CN107144741A - 基于捷变收发器的抗干扰射电天文辐射计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于捷变收发器的抗干扰射电天文辐射计系统，其包括射电望远镜天线、宽带低噪声放大器、程控捷变收发器、全可编程控制器、上位机；宽带低噪声放大器的输入端与射电望远镜天线的馈源输出端相连，宽带低噪声放大器的输出端与程控捷变收发器的输入端相连，程控捷变收发器通过全可编程控制器与上位机相连；该装置能有效、快速的规避无线电干扰信号，实现观测带内的干扰消除、流量的总功率观测，进一步获得稳定、高质量的观测数据。

Description

基于捷变收发器的抗干扰射电天文辐射计系统

技术领域

本发明涉及一种基于捷变收发器的快速抗干扰射电天文辐射计系统，属于射电天文领域，主要适用于在高无线电干扰环境下的总功率射电天文观测。

背景技术

在空间天气预警、预报方面，其中太阳爆发是空间天气事件的驱动源，对太阳射电波段的观测至关重要。

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。

太阳活动在低频无线电上的观测数据反映了太阳活动等离子体抛射物CME在日地空间传播过程中重要的物理特性。CME中等离子体发射频率与等离子体密度之间有如下对应关系：

其中N_e为等离子体密度，q_e为等离子体单个离子的带电荷数，m_e为等离子体单个离子的质量；随着等离子体从太阳上抛射出来，其密度随着远离太阳的距离而降低，不同太阳高度对应等离子密度符合下面经典公式：

n_e(R)＝n_e0f(R)

其中

参数n_e0为太阳表面的等离子体密度数。为太阳直径，R为等离子体离开太阳的距离。随着CME物质远离太阳，其发射出来的无线电频率也在随之降低，为此太阳物理界一致认为地基太阳射电望远镜所能观测到的无线电爆发频率越低，CME物质离我们就越近。

从上述公式推导可以得出，实施多点频太阳射电流量观测可以获得日冕层的多个高度等离子体密度等参数信息；为了解太阳射电爆发，CME形成具有十分重要的意义。

另外在其余射电天文观测方面，采用辐射计对一定宽带内信号的总功率监测可以获得射电源的光变信息，该种方法是获得射电源物理参数最直接的观测手段，因此可靠性更高；通过其流量变化规律，建立理论模型可理解射电源辐射机制和内部物理(例如由特征时标估算射电源物理尺度，以给出其角径上限)。

微波辐射计的重要标包括温漂特性、输入带宽、最小可识别灵敏度等；根据灵敏度与观测带宽之间的关系：

辐射计能检测到的最小射电流量S_min与积分时间τ和输入信号带宽Δυ成反比。如果拥有更宽的输入信号带宽和更长的积分时间，则辐射计检测微弱信号的能力将更强。

但是目前无线电干扰问题(Radio Frequency interference RFI)严重干扰了射电天文辐射计的工作，无线电业务的扩大越来越多的频率被占用，这就使得射电天文观测带宽和干扰问题成为一对矛盾，如果需要增加带宽则同时也增加了无线电干扰的风险。同时传统的超外差式接收机的观测频段固定，这样如果观测频带内出现无线电干扰信号就需要通过调整本振、带通滤波器等方式进行抑制无线电干扰，工程量较大，且灵活性较差。

发明内容

本发明提供了一种可以快速抑制无线电干扰，实现观测带内的干扰消除，获得稳定观测数据的基于捷变收发器的快速抗干扰射电天文辐射计系统，其包括射电望远镜天线、宽带低噪声放大器、程控捷变收发器、全可编程控制器、上位机；宽带低噪声放大器的输入端与射电望远镜天线的馈源输出端相连，宽带低噪声放大器的输出端与程控捷变收发器的输入端相连，程控捷变收发器通过全可编程控制器与上位机相连；

所述上位机包括：

观测频段与带宽设置模块，用于根据观测需要设置程控捷变收发器的观测带宽、内置放大器增益、中心频点、滤波器阻带抑制度、滤波器带内平坦度、滤波器通带带宽；

观测调节模块，用于调节程控捷变收发器的中心频点、滤波器通带宽带、滤波器阻带抑制度，有效的规避无线电干扰信号；

总功率转化模块，用于将程控捷变收发器收集的宽带数字信号计算转化为总功率数据，实现流量的总功率观测；

存储模块，用于总功率结果及目前的程控捷变收发器的设置参数的存储，形成观测文件。

所述程控捷变收发器型号为AD9361、AD9364或AD9371。

当程控捷变收发器接收的信号微弱时，如弱射电源光变观测，增加内置放大器的增益，提高数字可识别范围；当程控捷变收发器接收的信号较强时，如对太阳射电类强射电源爆发流量观测时，信号较强，则减小内置放大器增益，防止饱和。

