CN108802502A - 基于无线电技术的太阳射电流量监测系统及方法 - Google Patents

基于无线电技术的太阳射电流量监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无线电技术的太阳射电流量监测系统及方法，该系统包括天线、无线电板卡和计算机；天线被配置为接收太阳射电信号，并传输至无线电板卡；无线电板卡被配置为将接收到的太阳射电信号变频为基带信号，并将基带信号转换为数字信号，对数字信号进行滤波处理，将处理后的信号上传至计算机；计算机被配置为对接收到信号进行预处理和频谱分析，并以频谱图、动态频谱图或射电流量曲线图形式显示分析结果。本发明实现了对多频段太阳射电信号的监测与显示，开发成本低，应用范围广。

Description

基于无线电技术的太阳射电流量监测系统及方法
技术领域
本发明涉及太阳射电流量监测领域，具体涉及一种基于无线电技术的太阳射电流量监测系统及方法。
背景技术
太阳射电暴是太阳爆发时大气的能量释放现象，太阳微波爆发表现为太阳辐射强度在微波波段的急剧增加，微波段太阳射电暴携带着太阳爆发过程、高能电子加速以及辐射机制等方面的天文物理信息，并且2.8GHz的射电流量在日冕磁场诊断、高能电子加速机制和太阳耀斑爆发物理等研究中有着重要作用。此外，太阳射电辐射流量与高能粒子的特性、等离子的性质等密切相关。同时，太阳射电流量系统监测对研究太阳长期活动规律、太阳射电预报模型以及太阳射电爆发相关的新型观测技术研究具有重要的作用，因此，太阳射电流量监测系统的研究具有重要的科学意义和应用价值。
目前国外比较有代表性的是东京观测台对高频段太阳射电的研究，国内则以国家天文台2840MHz太阳射电辐射流量计为代表，该系统采用2米抛物面天线以及“K因子”辐射计对单频射电辐射进行观测。上述传统的太阳射电流量监测系统多局限于固定频段和带宽，无法对特定频段进行监测与分析，并且开发成本较高，开发周期长。因此，如何设计一种应用范围更广，使用更灵活的监测系统，仍是待解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于无线电技术的太阳射电流量监测系统及方法，实现了对多频段太阳射电信号的监测与显示，开发成本低，应用范围广。
本发明所采用的技术方案是：
本发明的第一目的是提供一种基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，该系统包括天线、无线电板卡和计算机；
所述天线，被配置为接收太阳射电信号，并传输至无线电板卡；
所述无线电板卡，被配置为将接收到的太阳射电信号变频为基带信号，并将基带信号转换为数字信号，对数字信号进行滤波处理，将处理后的信号上传至计算机；
所述计算机，被配置为对接收到信号进行预处理和频谱分析，并以频谱图、动态频谱图或射电流量曲线图形式显示分析结果。
进一步的，所述无线电板卡包括依次连接的低噪声放大器、正交放大器、混频器、频带整形滤波器、ADC转换器和FIR滤波器，通过低噪声放大器和正交放大器将接收到的太阳射电信号进行放大，放大后的信号经过混频器和频带整形滤波器变频为基带信号，基带信号经过ADC转换器转换为数据信号，通过FIR滤波器对数据信号进行滤波处理。
进一步的，所述计算机对接收到信号进行预处理的步骤包括：
利用加窗函数对接收到的太阳射电信号进行截断处理，得到若干段信号；
分别对每段信号进行FFT变换，将时域太阳射电信号转换成频域信号；
采用离散频谱校正方法对频域信号进行修正。
进一步的，所述计算机对接收到信号进行频谱分析的步骤包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，并求取平均值；
对该平均值进行对数运算，得到功率谱；
利用校准函数对功率谱进行补偿得到频谱图，利用创建数组函数对功率谱进行构造三维数组，得到强度图。
进一步的，所述计算机对接收到信号进行频谱分析的步骤还包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，得到太阳射电频谱；
按一定的间隔从太阳射电频谱中平均选取若干个频点；
将各频点的信号强度进行累加求和，并取对数，得到太阳射电流量；
根据得到的太阳射电流量，绘制太阳射电流量曲线图。
进一步的，所述计算机还被配置为：设置参数，包括设备名、数据段求和次数、通道、缓冲点数、增益、功能选择和色码盒，存储数据和图片。
本发明的第二目的是提供一种基于无线电技术的太阳射电流量监测方法，该方法包括以下步骤：
采集太阳射电信号；
利用加窗函数对太阳射电信号进行截断处理，得到若干段信号；
分别对每段信号进行FFT变换，将时域太阳射电信号转换成频域太阳射电信号；
采用离散频谱校正方法对频域太阳射电信号进行修正；
