CN107395245B - 一种射电天文和业余无线电通信两用科普系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射电天文和业余无线电通信两用科普系统，其：包括小型抛物面天线、赤道仪、程控二选一开关、一个以上低噪声放大器、一个以上功率放大器、软件无线电收发机、GPS授时天线、计算机；本发明系统可以实现对射电天文多个强源信号的观测和无线电通信技术的体验，能让科普受众者对射电天文科学和无线电科学两个方面知识获得充分认知，且本发明装置结构简单，适于工业化生产和市场推广应用。

Description

一种射电天文和业余无线电通信两用科普系统

技术领域

本发明涉及一种无线电科普设备，具体涉及一种射电天文和业余无线电通信两用科普系统，主要适用于针对青少年学生的射电天文、无线电通信等技术方面的科普教育领域。

背景技术

从前，人类只能看到天体的光学形象，而射电天文则为人们展示出天体的另一侧面---无线电形象。由于无线电波可以穿过光波通不过的尘雾，射电天文观测就能够深入到以往凭光学方法看不到的地方。银河系空间星际尘埃遮蔽的广阔世界，就是在射电天文诞生以后，才第一次为人们所认识。六十年代中的四大天文发现：类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射，都是利用射电天文手段获得的。

三十多年来，随着观测手段的不断革新，射电天文学在天文领域的各个层次中都做出了重要的贡献。在每个层次中发现的天体射电现象，不仅是光学天文的补充，而且常常越出原来的想象，开辟新的研究领域。

由于人类自身感知事物的敏感性，目前光学天文方面的科普做得较多，例如夜间星空拍摄、白天对日面黑子、日珥等的观察等；但是射电天文因为处于电磁波这个“看不见摸不着”的频段，同时整个技术系统要求较高，国内外均没有很好的开展这样的科普项目，而随着射频技术系统的日益广泛使用，如何向大众展示射电天文这一广阔的研究领域，从科普的角度直观、量化将信号处理流程展现给大众，给新的天文科普平台提出了新的要求。

同时由于射电天文的观测频段和无线电通信频段重合，我们可以在本系统的基础上增加无线电通信的内容，例如可以增加软件无线电试验，目前基于捷变收发器AD936X、AD937X的软件无线电平台可以实现56MHz-6GHz的内多种通信模式信号发送与接收；

另外采用图形化编程界面（GNU）可以使科普受众者清晰了解射电天文、软件无线电的信号处理流程、工作原理，可以看到无线电这种宝贵的“技术资源” 的使用情况，GNURadio还实现了一个完全的HDTV传输和接收的例子，FM/SSB接收、一个频谱分析仪，一个示波器，以及并发多通道接收器和很多调制解调等例子。

发明内容

本发明涉及一种射电天文和业余无线电通信两用科普系统，适用于无线电科普领域，集成了射电天文观测和业余无线电通信体验功能，该发明针对中小学生日益增长的科普需求，弥补天文科普中射电天文科普方面的不足，同时兼顾同频段的业余无线电通信技术体验。

本发明通过如下技术方案实现本发明目的：

一种射电天文和业余无线电通信两用科普系统小型抛物面天线、赤道仪、程控二选一开关、一个以上低噪声放大器、一个以上功率放大器、软件无线电收发机、GPS授时天线、计算机；小型抛物面天线通过撑杆与赤道仪相连，小型抛物面天线的馈源系统输出端与程控二选一开关的单端口相连，程控二选一开关的二端口分别与低噪声放大器的输入端和功率放大器输出端相连，低噪声放大器输出端与软件无线电收发机的信号输入端连接，功率放大器的输入端与软件无线电收发机的信号输出端相连；计算机分别与软件无线电收发机、赤道仪、程控二选一开关连接，GPS授时天线与集成在计算机中的GPS授时定位卡连接；

所述计算机包括：

赤道仪控制模块，控制赤道仪对不同的射电源进行跟踪；

选择模块，对软件无线电收发机的工作模式进行选择，并对程控二选一开关的进行切换；

天文观测模块，在观测带宽内对频段进行选取，完成频谱观测、多通道总流量观测；

无线电通信模块，对多种通信信号进行调制、解调；

信号处理流程显示模块，展示射电天文信号和无线通信信号处理流程；

时间比对、授时及定位模块，通过GPS授时定位卡获取GPS时间并校正时间，并通过GPS天线获取地理位置信息。

本发明系统中：

1、小型抛物面天线为0.8-1.5米抛物面天线，采用卡焦工作方式，起到将空间传导电磁波转化为介质传导电磁波的作用，其信号接收范围覆盖70MHz-6GHz，包括了中性H谱线1420MHz、GPS、BD、WIFI等几个重要频点，单圆极化输出，通过金属撑杆连接于赤道仪上完成随动跟踪；

2、赤道仪，该系统具有实时跟踪、远程控制、多源切换等功能，可以实现对太阳、银河系中心等强射电源的实时跟踪；

3、前端接收机部分，主要功能为将天线采集到的微弱信号进行放大，以便无线电处理部分进行有效的采集，采用宽带低噪声放大器，覆盖70MHz-6GHz带宽的方式，由于1-2GHz存在较多的强无线电干扰，如果无线电干扰较强则增加带通滤波器抑制无线电干扰，带通滤波器设置在程控二选一开关二端口输出端与低噪声放大器输入端之间；

