CN104991120B - 一种相对实时的电波环境测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相对实时的电波环境测试方法，其包括：步骤S0，提供电波环境测试系统；步骤S1，将所述电波环境测试系统安装在射电望远镜上，并使所述测试天线靠近所述射电望远镜的馈源口面；步骤S2，采用标准噪声源对所述电波环境测试系统进行校准；步骤S3，采用所述电波环境测试系统分别在工作日和周末的白天测试时间段内进行水平极化电波环境测试和垂直极化电波环境测试；步骤S4，对存储的数据进行校准；以及步骤S5，根据所述测试天线口面的功率值，绘制所述测试天线在同一方向不同时间以及在同一时间不同方向的电波环境频谱图。本发明为射电天文观测消干扰策略、接收机改造、台站无线电管理提供重要支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种射电天文技术，尤其涉及一种相对实时的电波环境测试方法。
背景技术
射电望远镜具有极高的系统灵敏度，用于接收宇宙中微弱的天体信号，射电天文业务较低频段易受到地面及空间无线电业务的干扰(主要影响频段为L和S波段，此波段主要的科学需求为脉冲星观测、连续谱观测及国家探月任务等)，其原因是射电望远镜装备有宽带接收机，而地面、空间等等从多干扰信号通过天线旁瓣接入接收机系统。
射电望远镜系统内、系统间及台址内电子设备众多。随着高频电子技术、宽带高速采样及数字处理技术的发展和应用，数字接收机、数字终端、商用设备、电气设备及台址光学观测设备的建设使台址内电磁环境变得尤为复杂，如工作环境电磁场强的幅度不断增大，信号特性的多样性，信号密度不断提高，频谱不断扩张。另外，台址外存在有通信链路系统、移动通信、飞机导航、雷达测距、卫星等无线通信业务，均会影响射天天文观测业务。
射频干扰(radio frequency interference，RFI)的强度和频谱密度使得观测结果深受射频干扰的影响以致失去使用价值。尤其利用单天线射电望远镜进行的观测(连续谱或光谱)最易受到干扰的影响，其原因是：积分时间的增加提高了望远镜对天文信号的灵敏度，但也同等程度地提高了其对射频干扰信号的灵敏度。
由此可见，射频干扰不仅会影响某些观测或特定观测类型的质量，而且还会限制射电天文系统的总体效率，加大了观测时间以及处理数据的复杂性。
综上，由于射电望远镜具有极高的灵敏度，且射电天文台站的电波环境复杂，因此，有效的电波环境测试及频谱分析对研究台站干扰信号特征(如极化性、瞬时性、带宽性)具有重要作用。
目前射电天文技术认可的电波环境测试方法为SKA(Square kilometer array，平方公里阵)选址射频干扰测试方法，业内人士已运用此方法对国内射电天文台站前期选址做了一定的测试工作。该电波环境测试方法对于射电天文台站前期选址及台站电波环境综合评估具有一定的优势，但针对已经确定或者正在运行的天文台站进行电波环境测试，缺乏信号的实时性信息；而现有很多台站前期设计阶段没有考虑电磁兼容性设计及屏蔽防护，自身设备及外在无线通信业务存对射电天文观测影响越来越大。因此，研究相对实时电波环境频谱能够有效分析电波环境随着时间的变化趋势，分析瞬态信号、固定信号、极化信号等随时间变化特点，为射电天文观测消干扰策略、接收机改造、台站无线电管理提供重要支持。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种相对实时的电波环境测试方法，以分析台站不同方向不同时间的信号特征，为台站无线电管理及消干扰策略提供重要支撑。
本发明所述的一种相对实时的电波环境测试方法，其包括以下步骤：
步骤S0，提供具有测试天线和信号分析仪的电波环境测试系统，其中所述信号分析仪包括依次连接的中频滤波器、检波器和视频滤波器；
步骤S1，将所述电波环境测试系统安装在射电望远镜上，并使所述测试天线靠近所述射电望远镜的馈源口面，同时将所述射电望远镜的俯仰角度调节至小于20度，以使所述测试天线的口面无遮挡；