判断修正后的频域太阳射电信号是否达到求和设定值；
若达到，则对频域太阳射电信号进行频谱分析，并以频谱图、动态频谱图或射电流量曲线图的形式显示分析结果。
进一步的，所述采集太阳射电信号的步骤包括为：
接收太阳射电信号，将接收到的太阳射电信号变频为基带信号，并将基带信号转换为数字太阳射电信号，对数字太阳射电信号进行滤波处理。
进一步的，所述频谱分析方法包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，并求取平均值；
对该平均值进行对数运算，得到功率谱；
利用校准函数对功率谱进行补偿得到频谱图，利用创建数组函数对功率谱进行构造三维数组，得到强度图。
进一步的，所述频谱分析方法还包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，得到太阳射电频谱；
按一定的间隔从太阳射电频谱中平均选取若干个频点；
将各频点的信号强度进行累加求和，并取对数，得到太阳射电流量；
根据得到的太阳射电流量，绘制太阳射电流量曲线图。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明实现对太阳射电流量的数据的监测，并对太阳射电暴进行预测，更加便捷，可选监测频段；
(2)本发明采用基于无线电平台USRP B210的太阳射电流量监测系统，实现了对多频段太阳射电信号的接收与显示，同时具备自动存储数据功能，为太阳射电的研究提供了便利；
(3)本发明通过多次FFT运算并求平均，提高了信噪比，进而提高了灵敏度，可以使淹没在噪声中的信号被观测到；通过频谱图可以清晰地观察到信号频率分布以及强度大小，使用强度图通过颜色的差异对信号强度进行表示，更能直观的观测到信号强度的对比以及变化过程。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是基于无线电技术的太阳射电流量监测系统结构图；
图2是无线电板卡结构结图；
图3是基于无线电技术的太阳射电流量监测方法流程图；
图4(a)是2755MHz-40dBm信号源示意图；
图4(b)是2755MHz-60dBm信号源示意图；
图4(c)是2782MHz-40dBm信号源示意图；
图4(d)是2782MHz-80dBm信号源示意图；
图5是闻天楼太阳射电流量监测图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在多局限于固定频段和带宽，无法对特定频段进行监测与分析，并且开发成本较高，开发周期长的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于无线电技术的太阳射电流量监测系统及方法。
实施例1：
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，该系统包括天线、无线电板卡和高性能计算机。
所述天线，被配置为接收太阳射电信号。
本实施例中，所述天线采用抛物面天线。
所述无线电板卡，被配置为完成数据的采集，并将数据通过USB3.0上传到计算机。
具体地，所述无线电板卡将接收到的太阳射电信号变频为基带信号，并将基带信号转换为数字信号，对数据信号进行滤波处理，将处理后的信号上传至计算机。
本实施例中，所述无线电板卡采用USRP B210。USRP B210由Ettus生产，是以ADC9361射频收发芯片为核心通用软件无线电平台，属于USRP USB接口系列。
ADC9361包括低噪声放大器、匹配相内和正交放大器、混频器、频带整形滤波器、ADC转换器和FIR滤波器，将接收到的信号下变频为基带信号，以便进行数字化，再将信号送到ADC转换器产生数字数据流，同时，可以通过FIR滤波器对数字信号进一步调理。
USRP B210工作在70MHz～6GHz范围内，使用USB 3.0接口，可支持400MB/s的传输速率，最大可提供56M的带宽。无线电板卡性能参数如表1所示。
表1无线电板卡B210参数
USRPB210原理方结图如图2所示，USRPB210包括依次连接的低噪声放大器、正交放大器、混频器、频带整形滤波器、ADC转换器和FIR滤波器，通过低噪声放大器和正交放大器将接收到的太阳射电信号进行放大，放大后的信号经过混频器和频带整形滤波器变频为基带信号，基带信号经过ADC转换器转换为数据信号，通过FIR滤波器对数据信号进行滤波处理。
所述计算机，被配置为对数据的预处理、实时频谱分析，并在labview中以频谱图、动态频谱图、射电流量曲线图等多种形式显示，同时，完成数据的自动存储，以便研究人员进行后续分析。
本实施例中，所述计算机采用labview软件进行硬件配置、测量数据和调试等，Labview包含了大量的函数库，包括数据采集、串口控制、数据分析、数据显示等等，方便运算并实现图形可视化，直观快捷。
