CN106226594A - 针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，其包括模拟接收机子系统、检波‑数字采集子系统、定标子系统、时频子系统、控制子系统，模拟接收机子系统通过检波‑数字采集子系统与控制子系统连接，定标子系统、时频子系统分别与控制子系统连接；本系统具有受无线电干扰较少、动态范围大、结构简单等优点，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。
Description
技术领域
本发明属于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放大、选通、下变频、检波、分析等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
本发明提供了一种针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，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：
本发明系统采用超外差结构，其包括模拟接收机子系统、检波-数字采集子系统、定标子系统、时频子系统、控制子系统，模拟接收机子系统通过检波-数字采集子系统与控制子系统连接，定标子系统、时频子系统分别与控制子系统连接；其工作于射电天文保护频段。
所述模拟接收机子系统由低噪声放大器、功分器、一个以上射电天文保护频点滤波器、一个以上本振源、一个以上混频器、一个以上中频滤波器、一个以上中频放大器组成；低噪声放大器、功分器、射电天文保护频点滤波器、混频器、中频滤波器、中频放大器依次连接，本振源与混频器连接。
所述检波-数字采集子系统包括高动态范围检波芯片为核心的检波器、多路数据采集卡，中频放大器通过检波器与多路数据采集卡连接。
所述定标子系统包括微波开关、噪声源，噪声源通过微波开关与控制子系统连接，微波开关受到控制子系统控制，微波开关输出与低噪声放大器连接，经控制通过控制微波开关切换和噪声源的开关对整个系统进行标校。
所述时频子系统包括GPS授时天线、网络时间授时仪，GPS授时天线通过网络时间授时仪与控制子系统连接，通过网络对检波-数字采集子系统和控制子系统进行授时处理。
所述控制子系统为控制核心，为一台主控电脑，主要起到对微波开关、噪声源的控制及采集数据处理、存储等功能，控制采用常规控制方法。
选取射电天文保护频段，主要通过射电天文保护频点滤波器（带通滤波器）进行选择，带通滤波器的输入端和输出端分别于1:N功分器的输出端和混频器的输入端相连，用于选射电天文保护频段；
下变频部分由多个混频器和射电天文保护频点滤波器（带通滤波器）组成，其中混频器的输入端分别与各自射电天文保护频点滤波器（带通滤波器）输出端相连，其相应本振信号注入端与各自对应的本振源输出端相连，在其中进行混频后输出与中频滤波器输入相连，到达选择有用频率，抑制镜像频率的目的；中频滤波器输出与中频放大器输入相连，将信号功率放大至检波器能够检测的范围之内；中频放大器的输出端与检波器的输入端相连，通过检波器将射频功率信号转化为模拟电压信号，然后检波器的输出端与多路数据采集卡相连，将模拟电压信号转换为数字信号，并通过总线传至后端的控制子系统（电脑）中。
在时间频率方面，主要由GPS授时天线、网络时间授时仪组成，通过网络对检波-数字采集子系统和控制系统进行授时处理。
在定标方面：主要通过对噪声源及射电天线的控制来实现，控制顺序为：首先控制微波开关切换到噪声源输入，噪声源关闭状态记录当前的各频点功率值Pshut，然后打开噪声源记录下当前的各频点功率值Popen，然后微波开关切换到射电天线信号输出，控制望远镜指向冷空记录下当前的各频点功率值Psky ,最后转入太阳跟踪观测模式实时记录下Psun，通过上述四种功率值的比对，可以解算得到当前的太阳射电流量。
其关键在于：
1、由于无线电环境的恶化，即使在射电天文保护频点附近也可能会有无线电干扰信号存在，这就决定了第一级放大器和滤波器的指标要求，即无线电干扰信号不能引起第一级放大器进入非线性区域，同时第一级滤波器必须有效的抑制附近频率的无线电干扰信号，以免在后端链路中出现饱和、镜像等情况；
2、同样由于无线电环境的恶化，对于混频到中频滤波部分，必须考虑镜像问题，为此必须考虑到混频到中频滤波器时镜像频率进入到中频滤波器通带内，为此在完成无线电环境调研后，需要对混频频率进行合理的分析、选择，避免镜像无线电干扰频率落在中频滤波器的通带和过渡带内；
3、检波器之前需要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；
4、检波器的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10 MHz至10 GHz，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−65 dBm至+8 dBm，具有70 dB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；
