CN108650036A - 一种单波束制冷接收机定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单波束制冷接收机定标方法，该方法涉及的装置是由杜瓦、80K冷屏、馈源、正交模耦合器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、80K负载真空窗、馈源真空窗、80K负载、293K负载、第一80K负载反射镜、第二80K负载反射镜、第一293K负载反射镜、第二293K负载反射镜、第一传送轴、第二传送轴、第三传送轴组成，该方法在接收机80K冷屏和杜瓦表面分别设置一个80K负载和293K负载，通过三个传送轴将固定角度的反射镜移动至对应的负载及馈源真空窗口面处，分别实现80K负载和293K负载将各自的辐射反射至馈源内，以此完成接收机定标，定标完成后再利用传送轴将各个反射镜移开，继续观测。该方法可以在观测过程中对接收机进行快速定标，且避免了传统定标使用低温液氮所带来的安全隐患，使定标效率及安全性有了明显提升。

Description

一种单波束制冷接收机定标方法
技术领域
本发明涉及一种在观测过程中对馈源整体制冷的单波束接收机进行精确、快速的定标方法，专门用于单波束制冷接收机的定标。
背景技术
射电天文是通过观测宇宙天体辐射过来的无线电波而进行天文研究的一门学科。射电天文起源于二十世纪三十年代，随着当时无线电技术的迅猛发展，美国工程师卡尔·央斯基在寻找无线电噪声源的试验中无意发现了来自银河系中心的射电辐射，对于历史悠久的天文学而言，这个发现引起了国际天文学界的轰动；第二次世界大战期间，军事雷达探测到来自太阳的无线电信号，使人们第一次认识到宇宙天体确实存在无线电辐射，宇宙天体就像发射可见光波一样发射无线电波。自此，射电天文作为一种崭新的手段迅速发展，正式为天文学开拓出新的园地。经过70多年的发展历程，射电天文已经发展成为天文学的重要分支，其观测对象遍布各个天体，从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。近代天文学的四大发现——类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射无一不奠基于射电天文学，显示了其强大的生命力，这些重要发现至今仍然是天文学领域的研究热点。
在射电天文观测中，天体辐射的射电信号首先通过射电望远镜反射汇聚至焦点处，再由焦点处的微波接收机进行放大、滤波等处理并传输至终端记录。当射电信号进入微波接收机时，接收机会将它自身产生的热噪声添加到信号中，这会降低接收信号的信噪比，从而难以观测到微弱的射电信号。接收机产生的热噪声常用等效噪声温度表示，为了能够接收到更多的射电源，接收机的等效噪声温度必须非常低，这意味着接收机产生的热噪声要尽可能的小。为了减少接收机的噪声，常用的方法就是对接收机低噪声放大器等器件制冷，降低其物理温度，用以提高灵敏度。一般就是将低噪声放大器、正交模耦合器等射频微波单元放置在一个真空制冷室(杜瓦)中，使其物理温度低至20K以下。由于观测波段不同，各波段接收机设计也各有不同。观测信号频率越高，该波段接收机的微波器件尺寸越小。如果将微波接收机最前级的馈源整体制冷，降低其物理温度，这将会减小接收机的噪声温度，提升其灵敏度。中国科学院新疆天文台K波段接收机就是采用馈源整体制冷技术。
接收机定标的目的是将接收机接收到的射电信号的振幅大小转换成天文意义上的流量密度。最经典的方式就是Y因子法，也就是使用两个不同温度的负载，将其交替放置在馈源口面处，通过记录两个负载的温度及接收机对两个不同温度负载的响应，计算出接收机自身等效的噪声温度Trx。与此同时，Y因子法也可以对第二级标准噪声源进行定标，得出噪声源的等效温度Tcal，之后便可以计算出整个观测系统等效的系统温度Tsys，然后再对待测射电源做对准或者偏开(ON/OFF)观测，将ON/OFF观测接收机的响应做相减，便可以计算出待测射电源的等效温度TA，并最终由此计算出源的流量密度SV。