所述计算机对数据进行预处理的步骤包括：
利用加窗函数对接收到的太阳射电信号进行截断处理，得到若干段信号；
分别对每段信号进行FFT变换，将时域太阳射电信号转换成频域信号；
采用离散频谱校正方法对频域信号进行修正，弥补加窗之后能量损失。
本实施例中，计算机根据太阳射电信号的特点以及仿真的情况，选择汉宁窗，解析的数据经汉宁窗运算之后，再进行FFT变换，由于加窗之后能量有部分损失，所以需要通过离散频谱校正方法对信号进行修正。
计算机对信号进行频谱分析功能分为功能1和功能2，功能1主要是动态频谱图和频谱图的实时显示，功能2主要是射电流量曲线图的实时显示。
所述计算机采用功能1对数据进行频谱分析的步骤包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，并求取平均值la；
对该平均值la进行对数运算，将将la转化为对数值10lg(la)，得到功率谱；
通过校准函数对功率谱进行补偿得到频谱图，通过创建数组函数对功率谱进行构造三维数组，得到强度图。
本发明通过多次求平均目的是间接地提高了信噪比，进而提高了灵敏度，可以使淹没在噪声中的信号被观测到。频谱图可以清晰地观察到信号频率分布以及强度大小，强度图通过颜色的差异对信号强度进行表示，更能直观的观测到信号强度的对比以及变化过程。
所述计算机采用功能2对数据进行频谱分析的步骤包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，得到太阳射电总频谱信号；
按一定的间隔从太阳射电总频谱信号中平均选取若干个频点；
将各频点的信号强度进行累加求和，并取对数，得到太阳射电流量；
根据得到的太阳射电流量，绘制太阳射电流量曲线图。
强太阳射电暴的能量是太阳宁静辐射的10000倍，即两者相差40db,太阳射电研究人员通常用太阳射电流量来表征射电信号的功率大小，而太阳射电流量曲线更能直观地观测太阳射电信号变化的趋势。
所述计算机设置有显示模块，显示模块上的界面主要分为四个部分，起止开关、参数设置、文件存储以及实时频谱显示。如图4所示，起止开关有“开始”、“停止”两个功能键，控制程序的执行以及停止；参数设置主要是参数设定的文本结，如“设备名”、“通道选择”、“色码盒”、“功能选择”，其中色码盒主要是用于动态频谱图色码条的调整，可以根据需要调整动态频谱图的颜色变化趋势；文件存储包括“存储数据路径”、“存储图片路径”，可分别设置数据和图片的存储路径。实时频谱显示包括频谱图、动态频谱图和射电流量曲线图，频率与信号强度的关系用频谱图显示，动态频谱图显示的是时间、频率、信号强度三者之间的关系，射电流量曲线图表示的是射电流量与时间的关系。
本发明实施例提供了基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，实现对太阳射电流量的数据进行监测，并对太阳射电暴进行预测，更加便捷，可选监测频段。
实施例2：
本申请的另一种典型的实施方式中，如图3所示，提供了一种基于无线电技术的太阳射电流量监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤101：获取太阳射电信号。
采用天线接收太阳射电信号，通过无线电板卡完成数据的采集，并将数据通过USB3.0上传到计算机。无线电板卡将接收到的信号下变频为基带信号，以便进行数字化，再将信号送到ADC转换器产生数据流，同时，可以通过FIR滤波器对数字信号进一步调理。
步骤102：利用加窗函数对太阳射电信号进行截断。
利用加窗函数对太阳射电信号进行截断处理，得到若干段信号。
具体地，本发明根据太阳射电信号的特点以及仿真的情况，选择汉宁窗对太阳射电信号进行截断处理，得到若干段太阳射电信号。
步骤103：FFT变换。
经汉宁窗运算之后，分别对每段太阳射电信号进行FFT变换，将时域太阳射电信号转换成频域太阳射电信号。
由于加窗之后能量有部分损失，所以需要通过离散频谱校正方法对频域太阳射电信号进行修正。
步骤104：判断校正后的信号是否达到求和设定值，若达到，则进入步骤105，否则返回步骤102。
步骤105：频谱分析。
频谱分析方法主要是将时域信号转成频域信号，完成数据的实时频谱分析，并将分析的结果以频谱图、动态频谱图与射电流量曲线图的形式显示，这一过程在labview中完成。频谱分析方法分为频谱分析方法1和频谱分析方法2，频谱分析方法1主要是动态频谱图和频谱图的实时显示，频谱分析方法2主要是射电流量曲线图的实时显示。
所述频谱分析方法1具体为：
步骤1051-1：对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，并求取平均值。
为了获得较快运算速度，FFT的长度通常选择2N，在采样周期内取长度为n(n为2的N次幂)做FFT，则n次FFT求和为：