4、前端发射机部分：主要为功率放大器（组），功能为将软件无线电收发机产生的通信信号功率放大至较强范围，以便于能够满足长距离通信的要求；

5、无线电收发部分，采用软件无线电收发机完成各种数字信号处理、产生，同时实现切换射电天文观测和无线电通信两种工作模式，在射电天文观测模式中实现在观测带宽内的频段选取，完成频谱观测、多通道总流量观测等；在无线通信工作模式中实现多种通信信号的调制、解调功能，其通过控制总线与控制和信号处理计算机相连；

6、计算机中集成了GPS授时定位卡并外接GPS天线，通过接收GPS时间给计算机授时，达到准确的系统时间，同时根据GPS的定位功能能够准确知道当前观测设备的位置信息，通过上述时间和位置信息则可以准确的计算出当前射电源的位置，便于实时跟踪。

计算机包括：

1、天文观测模块，可以进行总流量观测----针对太阳射电，精细谱观测---针对银心中性氢1420MHz信号的观测；在天文观测中，可以让科普受众者清晰的观测到宁静时期的太阳射电在70MHz-6GHz多个波段流量的不同，也可以观测到银河系中心强烈的中性氢辐射，可以看到精密的频谱结构，这样的结构反映了银河系旋臂的分布情况；

2、无线电通信模块，集成了多种通信试验平台，包括：调频（FM）、单边带(SSB)通信，数据通信等，使科普受众者可以了解到不同无线通信的发射、接收、调制、解调等得详细过程，并可以实现与远距离的无线电爱好者的通联，体验无线通信的乐趣；

3、选择模块，实现程控二选一开关的切换，实现上述射电天文观测模式和无线电通信模式之间的切换；

4、赤道仪控制模块，即在程序中集成了射电源星表，记录了不同射电源的历元信息，可通过该程序实现对射电源的跟踪和切换；

5、时间比对、授时及定位模块，可以通过GPS授时定位卡获取的GPS时间，校正系统时间，同时通过GPS获取地理位置信息。

所述赤道仪为固定式或移动式。

所述程控二选一开关为工作于宽频带的微波开关。

所述小型抛物面天线的馈源系统具有70MHz-6GHz宽频段覆盖范围。

本发明优点和技术效果如下：

本发明是针对中小学生科普设计的一种多用途科普教学系统，可以实现对射电天文多个强源信号的观测和无线电通信技术的体验，能让科普受众者对射电天文科学和无线电科学两个方面知识获得充分认知。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明系统工作流程示意图。

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。

如图1、2所示，本射电天文和业余无线电通信两用科普系统包括小型抛物面天线、固定式赤道仪、微波开关、低噪声放大器、功率放大器、软件无线电收发机、GPS授时天线、计算机；小型抛物面天线通过撑杆与赤道仪相连，小型抛物面天线的馈源系统输出端与微波开关的单端口相连，微波开关二端口分别与低噪声放大器的输入端和功率放大器输出端相连，低噪声放大器输出端与软件无线电收发机的信号输入端连接，功率放大器的输入端与软件无线电收发机的信号输出端相连；计算机分别与软件无线电收发机、赤道仪、微波开关连接，GPS授时天线与集成在计算机中的GPS授时定位卡连接；所述微波开关工作于宽频带；

本系统中，小型抛物面天线采用卡塞格伦式结构、同时配有70MHz-6GHz宽带馈源系统，在这个带宽内在天文领域可以实现例如银河系中性氢 1420MHz、太阳射电多点频流量同步监测，在通信领域该频段内可以实现：1、一个和TiVo类似的无线电设备，但是它能够同时记录多个电台的信号；2、软件定位，通过接收GPS信号实现位置信息的获得；3、分布式传感器网络；4、分布式频谱利用测量系统等一系列通信实验。

在天线馈源系统输出端与程控二选一开关（微波开关）的单端口相连，程控二选一开关二端口分别与低噪声放大器的输入端和功率放大器输出端相连，通过程控二选一开关选择射电天文观测和无线电通信两种工作模式中哪一种工作在线；

其中低噪声放大器针对射电天文观测模式和无线电通信两种工作模式中的接收信号，通过该低噪声放大器将抛物面天线采集的信号放大至软件无线电收发机能够识别的信号电平范围，该低噪声放大器可以是一个宽带放大器，直接覆盖天线的工作范围，或者在无线电干扰信号较多的情况下，也可以选择数个窄带放大器轮流替换的工作模式，规避无线电干扰，或者采用在程控二选一微波开关二端口输出端至低噪声放大器输入端之间接入带通滤波器的办法抑制无线电干扰；

又功率放大器针对无线通信工作模式中的发射信号，将后端软件无线电收发机中生成通信信号功率放大至较强的功率范围；

在软件无线电收发机中完成各种数字信号处理，通过计算机中的选择模块实现切换射电天文观测和无线电通信两种工作模式，在射电天文观测模式中实现在观测带宽内的频段选取，完成频谱观测、多通道总流量观测等；在无线通信工作模式中实现多种通信信号的调制、解调功能；软件无线电收发机通过总线与计算机相连；