步骤S2，采用标准噪声源对所述电波环境测试系统进行校准，直至其系统噪声低于2000K，并获得系统增益；
步骤S3，采用所述电波环境测试系统分别在工作日和周末的白天测试时间段内进行水平极化电波环境测试和垂直极化电波环境测试，所述水平和垂直极化电波环境测试均包括：通过转动所述射电望远镜改变所述测试天线的方向，并通过多次测试以覆盖360度全天区，并在所述白天测试时间段的每个小时内针对所述测试天线的各个方向各测试一次；通过所述信号分析仪将所述测试天线在每次测试时接收的模拟信号转换为数字信号，然后经过中频滤波和采样、并对采样数据进行线性平均后进行数据存储；
其中，所述电波环境测试的终止频率为2600MHz，起始频率为1000MHz，所述测试天线的每次测试范围为测试天线3dB波束宽度，所述信号分析仪单次扫描点数为10000个，所述中频滤波器的带宽为30K，且该中频滤波器带宽内的采集点数为10个，扫描时间为100μs，线性平均次数为200次，所述视频滤波器的带宽为300K；
步骤S4，对存储的数据进行校准，并对所述中频滤波器带宽内的10个采集点的校准后的数据进行统计，并计算出平均值作为每30K频点对应的功率值，从而获得所述测试天线口面的功率值；以及
步骤S5，根据所述测试天线口面的功率值，绘制所述测试天线在同一方向不同时间以及在同一时间不同方向的电波环境频谱图，并根据所述电波环境频谱图分析所述测试天线在同一方向下干扰信号随着时间变化的特征以及在同一时间下干扰信号随着方向变化的特征，并由此对比分析工作日和周末干扰信号的特征差异。
在上述的相对实时的电波环境测试方法中，所述测试天线3dB波束宽度为60度。
在上述的相对实时的电波环境测试方法中，所述白天测试时间段为每天的北京时间8:30分至21:30分。
在上述的相对实时的电波环境测试方法中，在所述步骤S3中，在所述信号分析仪将所述测试天线在每次测试时接收的模拟信号转换为数字信号之前，通过低噪声放大器对所述模拟信号进行放大。
在上述的相对实时的电波环境测试方法中，所述步骤S4中对存储的数据进行校准包括将该数据减去所述测试天线的固有增益以及所述系统增益。
在上述的相对实时的电波环境测试方法中，所述干扰信号的特征包括瞬态性、宽带、窄带和极化信息。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明基于现有射电望远镜科学需求及技术特点，对电波环境测试系统安装位置、测试时间、测试系统灵敏度、极化方式、信号分析仪设置、积分时间等提出一定的要求；同时选择人类活动密集的白天时间段，获得工作日和节假日相对实时的电波环境频谱图，并通过该相对实时的电波环境频谱图有效分析电波环境随着时间的变化趋势，分析瞬态信号、固定信号、极化信号等随时间变化特点，从而为射电天文观测消干扰策略、接收机改造、台站无线电管理提供重要支持。
具体实施方式
下面给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
本发明，即一种相对实时的电波环境测试方法，其包括以下步骤：
步骤S0，提供具有测试天线和信号分析仪的电波环境测试系统(该系统还包括低噪声放大器、标准噪声源以及计算机等，该系统搭建简单便携，方便安装及搬移，且由于其中低噪声放大器具有较好的性能，如带宽较宽，增益及噪声系数性能较好，因此系统具有较好的系统灵敏度；该系统为现有系统，故此处不再赘述)，其中信号分析仪包括依次连接的中频滤波器、检波器和视频滤波器；
步骤S1，将电波环境测试系统安装在射电望远镜上，并使测试天线靠近射电望远镜的馈源口面，从而使得测试天线处的电波环境可近似认为为射电望远镜馈源口面的电波环境，同时将射电望远镜的俯仰角度调节至小于20度，以使测试天线的口面无遮挡；
步骤S2，采用标准噪声源对电波环境测试系统进行校准(校准方法为现有技术，故此处不再赘述)，直至其系统噪声低于2000K(若系统噪声不满足要求，则需查看系统链路中线缆、滤波器、衰减器接头连接是否正常，有问题时需要更换器件，以保证系统具有较好的系统性能)，并获得系统增益；