常规接收机定标操作，以新疆天文台K波段接收机为例，在观测前先将射电望远镜打起对向天顶方向，工程师手动将常温(293K)黑体和浸泡在液态氮中的低温(77K)黑体分别放置在接收机馈源最前级，记录两个黑体的实时温度，记录功率计测试出两个不同温度黑体覆盖下接收机的输出电平，计算接收机等效的噪声温度Trx；在低温黑体覆盖馈源时开关第二级标准噪声源，记录功率计测试出开关噪声源前后接收机的输出电平，计算定标后噪声源的等效温度Tcal。整个定标过程最为繁琐的是需要使用低温黑体。为了将黑体物理温度降至80K以下，一般使用一个隔热效果好的泡沫材料当做器皿，然后在泡沫器皿中倒入77K的液态氮，使得放置其中的黑体物理温度也降至77K，定标过程需要将泡沫器皿及浸泡在液氮中的黑体手动放置在馈源口面真空窗处进行测量，整个过程需要快速完成，以避免低温导致真空窗口表面结霜。低温负载的操作一方面要避免低温液氮冻伤，另一方面无法在射电望远镜观测过程中进行。而射电天文观测希望可以在观测过程中对接收机进行实时定标，以提升定标精度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种单波束制冷接收机定标方法，该方法涉及的装置是由杜瓦、80K冷屏、馈源、正交模耦合器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、80K负载真空窗、馈源真空窗、80K负载、293K负载、第一80K负载反射镜、第二80K负载反射镜、第一293K负载反射镜、第二293K负载反射镜、第一传送轴、第二传送轴、第三传送轴组成，该方法在接收机80K冷屏和杜瓦表面分别设置一个80K负载和293K负载，通过三个传送轴将固定角度的反射镜移动至对应的负载及馈源真空窗口面处，分别实现80K负载和293K负载将各自的辐射反射至馈源内，以此完成接收机定标，定标完成后再利用传送轴将各个反射镜移开，继续观测。首先，将第一80K负载反射镜移动至80K负载真空窗口面位置，将第二80K负载反射镜移动至馈源真空窗口面位置；其次，将第一80K负载反射镜移动返回至初始位置，将第一293K负载反射镜移动至293K负载对向位置，将第二293K负载反射镜移动至馈源真空窗口面位置；最后，将第二293K负载反射镜移动返回至初始位置，将第二80K负载反射镜与第二293K负载反射镜移动返回至初始位置。当各个反射镜均位于初始位置时，新一轮接收机定标，仅需顺序执行上述步骤即可。该方法可以在观测过程中对接收机进行快速定标，且避免了传统定标使用低温液氮所带来的安全隐患，使定标效率及安全性有了明显提升。
本发明所述的一种单波束制冷接收机定标方法，其特征在于该方法涉及的装置是由杜瓦、80K冷屏、馈源、正交模耦合器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、80K负载真空窗、馈源真空窗、80K负载、293K负载、第一80K负载反射镜、第二80K负载反射镜、第一293K负载反射镜、第二293K负载反射镜、第一传送轴、第二传送轴、第三传送轴组成，在杜瓦(1)顶部左边设置80K负载真空窗(7)，杜瓦(1)顶部中间设置馈源真空窗(8)，杜瓦(1)顶部右边固定安装293K负载(10)，在杜瓦(1)内固定安装80K冷屏(2)，80K冷屏(2)顶部左边固定安装80K负载(9)，馈源(3)上部喇叭口处对应馈源真空窗(8)，馈源(3)下端穿过80K冷屏(2)与正交模耦合器(4)连接，正交模耦合器(4)两个输出口分别连接第一低噪声放大器(5)和第二低噪声放大器(6)，第一80K负载反射镜(11)固定在第一传送轴(15)上并与杜瓦(1)顶端成45°，第一293K负载反射镜(13)固定在第二传送轴(16)上并与杜瓦(1)顶端成135°，第二80K负载反射镜(12)与第二293K负载反射镜(14)前后放置且相互垂直固定在第三传送轴(17)上，第二80K负载反射镜(12)与杜瓦(1)顶端成135°，第二293K负载反射镜(14)与杜瓦(1)顶端成45°，具体操作按下列步骤进行：
