的信号分成四个不同的频带。图1还示出了动态电感探测器103和探测器晶片的基板104。为了最大程度地减少晶片上每个带通滤波器的损失，使用150nm厚Nb(铌)作为接地层1043，并使用400nm厚布线层1041，使用400 nm厚的二氧化硅或氮化硅作为电介质层1043，全部布置在一个369μm厚的硅晶片1044上。

多波长亚毫米电感相机包含2304个探测器，并提供大阵列读数。用多波长亚毫米电感相机开发超导微谐振器阵列开源读数(OSR)的基础。

超导微谐振器阵列开源读数(OSR)系统，超导微谐振器阵列开源读数系统执行频域多路复用的实时复杂传输测量，以监视动态电感探测器的瞬时谐振频率和消散。超导微谐振器阵列开源读数系统总共有16个读取单元，可以同时读取3000多个复杂的频段。在2010年和2012年，借助第一台MKID摄像机 MUSIC在Caltech亚毫米天文台上成功安装，测试和优化了所有硬件，软件和固件。该系统证明了其能够满足探测器读出和数据采集的要求，以及望远镜操作。作为多波长亚毫米电感相机仪器的一部分，自2013年以来，超导微谐振器阵列开源读数已在CSO中用于科学观测。

图2显示了根据本发明的大规模亚毫米波探测器读取系统的结构框图。谐振器读数的基本概念是使用镜像抑制(IQ)零差混合，它本质上是一种双相锁定检测技术。通常，信号与FPGA(现场可编程逻辑门阵列)构成一个闭环，作为起点和终点。沿着FPGA中的一条路径，读取的电子设备将频率音发送到低温恒温器中的设备，在图2的下半部分示出，其中包括数模转换器(DAC)，IQ 混频器(即镜像抑制混频器)和数字衰减器；沿着另一条路径，图2的上半部，包括放大器，衰减器，IQ混频器和模数转换器(ADC)，读取的电子设备接收来自低温恒温器的输出信号并处理信号。两条信号路径均使用DAQ计算机，图2 中显示了信号处理板和低温恒温器。所述信号处理板包括可重构开放式架构计算硬件[ROACH]14-19的FPGA板、ADC/DAC板和中频板。

图2示出了整个接收机系统，其中包括，恒温冷却箱1，第一固定阻抗2，可变阻抗3，第二固定阻抗4，功率放大器5、滤波器6、ADC采样板(模数转换板)7、FPGA计算板8、数据采集服务器9、倍频器10、压控频率发生器11、用于获取1PPS信号的GPS信号获取器13、DAC板卡(数模转换板)14。

大约200个信号由数模转换板产生，上变频到微波波段，进入冷却箱，激发探测器，通过低温放大器，出来后通过一系列的室温放大器，下变频到基带，模数电路板采样，然后在FPGA里面处理。

具体地，从DCA板卡7产生探测信号，上变频到微波波段，进入恒温冷却箱1，从冷却箱出来后依次经过第一固定阻抗2、可变阻抗3，第二固定阻抗4，功率放大器5、滤波器6，下变频到基带，通过ADC采样板7，进入FPGA板进行信号处理并通过数据采集服务器9进行信号读取以及储存。

为了从探测器晶片读取信号，为耦合到一条传输线的所有谐振器生成了探针频率梳。所述频率梳通过动态电感探测器阵列发送，在该阵列中，入射光子引起的超导体表面阻抗的变化会改变梳信号的幅度和相位。

在通过高电子迁移率晶体管(HEMT)或硅锗双极结晶体管之类的低温放大器进行放大之后，频率梳被传输至室温电子设备以进行数字化和分析。低温组件包括温放大器、衰减器和动态电感探测器晶片。对于工作在几GHz的谐振器，可以通过与本地振荡器混合的上转换基带信号实现，所述基带信号通过快速 DAC卡发送存储在存储模块中的预编程波形而产生，由此来生成微波探测信号。在接收器端，微波信号首先由混频器下变频，然后由快速ADC卡数字化。软件无线电技术的最新进展为快速信号处理提供了其他选择。例如，可以使用FPGA 上的算法以数字方式执行对数字化信号的信号处理。