在计算机中集成了GPS授时定位卡，GPS授时定位卡外接GPS天线，组成一个授时系统获取GPS标准时间，通过时间比对、授时及定位模块可以对计算机的系统时间进行校正，起到精确定时的目的，减少因时间误差给天线带来的指向误差。

本系统中天文观测模块主要进行两个科普项目：

1、太阳射电多点频流量监测，在观测频段内程序可设置-选取多个窄带频点对采集信号进行总功率监测，对这些频点内的太阳射电信号进行总流量观测，在宁静太阳时期，太阳辐射的能量与频率成反比，为此在后端可以清晰的观测到随着频率的升高，相应的太阳射电辐射流量下降；

2、对强谱线信号的观测，在软件无线电收发机内实现高频谱分辨率观测，可以使科普受众者了解射电天文受激辐射信号特点；

首先可以观测到银河系中心强烈的中性氢辐射，可以看到精密的频谱结构，由于银河系多个旋臂存在不同的运动，则对应了不同的红移情况，通过比较我们不同方向上观测数据相对于1420MHz这个中心频点的偏移可以确定其红移指数，这样的观测数据间接反映了银河系旋臂的分布情况；同时对一些强的脉泽射电源也可以进行观测，如W3OH的OH发射线等，在该种观测中，程序可以根据不同信号的特点设置观测的中心频点、观测带宽、频谱分辨率、积分时间等信息。

其次，在无线电通信模块中，集成了多种通信试验平台，包括：集成了多种通信试验平台，包括：调频（FM）、单边带(SSB)通信，数据通信等等，在软件无线电收发机内实现信号产生，并由功率放大器（组）放大至较大功率范围，通过小型抛物面天线发送；该项功能使科普受众者可以了解到不同无线通信的发射、接收、调制、解调等得详细过程，并可以实现与远距离的无线电爱好者的通联，体验无线通信。

上述两种模式受到计算机控制，通过选通程控二选一微波开关，决定是发射机部分工作，还是接收机部分工作。

再次是赤道仪控制模块，在该程序中主要集成了不同射电源的星表，包含了射电源的历元信息，能够根据设备所处的地理位置信息和时间信息，计算获取当前不同射电源的位置信息，然后基于该信息控制赤道仪跟踪所需观测的射电源；同时赤道仪控制还有自由控制功能，即：手动输入天线所需指向的方位和俯仰角，实现对某个方向的通信信号增强；

最后是时间比对、授时及定位模块，可以通过GPS授时卡获取的GPS时间，校正系统时间，同时通过GPS获取地理位置信息，计算机只有获得了上述信息才能准确计算出当前射电源的位置信息，才能驱动赤道仪跟踪所需射电源。

另外本系统采用图形化编程界面（GNU）可以使科普受众者清晰了解射电天文、软件无线电的信号处理流程、工作原理，可以看到无线电这种宝贵的“技术资源”的使用情况。

Claims (5)

1.一种射电天文和业余无线电通信两用科普系统，其特征在于：包括小型抛物面天线、赤道仪、程控二选一开关、一个以上低噪声放大器、一个以上功率放大器、软件无线电收发机、GPS授时天线、计算机；小型抛物面天线通过撑杆与赤道仪相连，小型抛物面天线的馈源系统输出端与程控二选一开关的单端口相连，程控二选一开关的二端口分别与低噪声放大器的输入端和功率放大器输出端相连，低噪声放大器输出端与软件无线电收发机的信号输入端连接，功率放大器的输入端与软件无线电收发机的信号输出端相连；计算机分别与软件无线电收发机、赤道仪、程控二选一开关连接，GPS授时天线与集成在计算机中的GPS授时定位卡连接；

所述计算机包括：

赤道仪控制模块，控制赤道仪对不同的射电源进行跟踪；

选择模块，对软件无线电收发机的工作模式进行选择，并对程控二选一开关进行切换；

天文观测模块，在观测带宽内对频段进行选取，完成频谱观测和多通道总流量观测；

无线电通信模块，对多种通信信号进行调制、解调；

信号处理流程显示模块，展示射电天文信号和无线通信信号处理流程；

时间比对、授时及定位模块，通过GPS授时定位卡获取GPS时间并校正时间，并通过GPS授时天线获取地理位置信息。

2.根据权利要求1所述的射电天文和业余无线电通信两用科普系统，其特征在于：赤道仪为固定式或移动式。

3.根据权利要求1所述的射电天文和业余无线电通信两用科普系统，其特征在于：程控二选一开关为工作于宽频带的微波开关。

4.根据权利要求1所述的射电天文和业余无线电通信两用科普系统，其特征在于：小型抛物面天线的馈源系统具有70MHz-6GHz宽频段覆盖范围。

5.根据权利要求1所述的射电天文和业余无线电通信两用科普系统，其特征在于：本系统还包括带通滤波器，其设置在程控二选一开关二端口输出端与低噪声放大器输入端之间。