本发明中射电天线收集射电源如太阳、星系等发来微波信号，将空间传导电磁波转化为介质传导电磁波，其输出端与宽带低噪声放大器的输入端相连；宽带低噪声放大器采用低噪声设计，能够实现对天线采集信号的初步放大，同时降低整个系统噪声，其输出端与程控捷变收发器输入端相连；程控捷变收发器通过上位机的观测频段与带宽设置模块设置程控捷变收发器的观测带宽、内置放大器增益、中心频点、滤波器阻带抑制度、带内平坦度及通带宽度等参数，并由全可编程控制器将该命令翻译为程控捷变收发器能接收的控制码，有效规避无线电干扰后，程控捷变收发器将获取的观测带内的宽带数字信号传递给总功率转化模块，由总功率转化模块将宽带数字信号计算转化为总功率数据，实现流量的总功率观测；

如果在观测频带内出现无线电干扰的情况下，通过观测调节模块调节程控捷变收发器的中心频点，将该无线电干扰移至滤波器的阻带对其进行抑制；如果在观测频段外出现了无线电干扰过强的情况，则通过观测调节模块将阻带的抑制度增加，抑制住该无线电干扰信号，提高数据质量。

其中程控捷变收发器(AD9361、AD9364或AD9371)中集成了可配置参数带通滤波器(band-pass filter)、增益可配置放大器(Gain configurable amplifier)和模数转换器(analog to digital convertor)等，通过可配置参数的带通滤波器将观测带宽调谐到没有无线电干扰信号的频段，同时抑制住带外的无线电干扰，并通过模数转接器将模拟信号转化为数字信号，并将该数字信号发送到全可编程控制器中；

全可编程控制器是接收来自上位机发来的命令，包括中心频点(centerfrequency)设置、观测带宽(observation bandwidth)设置、滤波器参数(filterparameter)设置、内置放大器增益(Gain)设置等，将该命令翻译为程控捷变收发器的控制码，控制程控捷变收发器的上述相关参数的设置、更改；同时接收程控捷变收发器采集到的数字信号流，并将该信号流上传至上位机中；

上位机集成了观测和控制两种功能；其中观测功能为通过接收前端部分采集得到的数据，计算得到流量数据，并在界面上显示、存储；控制功能包括：对程控捷变收发器各项参数的设置：包括中心频点(center frequency)设置、观测带宽(observation bandwidth)设置、滤波器参数(filter parameter)设置、内置放大器增益(Gain)设置等，并将这些参数作为文件头一起保存到观测文件中。

本装置在实际使用中：

首先，通过上位机的观测频段与带宽设置模块设置本次观测的相关参数，如：内置放大器增益，中心频点、观测带宽、滤波器参数等，其中滤波器参数包括了阻带抑制度、带内平坦度及通带宽度等参数；

然后，开始试观测，留意每个观测频带内的带内起伏情况，一般说来，在没有无线电干扰时采集数据流量平稳，起伏不大；在受到无线电干扰时，观测数据具有较大起伏；

如遇到上述无线电干扰情况，通过上位机的观测调节模块，调整中心频点、观测带宽、滤波器参数等，一直调整到没有无线电干扰，即：观测数据长时间内平稳为止。

本发明的技术效果：

本发明具有能够快速调节观测中心频点、带宽等信息的功能，起到对无线电干扰信号的有效抑制，提高观测数据质量的目的，同时达到了降低设备设计成本等优点。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明系统结构流程示意图；

图3为带内干扰情况下调整程控捷变收发器参数抑制无线电干扰信号的示意图；

图4为带外强干扰情况下通过调整程控捷变收发器参数抑制无线电干扰信号的示意图；

图5为在遇到无线电干扰时的参数设置流程图。

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，本装置中组件为常规市售产品，按常规方法使用。

实施例1：如图1-5所示，本基于捷变收发器的快速抗干扰射电天文辐射计系统包括射电望远镜天线、宽带低噪声放大器、程控捷变收发器、全可编程控制器、上位机；宽带低噪声放大器的输入端与射电望远镜天线的馈源输出端相连，宽带低噪声放大器的输出端与程控捷变收发器的输入端相连，程控捷变收发器通过全可编程控制器与上位机相连；其中上位机包括：观测频段与带宽设置模块，用于根据观测需要设置程控捷变收发器的观测带宽、内置放大器增益、中心频点、滤波器阻带抑制度、滤波器带内平坦度、滤波器通带带宽；观测调节模块，用于调节程控捷变收发器的中心频点、滤波器通带宽带、滤波器阻带抑制度；总功率转化模块，用于将程控捷变收发器收集的宽带数字信号计算转化为总功率数据；存储模块，用于总功率结果及目前的程控捷变收发器的设置参数的存储。

在系统使用时，首先调研观测频段的无线电环境情况，在确保观测频段不处于无线电干扰信号频段或者临近频段，至少保证30MHz以上的无线电频段无明显无线电干扰，50MHz无线电频段内没有较强超过信噪比30dB的无线电干扰信号，通过上述准则选取备用的可观测频段，这样的频段具有无线电干扰少，易于程控捷变收发器微调工作中心频点和带宽、以及滤波器的通带宽带和阻带抑制度等参数；