对于噪声要求和计算方面，对于大多数动态电感探测器读取应用，探测器处的信号功率小于-70dBm。因此，在室温电子设备之前，需要在信号接收链中进行放大。为了确保整个信号接收链提供良好的信噪性能，必须在信号接收链的前端放置一个高增益和低噪声的组件。低温放大器(HEMT或SiGe)是可用于此目的的最佳组件。通常，低温放大器在谐振器所占据的整个频带上的噪声温度为2–5K。因此，对读取电子设备的噪声进行设计，以使HEMT放大器的白噪声相对于其余电子设备噪声起主要作用。

从每个探测器的载波音的读取功率，我们可以计算HEMT处的信噪比(SNR) 要求。每个谐振器在HEMT之前在设备上的读取功率在10至30pW之间，这意味着144个谐振器的总功率为-58.4dBm。在低温恒温器内部，HEMT增益为35 dB，HEMT噪声温度的保守值是2K。HEMT噪声温度对其余电子器件提出了最严格的要求。HEMT输出处的SNR约为56.68dB。

为了开发多波长亚毫米电感相机读数系统，将低温恒温器和ADC之间的 SNR降级降至1–2dB。对于2K HEMT噪声温度，ADC前面的SNR要求约为55.94 dB。使用的ADC芯片以几分贝的幅度满足了SNR和带宽要求。

每个超导微谐振器阵列开源读数系统的带宽都是晶圆设计(相对于频率如何紧凑地封装谐振器)和由于SNR，带宽和读取的最大探测器数量而导致的电子限制之间的权衡。每个谐振器的带宽约为200–400kHz。我们在谐振器之间建立了2MHz的间隔，以解决由制造误差引起的谐振器位置偏移。谐振器的相对位置在观察或冷却周期中不会改变，但是制造误差会导致它们相对于彼此发生位置偏移。

ADC的SNR大于55.9dB。如果仅考虑量化噪声，那么从理论上讲，该SNR 将需要一个至少具有10位的ADC。但是，快速ADC的噪声大于基于位数的预期量化噪声。因此，实际上需要一个12位ADC。2009年上市的最佳12位芯片具有64dB SNR和高达550MSPS的采样率(芯片型号TI ADS5486)。一旦确认选择ADC芯片，便将谐振器之间的间隔扩大到2.5MHz。

读取的中心频率要求类似于动态电感探测器本身的中心频率要求，通常范围为2至8GHz。对于多波长亚毫米电感相机，最初的动态电感探测器设计的谐振器频率约为3-4GHz，因此，超导微谐振器阵列开源读数系统也集中在该范围内。最新的动态电感探测器设计可以在低至大约100MHz的频率下运行。较低的频率很有吸引力，因为它在频率方向上提供了更高的响应能力，因此降低了两级系统(TLS)噪声。

读取同相和正交相分量，使用两个ADC和两个DAC芯片，由于这些芯片与 IQ混频器一起使用，通常分别称为I和Q。

无论使用哪种信号处理方法，都受到奈奎斯特采样定理的限制。本发明使用两个芯片来覆盖更宽的带宽，从而提供了等于550MHz的完整采样率的有用带宽。如果只需要读取音频的幅度或相位信息，则可以采用各种DSP方法，例如从数据流中重新覆盖幅度信息(忽略相位分量)以实现完整的550MHz带宽仅使用一个DAC和一个ADC芯片即可读取。但是，在这种情况下，阶段信息将不再可用。总之，采用两个ADC和两个DAC来获得整个采样带宽的幅度和相位信息。