步骤S3，采用电波环境测试系统分别在工作日和周末的白天测试时间段(例如每天的北京时间8:30分至21:30分)内进行水平极化电波环境测试和垂直极化电波环境测试(通过改变测试天线的极化方式即可实现不同极化的电波环境测试)，水平和垂直极化电波环境测试均包括：通过转动射电望远镜改变测试天线的方向，并通过多次测试以覆盖360度全天区，并在白天测试时间段的每个小时内针对测试天线的各个方向各测试一次；通过低噪声放大器对测试天线在每次测试时接收的模拟信号进行放大；通过信号分析仪将放大后的模拟信号转换为数字信号，然后经过中频滤波和采样、并对采样数据进行线性平均后进行数据存储(线性平均是指信号分析仪在扫描模式下，同一带宽进行多次扫描，每次扫描各频点处的功率值与前一次相同频点处功率值进行线性平均，线性平均时将功率(dBm)转换为mW后进行平均，然后将平均后的值转换为(dBm)，从而提高测试精度及系统灵敏度，这是由于系统噪声是随机的，通过线性平均对噪声和假信号进行平均后，可平滑背景噪声，提高微弱信号的测试能力，从而可提高测试系统灵敏度)；
其中，电波环境测试的终止频率为2600MHz，起始频率为1000MHz，测试天线的每次测试范围为测试天线3dB波束宽度(该测试天线3dB波束宽度例如为60度，以此为例，则测试天线的方向需要改变6次，即在6个方向上分别进行测试，才能满足全方位测试要求)，信号分析仪单次扫描点数为10000个，中频滤波器的带宽为30K，且该中频滤波器带宽内的采集点数为10个，扫描时间为100μs，线性平均次数为200次，视频滤波器的带宽为300K(由于视频滤波器带宽设置太小将增加测试误差，因此本发明中选择300K，以提供测试数据的精度)；
步骤S4，对存储的数据进行校准(校准方法包括将该数据减去厂家提供的测试天线的固有增益以及步骤S2中获得的系统增益)，并对中频滤波器带宽内的10个采集点的校准后的数据进行统计，并计算出平均值作为每30K频点对应的功率值，从而获得测试天线口面的功率值(该功率值可近似认为是望远镜馈源口面功率值)；以及
步骤S5，根据测试天线口面的功率值，绘制测试天线在同一方向不同时间以及在同一时间不同方向的电波环境频谱图，并根据电波环境频谱图分析测试天线在同一方向下干扰信号随着时间变化的特征以及在同一时间下干扰信号随着方向变化的特征，并由此对比分析工作日和周末干扰信号的特征差异(干扰信号的特征包括瞬态性、宽带、窄带和极化等信息)。
根据步骤S3中对信号分析仪的各类参数的设定可知，中频滤波器带宽内积分时间为：100us(扫描时间)*200(线性平均次数)＝20ms，单次扫描总带宽为：30KHz(中频滤波器的带宽)*10000(单次扫描点数)/10(中频滤波器带宽内的采集点数)，单次扫描总带宽内测试时间为：10000(单次扫描点数)/10(中频滤波器带宽内的采集点数)*20ms(中频滤波器带宽内积分时间)＝20s，由此可得测试带宽内总测试时间为：(2600MHz-1000MHz)/(30KHz*10000/10)*20s＝17.8分钟，考虑到转动望远镜方位时间，也就是说测试天线在一个方向上的总测试时间约为20分钟。
在此基础上，以测试天线3dB波束宽度为60度为例，测试天线需要在6个方向上分别进行测试，才能满足全方位测试要求，而由于每个小时可测试3个方向，因此在当前白天测试时间段的每个小时重复测试相同的3个方向，然后在下一个白天测试时间段的每个小时重复测试另外的3个方向，测试完这6个方向即为完成一个极化测试，也就是说，需要两天才能完成一个极化测试，水平和垂直极化测试共计需要4天完成(测试天线水平放置时测试6个方向，测试天线垂直放置时测试6个方向，因此共需4天)。测试周期为两轮，一轮为工作日，一轮为周末(由于周末只有两天，因此在数据不够的情况下，需要在下一个周末继续测试，以获得完整的数据)。由此即可在绘制电波环境频谱图后对比分析工作日电波环境与周末电波环境的差异性。
综上所述，本发明的优点如下：
