CN105527489B - 一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功率辐射计系统 - Google Patents

一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功率辐射计系统 Download PDF

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Abstract

一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功率辐射计系统，其工作于射电天文保护频段，对这些频段信号进行滤波、选通、放大、检波、分析；其特征在于：由定标模块及其控制单元与射频信号检波单元连接构成；本发明的有益效果是，具有受无线电干扰较少，检测带宽较之于传统的超外差方式更宽、动态范围大、结构简单等优点。

Description

一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功 率辐射计系统
技术领域
本发明属射电天文太阳功率辐射计系统技术，其工作于射电天文保护频段，对这些频段信号进行滤波、选通、放大、检波、分析项技术用于太阳射电多频段的总流量观测，通过多频段流量变化可以在太阳物理研究，空间天气预警等领域发挥作用。
背景技术
太阳是距离地球最近的恒星，在传递给地球光和热的同时，其活动也在各个方面影响着人类的生产、生活以及人类依存度越来越高的技术体系。
太阳爆发是发生在太阳大气—日冕中剧烈的能量释放过程，主要形式是太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)，本质上是磁场和磁场、磁场和等离子体之间相互作用的结果。这样的剧烈爆发过程，可能对地球周围的空间环境(Space Weather)造成剧烈扰动，对现代社会的正常运行带来灾害性影响。由此可见，日冕作为连接太阳和日地空间的纽带和太阳剧烈爆发活动的发源地、CME作为灾害性空间天气的驱动源，都具有极其特殊的重要地位。
对日冕的观测研究，仍是目前太阳物理研究的难点和重点，如著名太阳物理研究学者Aschwanden提出的“十大太阳物理研究难题”里，至少有一半和日冕有关。日冕观测研究的核心问题，是对日冕磁场的测量和对日冕物质抛射(CME)的监测。
从观测的角度考虑,除光学观测太阳爆发事件外,用射电方法是相当重要的观测手段,尤其对CME事件的观测研究是其它方法无法替代的。
从理论上考虑,CME的一个关键问题是了解它在日面上的源区,以便能监测CME的初始形成和喷发的整个过程。但是在低日冕(1.0～1.5倍太阳半径)范围内,白光日冕仪是不能观测的,而用米波射电频谱仪则可以。因为太阳米波II、IV型爆发与CME和耀斑等剧烈太阳活动以及相对应的日地物理效应有密切关系,因此射电方法是研究CME的重要手段之一。
但是随着电子技术的发展，射电天文设备逐步由数字化终端取代了原有的模拟终端。这样大大提升射电天文观测的效率，射电窗口以上几乎整个无线电频段都纳入了射电天文观测范畴。但随着全社会信息化的飞速发展，越来越多的无线电频段被使用，因此，无线电干扰(Radio Frequency Interference,RFI)越来越成为严重困扰射电天文观测的因素，甚至对射电天文观测带来致命影响。
二十世纪五十年代初，在国际电信联盟下属的国际无线电咨询委员会里，成立了专门的研究组，研究讨论对射电天文频率的分配与防止干扰的问题，建议提供专门的射电天文频段，并给予有效的保护。1959年世界无线电行政大会通过将射电天文作为一项电信业务，分配给它几个频段。以后，在1963年和1971年的世界空间无线电行政大会上，又分别增加了一些射电天文频段。与此同时，各国电信主管部门也开始注意射电天文的频率分配与保护问题。各国在国内各种电信业务间进行协调，防止对射电天文业务产生有害干扰，解决了一些局部地区性的干扰问题,促进了射电天文事业的发展。
到目前为止，国际组织分配给射电天文业务的频段，除少数专用频段外，都在一定的条件下与其他业务共用。这些频段大多分布在短分米波、厘米波、毫米波以及波长更短的频段。例如，对最著名的中性氢21厘米谱线(1420.406MHz)分配了1400～1427MHz的射电天文专用频段，这一频段同时也供连续谱类型的观测使用(这种类型的射电天文观测与谱线观测不同，它不需要准确的频率，但需要较宽的频带)；在羟基OH谱线1665.401和1667.358MHz附近,提供了1660～1670MHz的频段；在氨谱线23.694和23.723GHz附近，则划给23.6～24GHz的频段。此外，在米波段和长分米波段也都分配给一些频段，主要进行连续谱类型的观测，如37.75～38.25MHz和406～410MHz频段等。
为此，采用在射电天文保护频段内对太阳射电信号进行观测，可以有效的规避无线电环境，提高数据质量。
发明内容
一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功率辐射计系统，主要适用于多点频太阳射电流量精密观测，同时通过观测数据对空间天气事件进行有效推测。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功率辐射计系统，其工作于射电天文保护频段，对这些频段信号进行滤波、选通、放大、检波、分析；本发明特征在于：由定标模块及其控制单元与射频信号检波单元连接构成；其中：
定标模块及其控制单元采用噪声源——50欧姆匹配负载——太阳射电源——冷空轮换控制观测模式，即噪声源经由偶合器与天线信号通过50欧姆匹配负载的微波开关与放大器1连接，放大器1通过4功分器与射频信号检波单元连接；