5、在定标方面，采用定标模块及其控制单元，采用噪声源开关（噪声源关闭是相当于50欧姆负载）-太阳射电源-冷空轮换控制观测模式。
本发明的有益效果是，具有受无线电干扰较少、动态范围大、结构简单等优点。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为定标过程中不同信号接入功率图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容，如无特殊说明的均为常规设备及按常规方法实施和控制。
实施例1：如图1所示，本针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统包括模拟接收机子系统、检波-数字采集子系统、定标子系统、时频子系统、控制子系统，模拟接收机子系统通过检波-数字采集子系统与控制子系统连接，定标子系统、时频子系统分别与控制子系统连接；其中模拟接收机子系统包括低噪声放大器、1：N功分器、多个射电天文保护频点滤波器(1～N)、本振源(1～N)、混频器(1～N)、中频滤波器(1～N)、中频放大器(1～N)；低噪声放大器、功分器、射电天文保护频点滤波器、混频器、中频滤波器、中频放大器依次连接，本振源与混频器连接；
检波-数字采集子系统由基于AD8363的高动态范围检波芯片为核心的检波器(1～N)和N路数据采集卡组成，中频放大器通过检波器与N路数据采集卡连接；
定标子系统包括微波开关、可控噪声源，噪声源通过微波开关与控制子系统连接，微波开关输出与低噪声放大器输入连接；通过微波开关切换（天线，噪声源）+噪声源的开关对整个系统进行标校；
时频子系统包括GPS授时天线、网络时间授时仪、网卡，GPS授时天线通过网络时间授时仪与控制子系统连接，通过网络对检波-数字采集子系统和控制子系统进行授时处理；
控制子系统为一台主控电脑，主要起到对微波开关、噪声源的控制及采集数据处理、存储等功能。
选取射电天文保护频段，主要通过带通滤波器（射电天文保护频点滤波器）进行选择，带通滤波器的输入和输出端分别于1:N功分器的输出端和混频器的输入端相连，用于选通射电天文保护频段；
下变频部分由多个混频器和射电天文保护频点滤波器组成，其中混频器的输入端分别与各自带通滤波器输出端相连，其相应本振信号注入端与各自对应的本振信号输出端相连，在其中进行混频后输出与中频带通滤波器输入相连，到达选择有用频率，抑制镜像频率的目的；
如图2所示：在定标方面：主要通过对噪声源及天线的控制来实现，控制顺序为：首先控制微波开关切换到噪声源输入，噪声源关闭状态记录当前的各频点功率值Pshut，然后打开噪声源记录下当前的各频点功率值Popen，然后开关切换到天线信号输出，控制望远镜指向冷空记录下当前的各频点功率值Psky ,最后转入太阳跟踪观测模式实时记录下Psun，通过上述四种功率值的比对，可以解算得到当前的太阳射电流量S；
。
Claims (7)
1.一种针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，其特征在于：包括模拟接收机子系统、检波-数字采集子系统、定标子系统、时频子系统、控制子系统，模拟接收机子系统通过检波-数字采集子系统与控制子系统连接，定标子系统、时频子系统分别与控制子系统连接。
2.根据权利要求1所述的针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，其特征在于：模拟接收机子系统包括低噪声放大器、功分器、一个以上射电天文保护频点滤波器、一个以上本振源、一个以上混频器、一个以上中频滤波器、一个以上中频放大器；低噪声放大器、功分器、射电天文保护频点滤波器、混频器、中频滤波器、中频放大器依次连接，本振源与混频器连接。
3.根据权利要求1所述的针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，其特征在于：检波-数字采集子系统包括高动态范围检波芯片为核心的检波器、多路数据采集卡，中频放大器通过检波器与多路数据采集卡连接。
4.根据权利要求1所述的针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，其特征在于：定标子系统包括微波开关、噪声源，噪声源通过微波开关与控制子系统连接，微波开关与低噪声放大器连接。
5.根据权利要求1所述的针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，其特征在于：时频子系统包括GPS授时天线、网络时间授时仪，GPS授时天线通过网络时间授时仪与控制子系统连接，通过网络对检波-数字采集子系统和控制子系统进行授时处理。
6.根据权利要求1所述的针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，其特征在于：控制子系统为主控电脑。
7.根据权利要求2所述的针对射电天文保护频点的超外差式太阳射电辐射计系统，其特征在于：射电天文保护频点滤波器、中频滤波器为带通滤波器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161214 |