其次，根据无线电环境的调研情况，设置初步的观测频段，可以是一个或者多个观测频段，对于太阳射电观测，需要离散的观测多个窄带频段，如：国家气象局卫星气象中心石岛太阳射电望远镜的工作频段就是：2801±5MHz、4554±5MHz和9081±5MHz；同时对于光变观测来说，需要一个较宽的观测带宽，为此需要选定无线电干扰较少、带宽较宽的区域；

目前市售输入带宽最宽的捷变收发器：AD9361、AD9364和AD9371的主要参数

AD9361和AD9364可以实现70MHz-6GHz带内任意200kHz-56MHz带宽内信号的观测，AD9371可以实现300MHz-6GHz带内任意8MHz-100MHz带宽内信号的观测。

全可编程控制器接收来自上位机发来的设置命令，包括中心频点设置、观测带宽设置、滤波器参数设置、增益范围设置等，将该命令翻译为程控捷变收发器的控制码，控制程控捷变收发器的上述相关参数进行设置、更改；同时接收程控捷变收发器采集到的数字信号流，并将该信号流上传至上位机中；在实际观测中，上位机通过USB对全可编程控制器进行控制(短距离控制)，也可以通过远程网络对全可编程控制器进行控制(远程控制方式)；

射电天线收集射电源如太阳、星系等发来微波信号，将空间传导电磁波转化为介质传导电磁波，其输出端与宽带低噪声放大器的输入端相连；宽带低噪声放大器采用低噪声设计，能够实现对天线采集信号的初步放大，同时降低整个系统噪声，其输出端与程控捷变收发器输入端相连；

通过上位机的观测频段与带宽设置模块设置本次观测的相关参数，如：中心频点f、观测带宽B、滤波器参数、增益G等，其中滤波器参数包括了阻带抑制度、带内平坦度及通带宽度等参数；因为阻带抑制度越大需要占用程控捷变收发器内部的资源越多，会产生大量的冗余功耗，为此建议在开始观测设置时，没有无线电干扰的情况下不要将阻带抑制度设置得太高，在观测中如遇干扰再调整；

然后，开始试观测，留意每个观测频带内的带内起伏情况，一般说来，在没有无线电干扰时采集数据流量平稳，起伏不大；在受到无线电干扰时，观测数据具有较大起伏；同时可以采用做功率谱的办法搜寻观测带内是否有干扰信号，和观测带外是否存在较强的无线电干扰；

如遇到上述无线电干扰情况，通过上位机中的观测调节模块，调整中心频点、观测带宽、滤波器参数等，如果在观测频带内出现无线电干扰的情况下，通过观测调节模块调节程控捷变收发器的中心频点，将该无线电干扰移至滤波器的阻带对其进行抑制；如果在观测频段外出现了无线电干扰过强的情况，则通过观测调节模块将阻带的抑制度增加，抑制住该无线电干扰信号。一直调整到无线电干扰信号强度被抑制到噪声以下，即：观测数据长时间内平稳为止，即可重新观测。

上位机中的总功率转化模块将采集数据转化为功率数据，另外为了方便数据处理，将此时观测带宽的信息，包括：中心频点、通道宽度作为文件头记录在每个观测文件里。

例如：我们对太阳射电的10.7cm的观测频段为2801±5MHz，开始观测时阻带抑制度为距中心频点20MHz，20dB，距中心频点50MHz,40dB，换言之可以抑制2801±20MHz和2801±50MHz位置信噪比分别为20dB和40dB，如果在带内发现干扰信号，即在2801±5MHz这个观测频段内发现干扰信号，就可以调节观测中心频点，将干扰信号移至滤波器的阻带对其进行抑制；如果发现在2801±20MHz或者2801±50MHz频率处发现信噪比超过20dB和40dB，则进一步调节滤波器的阻带抑制度，将该无线电干扰信号抑制到噪声以下。

Claims (3)

1.一种基于捷变收发器的抗干扰射电天文辐射计系统，其特在在于：包括射电望远镜天线、宽带低噪声放大器、程控捷变收发器、全可编程控制器、上位机；宽带低噪声放大器的输入端与射电望远镜天线的馈源输出端相连，宽带低噪声放大器的输出端与程控捷变收发器的输入端相连，程控捷变收发器通过全可编程控制器与上位机相连；

所述上位机包括：

观测频段与带宽设置模块，用于根据观测需要设置程控捷变收发器的观测带宽、内置放大器增益、中心频点、滤波器阻带抑制度、滤波器带内平坦度、滤波器通带带宽；

观测调节模块，用于调节程控捷变收发器的中心频点、滤波器通带宽带、滤波器阻带抑制度；

总功率转化模块，用于将程控捷变收发器收集的宽带数字信号计算转化为总功率数据；

存储模块，用于总功率结果及目前的程控捷变收发器的设置参数的存储。

2.根据权利要求1所述的基于捷变收发器的抗干扰射电天文辐射计系统，其特在在于：程控捷变收发器型号为AD9361、AD9364或AD9371。

3.根据权利要求1所述的基于捷变收发器的抗干扰射电天文辐射计系统，其特在在于：当程控捷变收发器接收的信号微弱时，增加内置放大器的增益，提高数字可识别范围；当程控捷变收发器接收的信号较强时，减小内置放大器增益，防止饱和。