1、本发明针对已经建成或投入使用的射电天文台站进行电波环境测试获得的测试天文口面功率值，可近似认为为射电望远镜馈源口面处功率值，从而可更有效的评估干扰信号对射电天文观测的影响。
2、本发明紧密结合射电望远镜科学需求及台站具体状况，合理安排测试时间，测试数据更可靠。
3、通过本发明获得的时间、频率、幅度三维频谱图，对于分析电波环境如干扰信号随时间变化趋势，研究台站固定信号、瞬态信号、极化信号是否随时间变化特征更有意义。
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，本发明的上述实施例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。
Claims (6)
1.一种相对实时的电波环境测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S0，提供具有测试天线和信号分析仪的电波环境测试系统，其中所述信号分析仪包括依次连接的中频滤波器、检波器和视频滤波器；
步骤S1，将所述电波环境测试系统安装在射电望远镜上，并使所述测试天线靠近所述射电望远镜的馈源口面，同时将所述射电望远镜的俯仰角度调节至小于20度，以使所述测试天线的口面无遮挡；
步骤S2，采用标准噪声源对所述电波环境测试系统进行校准，直至其系统噪声低于2000K，并获得系统增益；
步骤S3，采用所述电波环境测试系统分别在工作日和周末的白天测试时间段内进行水平极化电波环境测试和垂直极化电波环境测试，所述水平和垂直极化电波环境测试均包括：通过转动所述射电望远镜改变所述测试天线的方向，并通过多次测试以覆盖360度全天区，并在所述白天测试时间段的每个小时内针对所述测试天线的各个方向各测试一次；通过所述信号分析仪将所述测试天线在每次测试时接收的模拟信号转换为数字信号，然后经过中频滤波和采样、并对采样数据进行线性平均后进行数据存储；
其中，所述电波环境测试的终止频率为2600MHz，起始频率为1000MHz，所述测试天线的每次测试范围为测试天线3dB波束宽度，所述信号分析仪单次扫描点数为10000个，所述中频滤波器的带宽为30K，且该中频滤波器带宽内的采集点数为10个，扫描时间为100μs，线性平均次数为200次，所述视频滤波器的带宽为300K；
步骤S4，对存储的数据进行校准，并对所述中频滤波器带宽内的10个采集点的校准后的数据进行统计，并计算出平均值作为每30K频点对应的功率值，从而获得所述测试天线口面的功率值；以及
步骤S5，根据所述测试天线口面的功率值，绘制所述测试天线在同一方向不同时间以及在同一时间不同方向的频谱图，并根据所述频谱图分析所述测试天线在同一方向下干扰信号随着时间变化的特征以及在同一时间下干扰信号随着方向变化的特征，并由此对比分析工作日和周末干扰信号的特征差异。
2.根据权利要求1所述的相对实时的电波环境测试方法，其特征在于，所述测试天线3dB波束宽度为60度。
3.根据权利要求1所述的相对实时的电波环境测试方法，其特征在于，所述白天测试时间段为每天的北京时间8:30分至21:30分。
4.根据权利要求1所述的相对实时的电波环境测试方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在所述信号分析仪将所述测试天线在每次测试时接收的模拟信号转换为数字信号之前，通过低噪声放大器对所述模拟信号进行放大。
5.根据权利要求1所述的相对实时的电波环境测试方法，其特征在于，所述步骤S4中对存储的数据进行校准包括将该数据减去所述测试天线的固有增益以及所述系统增益。
6.根据权利要求1所述的相对实时的电波环境测试方法，其特征在于，所述干扰信号的特征包括瞬态性、宽带、窄带和极化信息。
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| CN104991120A (zh) | 2015-10-21 |
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