射频信号检波单元采用隔离器、滤波器、放大器2、检波器、数据采集电路依序连接；数据采集器与计算机连接。
本发明射频信号检波器采用带通滤波器与天线输出端相连选通射电天文保护频段，带通滤波器输入和输出端与两级射频放大器输出和输入端相连，第二级放大器的输出端与宽带检波芯片的输入端相连，宽带检波芯片的输出端与电脑控制下的数据采集器相连，链路中射频放大器增益根据检波器的检测性能确定，将射频信号功率放大至检波器可检测最小电平以上，同时兼顾太阳射电爆发的动态范围约30-40dB；检波器的检波芯片应采用大于6GHz的宽输入带宽，大动态范围至少在55dB以上的宽带、高动态范围检波芯片，以兼顾多个射电天文保护频段和强太阳射电爆发的动态范围。
本发明射频信号检波单元设为至少一组并联，每一组的检波器均与数据采集器连接。
本发明具体实施方案如下：
1.采用带通滤波器与天线输出端相连，并选通射电天文保护频段，这样的优势在于：采用了受国际电联保护的无线电频段能够很好的规避无线电干扰对观测数据的影响，提高数据质量；
2.带通滤波器输出与两级射频放大器输入端相连，将射频信号功率放大至检波器可检测最小电平以上，保证检波芯片能够正常检测电压，同时兼顾太阳射电爆发30-50dB的动态范围；
3.检波芯片采用目前最先进的宽带输入、大动态范围检波芯片，如：ADI公司生产的ADL5906是真均方根响应功率检波器，工作频率范围为10MHz至10GHz，覆盖了十米波——厘米波波段大部分射电天文保护频段，可接受的输入信号范围为-65dBm至+8dBm，具有70dB以上测量范围，覆盖了几乎所有的太阳射电爆发的信号动态情况；
4.在定标方面，采用定标模块及其控制单元采用噪声源——50欧姆匹配负载——太阳射电源——冷空轮换控制观测模式，选通噪声源、50欧姆匹配负载、太阳、冷空时，记录RN(噪声源)、RT(负载)、RB(冷空)、RS(太阳)数值，在采集到定标数据RN、RT、RB、RS后，将天线跟踪太阳时采集的太阳流量数据S按照如下公式得到太阳的流量值(宁静或爆发)：
S＝S0(RS—RB)/(RN—RT)
本发明的有益效果是，具有受无线电干扰较少，检测带宽较之于传统的超外差方式更宽、动态范围大、结构简单等优点：
1.采用国际电联划归射电无线电保护频段，可以有效规避无线电干扰问题，对于太阳这种强射电源，在保护频段上监测灵敏度是足够的；
2.采用新型宽带(＞6GHz甚至到10GHz)的检波芯片可以覆盖绝大多数射电无线电保护频段,同时此种方案可以取代目前的超外差接收方案，减少不必要的变频、滤波、放大等电路；
3.同时检波芯片兼顾了大动态输入范围(＞55dB)，覆盖了几乎全部的太阳射电爆发动态范围，也减少了链路中射频放大器的数量，提高系统的稳定性；
4.采用冷空——射电源——冷热负载交替定标的方法，能够精准定标太阳流量，提高观测精度。
附图说明
图1为系统框图；
图2为采集太阳(Rs)、冷空(RB)、噪声源(RN)和终端(RT)的功率关系图。
具体实施方案
见图1，图2，一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功率辐射计系统，其工作于射电天文保护频段，对这些频段信号进行滤波、选通、放大、检波、分析；本发明特征在于：由定标模块及其控制单元与射频信号检波单元连接构成；其中：
定标模块及其控制单元采用噪声源——50欧姆匹配负载——太阳射电源——冷空轮换控制观测模式，即噪声源经由耦合器与天线信号通过50欧姆匹配负载的微波开关与放大器1连接，放大器1通过4功分器与射频信号检波单元连接；
射频信号检波单元采用隔离器、滤波器、放大器2、检波器、数据采集电路依序连接；数据采集器与计算机连接。
本发明射频信号检波器采用带通滤波器与天线输出端相连选通射电天文保护频段，带通滤波器输入和输出端与两级射频放大器输出和输入端相连，第二级放大器的输出端与宽带检波芯片的输入端相连，宽带检波芯片的输出端与电脑控制下的数据采集器相连，链路中射频放大器增益根据检波器的检测性能确定，将射频信号功率放大至检波器可检测最小电平以上，同时兼顾太阳射电爆发的动态范围约30-40dB；检波器的检波芯片应采用大于6GHz的宽输入带宽，大动态范围至少在55dB以上的宽带、高动态范围检波芯片，以兼顾多个射电天文保护频段和强太阳射电爆发的动态范围。
首先，采用带通滤波器与天线输出端相连选通射电天文保护频段，根据无线电环境情况确定带通滤波器通带带宽、阻带抑制度、过渡带斜率等参数，带通滤波器输出与两级射频放大器输入端相连；
其次，根据宁静太阳流量和检波器性能，采用射频放大器将滤波器选通的带通射频信号功率放大至检波器可检测最小电平以上，同时兼顾、保留足够的动态范围，以防太阳射电爆发时候接收机饱和；
然后，第二级放大器的输出端与宽带检波芯片的输入端相连，检波芯片应采用宽输入带宽(大于6GHz甚至10GHz)，大动态范围至少在55dB以上的宽带、高动态范围检波芯片，，以兼顾多个射电天文保护频段和强太阳射电爆发的动态范围，如：ADL5906，工作频率范围为10MHz至10GHz，可接受的输入信号范围为-65dBm至+8dBm；ADL5902工作频率范围100MHz至9GHz，单端输入动态范围：60dB。宽带检波芯片的输出端与电脑控制下的数据采集电路相连，采集电路的量化位数应该在12bit以上，保持70dB的理论动态范围；
最后，定标模块及其控制单元采用噪声源——50欧姆——太阳射电源——冷空轮换控制观测模式，选通噪声源、50欧姆匹配负载、太阳、冷空时，记录RN(噪声源)、RT(负载)、RB(冷空)、RS(太阳)数值，在采集到定标数据RN、RT、RB、RS后，将天线跟踪太阳时采集的太阳流量数据S按照如下公式得到太阳的流量值(宁静或爆发)：
S＝S0(RS—RB)/(RN—RT)。