a、驱动初始处的第一传送轴(15)将第一80K负载反射镜(11)朝Z轴负方向移动至80K负载真空窗(7)口面位置，驱动初始处的第三传送轴(17)将第二80K负载反射镜(12)朝Z轴负方向移动至馈源真空窗(8)口面位置，80K负载(9)的辐射经第一80K负载反射镜(11)一次反射，再经第二80K负载反射镜(12)二次反射至馈源(3)内，记录80K负载(9)实时温度和对应的接收机输出端信号电平；
b、驱动第一传送轴(15)将第一80K负载反射镜(11)朝Z轴正方向移动返回至初始位置，驱动初始处的第二传送轴(16)将第一293K负载反射镜(13)朝Z轴负方向移动至293K负载(10)对向位置，驱动第三传送轴(17)将第二293K负载反射镜(14)朝Z轴负方向移动至馈源真空窗(8)口面位置，293K负载(10)的辐射经第一293K负载反射镜(13)一次反射，再经第二293K负载反射镜(14)二次反射至馈源(3)内，记录293K负载(10)实时温度和对应的接收机输出端信号电平；
c、驱动第二传送轴(16)将第一293K负载反射镜(13)朝Z轴正方向移动返回至初始位置，驱动第三传送轴(17)将第二80K负载反射镜(12)与第二293K负载反射镜(14)朝Z轴正方向移动返回至初始位置，通过步骤a、步骤b精确测试到的温度及接收机输出端信号电平，直接用于单波束制冷接收机定标；
d、第一80K负载反射镜(11)、第二80K负载反射镜(12)、第一293K负载反射镜(13)、第二293K负载反射镜(14)经过一次定标后均位于初始处时，新一轮定标仅需顺序执行步骤a、步骤b和步骤c操作即可。
本发明所述的一种单波束制冷接收机定标方法，该方法中：
所述的第一80K负载反射镜(11)，为正方形平面镜，第一80K负载反射镜(11)背面固定安装在第一传送轴(15)上，第一80K负载反射镜(11)镜面与杜瓦(1)顶端成45°，用于一次反射80K负载(9)的辐射至第二80K负载反射镜(12)处。在使用过程中，可通过电机驱动第一传送轴(15)带动第一80K负载反射镜(11)向Z轴负方向移动至80K负载真空窗(7)口面位置，也可通过电机驱动第一传送轴(15)带动第一80K负载反射镜(11)向Z轴正方向移动返回初始位置。
所述的第一293K负载反射镜(13)，为正方形平面镜，第一293K负载反射镜(13)背面固定安装在第二传送轴(16)上，第一293K负载反射镜(13)镜面与杜瓦(1)顶端成135°，用于一次反射293K负载(10)的辐射至第二293K负载反射镜(14)处。在使用过程中，可通过电机驱动第二传送轴(16)带动第一293K负载反射镜(13)向Z轴负方向移动至293K负载(10)对向位置，也可通过电机驱动第二传送轴(16)带动第一293K负载反射镜(13)向Z轴正方向移动返回初始位置。
所述的第二80K负载反射镜(12)和第二293K负载反射镜(14)，均为正方形平面镜，第二80K负载反射镜(12)与第二293K负载反射镜(14)在Z轴方向前后放置且相互垂直，第二80K负载反射镜(12)与第二293K负载反射镜(14)背面共同固定安装在第三传送轴(17)上，第二80K负载反射镜(12)镜面与杜瓦(1)顶端成135°，第二293K负载反射镜(14)镜面与杜瓦(1)顶端成45°，用于二次反射80K负载(9)或293K负载(10)的辐射至馈源(3)内。在使用过程中，可通过电机驱动第三传送轴(17)带动第二80K负载反射镜(12)和第二293K负载反射镜(14)一起向Z轴负方向移动至指定位置，也可通过电机驱动第三传送轴(17)带动第二80K负载反射镜(12)和第二293K负载反射镜(14)一起向Z轴正方向移动返回初始位置。