对于以几千兆赫兹谐振的探测器，需要使用混频器将频率从基带转换为千兆赫兹频带。IQ混频器是两个单边带混频器的自然替代品，可同时转换两个信号。使用IQ混频器来利用全部采样带宽表明，基带信号可以作为DAC I和 DAC Q生成，其中I和Q具有90度的相位差。在复杂数据流中，I和Q充当复杂数据的实部和虚部。如果我们在时域中对复杂的IQ数据流执行傅立叶变换，将在频域中获得550MHz的全部带宽。

电子设备从DAC发出并通过ADC接收具有振幅和相位信息的驱动音。来自天空的亚毫米级信号被转换为超导电感器的表面阻抗的变化。我们通过监视与谐振器耦合的驱动音来获得信号。

根据本发明的超导微谐振器阵列开源读数系统可以分为三个部分：硬件、固件和软件。通常，硬件包括定制的ADC/DAC板，IF板，基于FPGA的信号处理板和辅助系统[例如，频率标准或全球定位系统(GPS)]。固件是指在FPGA 芯片上运行的程序，而软件包括为控制和自动化读数而实施的所有程序。以下各节将详细讨论超导微谐振器阵列开源读数系统的每个部分。

ADC和DAC板的设计方面，关于芯片选择，市场上有几种合格的ADC芯片，并且在前面的部分中已经讨论了ADC芯片的SNR和采样速率要求。除了这些要求之外，还必须考虑无杂散动态范围(SFDR)和互调失真(IMD)，以防止谐波或杂散影响谐振器的SNR，尤其是当读取的音调数量增加时。我们选择了随机杂散频率功率水平远低于可能影响谐振器的任何水平的芯片。对于多波长亚毫米电感相机，此处考虑的信号位于载波音调附近的0.1–10Hz范围内。谐振器仅占整个射频(RF)带宽的一小部分。因此，在谐振器信号带宽内发生杂散的可能性非常低。但是，对于某些应用程序，例如Caltech开发的动态电感探测器暗物质探测器，必须以更高的频率(几千赫兹)对谐振器进行监视，以进行脉冲检测。在这种情况下，谐波或互调频率在可能影响谐振器检测结果的功率水平和频率范围内；因此，在产生载波音时必须考虑IMD和谐波，例如通过设计驱动音来避免这些谐波和IMD频率。

DAC的选择比ADC的选择更为灵活。16位和1-GSPS DAC易于购买。我们最终选择了Analog Devices，Inc.(美国马萨诸塞州诺伍德)的DAC5681和 Texas Instruments(美国德克萨斯州达拉斯)的ADS5486。DAC可以在高达1 GSPS的条件下工作，测得的SNR为75dBFS，ADC可以在高达550MSPS的条件下测得的SNR为64dBFS。对16位DAC和12位ADC都进行了评估，以确认它们满足SNR，SFDR和IMD要求。由于新型半导体芯片的飞速发展，更快的ADC 和DAC已经出现在市场上，例如Analog Devices，Inc.宣布的12位3-GSPS ADC 芯片。未来的ADC/DAC开发。

选择的ROACH板使用Zdok连接器连接到ADC/DAC板，从而使得能够独立开发ADC/DAC板，并将ADC/DAC板用于不同的相机和应用程序。

关于硬件板上的时钟和1-PPS信号，ADC和DAC板需要时钟频率才能运行。该时钟频率可以由FPGA提供，也可以由外部时钟源(例如独立的频率合成器) 提供。外部时钟提供了比FPGA时钟更灵活的选择任何时钟频率和更稳定的性能(以满足较高的时序要求)的能力。因此对ADC和DAC芯片都使用外部时钟。将ADC的外部时钟用于FPGA，以实现更好的相位性能以及与ADC，DAC和FPGA 的同步。在IF板上集成了时钟频率生成和本地振荡器(LO)频率生成。频率稳定性源于10MHz参考，该参考被馈入IF板并用于锁定时钟和LO。

为了同步系统，在ADC板上添加了一个同步端口。该端口通过ADC和DAC 板使用的同一Zdok连接器提供从GPS设备生成的外部每秒一脉冲(PPS)信号到FPGA架构的链接。