Claims (2)

1.一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功率辐射计系统，其工作于射电天文保护频段，对这些频段信号进行滤波、选通、放大、检波、分析；其特征在于：由定标模块及其控制单元与射频信号检波单元连接构成；其中：
定标模块及其控制单元采用噪声源——50欧姆匹配负载——太阳射电源——冷空轮换控制观测模式，即噪声源经由耦合器与天线信号通过50欧姆匹配负载的微波开关与放大器1连接，放大器1通过4功分器与射频信号检波单元连接；
射频信号检波单元采用隔离器、滤波器、放大器2、射频信号检波器、数据采集器依序连接；数据采集器与计算机连接；
射频信号检波器采用带通滤波器与天线输出端相连选通射电天文保护频段，带通滤波器输入和输出端与两级射频放大器输出和输入端相连，第二级放大器的输出端与宽带检波芯片的输入端相连，宽带检波芯片的输出端与电脑控制下的数据采集器相连，链路中射频放大器增益根据射频信号检波器的检测性能确定，将射频信号功率放大至射频信号检波器可检测最小电平以上，同时兼顾太阳射电爆发的动态范围为30-40dB；射频信号检波器的宽带检波芯片应采用大于6GHz的宽输入带宽，大动态范围在55dB以上的宽带、高动态范围宽带检波芯片，以兼顾多个射电天文保护频段和强太阳射电爆发的动态范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带检波芯片在射电天文保护频段的太阳射电总功率辐射计系统，其特征在于：射频信号检波单元设为至少一组并联，每一组的射频信号检波器均与数据采集器连接。
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