与常规接收机定标方法相比较，本发明利用制冷接收机自身杜瓦内部的80K冷屏，将原先需要手动放置在液氮内的低温负载放置于制冷接收机80K冷屏处，通过在杜瓦顶端开设80K负载真空窗，利用两个平面反射镜将80K低温负载的辐射反射至馈源内，从而代替了原来手动放置液氮内低温黑体至馈源口面的操作；同样，将原先需要手动放置的常温负载放置于杜瓦顶端的常温环境中，利用两个平面反射镜将293K常温负载的辐射反射至馈源内，从而代替了原来手动放置的常温黑体至馈源口面的操作。由于可以随时对接收机进行冷热负载的测试，故本发明的定标过程不再需要第二级标准校准源，而是通过接收机对冷热负载之间的响应和冷热负载之间的温度差，结合ON/OFF观测，来直接计算待测射电源的等效温度TA，并最终由此计算出射电源的流量密度SV。本发明整个定标过程不再需要停止观测、将射电望远镜打起对向天顶方向，也不需要人为爬上天线接收机仓去手动操作，只需按照步骤控制各个传送轴，将需要的反射镜移动至对应的位置，记录负载实时温度和对应的接收机输出端信号电平即可。本发明所涉及的传送轴及反射镜，仅在定标过程中使用，在定标后的正常观测过程中则被移回初始位置，不会对接收机的信号传输有任何影响。
本发明所述的一种单波束制冷接收机定标方法，该方法可以在观测过程中对接收机进行快速定标，且避免了传统定标使用液氮所带来的潜在安全隐患，使定标效率及安全性有了明显提升。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明定标前各单元在初始位置时俯视图；
图3为本发明注入80K负载辐射时俯视图；
图4为本发明注入293K负载辐射时俯视图；
图5为本发明第一80K负载反射镜及第一传送轴结构示意图；
图6为本发明第二80K负载反射镜、第二293K负载反射镜及第三传送轴结构示意图。
具体实施方式
实施例
本发明所述的一种单波束制冷接收机定标方法，该方法涉及的装置是由杜瓦、80K冷屏、馈源、正交模耦合器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、80K负载真空窗、馈源真空窗、80K负载、293K负载、第一80K负载反射镜、第二80K负载反射镜、第一293K负载反射镜、第二293K负载反射镜、第一传送轴、第二传送轴、第三传送轴组成，杜瓦1顶部左边位置开设80K负载真空窗7，杜瓦1顶部中间位置开设馈源真空窗8，杜瓦1顶部右边位置固定安装293K负载10，80K冷屏2固定安装在杜瓦1内部，80K冷屏2顶部左边位置固定安装80K负载9，馈源3上部喇叭口位置对向馈源真空窗8，馈源3中部穿过80K冷屏2顶部中间位置，馈源3下部连接正交模耦合器4，正交模耦合器4两个输出口分别连接第一低噪声放大器5和第二低噪声放大器6，第一80K负载反射镜11固定在第一传送轴15上并与杜瓦1顶端成45°(如图5)，第一293K负载反射镜13固定在第二传送轴16上并与杜瓦1顶端成135°(参照图5，与其结构相同)，第二80K负载反射镜12与第二293K负载反射镜14前后放置且相互垂直固定在第三传送轴17上(如图6)，第二80K负载反射镜12与杜瓦1顶端成135°，第二293K负载反射镜14与杜瓦1顶端成45°，具体操作按下列步骤进行：
a、定标监控软件远程控制电机，驱动初始位置的第一传送轴15将第一80K负载反射镜11朝Z轴负方向移动至80K负载真空窗7口面位置，驱动初始位置的第三传送轴17将第二80K负载反射镜12朝Z轴负方向移动至馈源真空窗8口面位置，80K负载9的辐射经第一80K负载反射镜11一次反射，再经第二80K负载反射镜12二次反射至馈源3内(如图1虚线方向)，定标监控软件记录80K负载9实时温度和对应的接收机输出端信号电平；
b、定标监控软件远程控制电机，驱动第一传送轴15将第一80K负载反射镜11朝Z轴正方向移动返回至初始位置，驱动初始位置的第二传送轴16将第一293K负载反射镜13朝Z轴负方向移动至293K负载10对向位置，驱动第三传送轴17将第二293K负载反射镜14朝Z轴负方向移动至馈源真空窗8口面位置，293K负载10的辐射经第一293K负载反射镜13一次反射，再经第二293K负载反射镜14二次反射至馈源3内(如图1实线方向)，定标监控软件记录293K负载10实时温度和对应的接收机输出端信号电平；
c、定标监控软件远程控制电机，驱动第二传送轴16将第一293K负载反射镜13朝Z轴正方向移动返回至初始位置，驱动第三传送轴17将第二80K负载反射镜12与第二293K负载反射镜14朝Z轴正方向移动返回至初始位置(如图2)，定标监控软件通过步骤a和步骤b精确测试到的温度及接收机输出端信号电平，可直接计算出接收机的噪声温度，然后再对待测射电源做对准或者偏开(ON/OFF)观测，便可以计算出待测射电源的等效温度TA，并最终由此计算出源的流量密度SV；
d、第一80K负载反射镜11、第二80K负载反射镜12、第一293K负载反射镜13、第二293K负载反射镜14经过一次定标后均位于初始位置时，新一轮定标仅需顺序执行步骤a、步骤b和步骤c操作即可(如图3、4)。

Claims (1)

1.一种单波束制冷接收机定标方法，其特征在于该方法涉及的装置是由杜瓦、80K冷屏、馈源、正交模耦合器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、80K负载真空窗、馈源真空窗、80K负载、293K负载、第一80K负载反射镜、第二80K负载反射镜、第一293K负载反射镜、第二293K负载反射镜、第一传送轴、第二传送轴、第三传送轴组成，在杜瓦（1）顶部左边设置80K负载真空窗（7），杜瓦（1）顶部中间设置馈源真空窗（8），杜瓦（1）顶部右边固定安装293K负载（10），在杜瓦（1）内固定安装80K冷屏（2），80K冷屏（2）顶部左边固定安装80K负载（9），馈源（3）上部喇叭口处对应馈源真空窗（8），馈源（3）下端穿过80K冷屏（2）与正交模耦合器（4）连接，正交模耦合器（4）两个输出口分别连接第一低噪声放大器（5）和第二低噪声放大器（6），第一80K负载反射镜（11）固定在第一传送轴（15）上并与杜瓦（1）顶端成45°，第一293K负载反射镜（13）固定在第二传送轴（16）上并与杜瓦（1）顶端成135°，第二80K负载反射镜（12）与第二293K负载反射镜（14）前后放置且相互垂直固定在第三传送轴（17）上，第二80K负载反射镜（12）与杜瓦（1）顶端成135°，第二293K负载反射镜（14）与杜瓦（1）顶端成45°，具体操作按下列步骤进行：
a、驱动初始处的第一传送轴（15）将第一80K负载反射镜（11）朝Z轴负方向移动至80K负载真空窗（7）口面位置，驱动初始处的第三传送轴（17）将第二80K负载反射镜（12）朝Z轴负方向移动至馈源真空窗（8）口面位置，80K负载（9）的辐射经第一80K负载反射镜（11）一次反射，再经第二80K负载反射镜（12）二次反射至馈源（3）内，记录80K负载（9）实时温度和对应的接收机输出端信号电平；
b、驱动第一传送轴（15）将第一80K负载反射镜（11）朝Z轴正方向移动返回至初始位置，驱动初始处的第二传送轴（16）将第一293K负载反射镜（13）朝Z轴负方向移动至293K负载（10）对向位置，驱动第三传送轴（17）将第二293K负载反射镜（14）朝Z轴负方向移动至馈源真空窗（8）口面位置，293K负载（10）的辐射经第一293K负载反射镜（13）一次反射，再经第二293K负载反射镜（14）二次反射至馈源（3）内，记录293K负载（10）实时温度和对应的接收机输出端信号电平；
c、驱动第二传送轴（16）将第一293K负载反射镜（13）朝Z轴正方向移动返回至初始位置，驱动第三传送轴（17）将第二80K负载反射镜（12）与第二293K负载反射镜（14）朝Z轴正方向移动返回至初始位置，通过步骤a、步骤b精确测试到的温度及接收机输出端信号电平，直接用于单波束制冷接收机定标；
d、第一80K负载反射镜（11）、第二80K负载反射镜（12）、第一293K负载反射镜（13）、第二293K负载反射镜（14）经过一次定标后均位于初始处时，新一轮定标仅需顺序执行步骤a、步骤b和步骤c操作即可。
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CN109991497A (zh) * 2019-04-11 2019-07-09 中国科学院新疆天文台 一种双波束制冷接收机校准方法

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