ls＝l1+l2+...ln
其中，l1、l2、ln分别表示单次FFT的结果；ls表示多次FFT之和。
噪声具有随机性，通过多次平均可以使噪声浮动的范围变小，而信号的大小不变，对其求平均：
la＝ls/n
其中，la表示多次FFT的平均。
步骤1051-2：对该平均值进行对数运算，得到功率谱。
将la转化为对数值10lg(la)，得到功率谱。
步骤1051-3：绘制频谱图和强度图。
通过校准函数对功率谱进行补偿得到频谱图，通过创建数组函数对功率谱进行构造三维数组，得到强度图。
本发明通过多次FFT运算并求平均，提高了信噪比，进而提高了灵敏度，可以使淹没在噪声中的信号被观测到。频谱图可以清晰地观察到信号频率分布以及强度大小，强度图通过颜色的差异对信号强度进行表示，更能直观的观测到信号强度的对比以及变化过程。
所述频谱分析方法2具体为：
步骤1052-1：对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和。
步骤1052-2：将多次FFT运算求和后的数据各频点累加求和，得到le。
le表示多次FFT之和。
步骤1052-3：将le转化为对数值10lgle，得到太阳射电流量。
步骤1052-4：根据得到的太阳射电流量值，绘制太阳射电流量曲线图。
强太阳射电暴的能量是太阳宁静辐射的10000倍，即两者相差40db,太阳射电研究人员通常用太阳射电流量来表征射电信号的功率大小，而太阳射电流量曲线更能直观地观测太阳射电信号变化的趋势。
射电流量的计算公式为：
式中N为每次采样周期FFT的点数，射电流量就是将多次FFT求和之后的数据各频点累加求和，然后将le转化为对数值10lgle，根据得到的数值，绘制太阳射电流量曲线图。射电流量曲线图表示的是射电流量随时间的变化曲线，根据曲线的变化趋势，更能反映太阳射电信号强度的变化。
本发明频谱分析得到的频谱图、动态频谱图、射电流量曲线图在太阳射电研究中具有一定价值。频谱图是二维图，横轴表示的是频率(Hz)，纵坐标表示的是功率(dBm)，通过频谱图能够对信号的强度大小进行直接观测，并可以定量地分析信号强度。动态频谱图实际上表示的是三维图像，横坐标表示的是时间，纵坐标表示的是信号频率(Hz)，Z轴表示的是信号强度大小(dBm)，而强度的大小主要是通过不同颜色表示，通常信号的强度从大到小由红色到蓝色过渡，色码条与信号的强度大小相对应，颜色背景表示的是系统噪声，一般用蓝色表示。
实施例3：
对本发明提出的基于无线电技术的太阳射电流量监测系统进行实验。
本实施例中，采用高频信号发生器模拟信号源，通过无线电板卡对信号进行采集，经过计算机的频谱分析和显示模块来对信号进行处理并显示强度图与频谱图，将信号源与输出信号进行对比。
如图4(a)、4(b)、4(c)和4(d)所示，用高频信号发生器分别产生以下2755MHz，-40dBm；2755MHz，-60dBm；2782MHz，-40dBm；2782MHz，-80dBm四种信号作为信号源，接入到基于无线电卡的太阳射电流量监测系统中。将频谱分析的结果与实际输入信号对比，频谱分析的结果4(a)、4(b)、4(c)和4(d)所示，通过观察，可以清晰地观测到显示到频谱图上的信号，并且显示的信号强度与信号输入信号强度相同。从而验证了软件无线电系统频谱分析的准确性。
系统安装调试完成之后，为了验证系统的稳定性和可靠性，对其进行一定时间的连续观测。系统进行四天的连续运行，为了取得较好的观测效果以及尽量选择无线电环境较好的环境，最终选择的观测地点选在山东大学威海校区闻天楼，观测时间选在每天的早上10：00到下午的17：00，将每天的观测数据进行存储，并对存储的数据进行离线分析，得到每天的射电流量曲线图，结果如图5所示。
本发明采用基于无线电平台USRP B210的太阳射电流量监测系统，实现了对多频段太阳射电信号的接收与显示，同时具备自动存储数据功能，为太阳射电的研究提供了便利。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，其特征是，包括天线、无线电板卡和计算机；
所述天线，被配置为接收太阳射电信号，并传输至无线电板卡；
所述无线电板卡，被配置为将接收到的太阳射电信号变频为基带信号，并将基带信号转换为数字信号，对数字信号进行滤波处理，将处理后的信号上传至计算机；
所述计算机，被配置为对接收到信号进行预处理和频谱分析，并以频谱图、动态频谱图或射电流量曲线图形式显示分析结果。
2.根据权利要求1所述的基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，其特征是，所述无线电板卡包括依次连接的低噪声放大器、正交放大器、混频器、频带整形滤波器、ADC转换器和FIR滤波器，通过低噪声放大器和正交放大器将接收到的太阳射电信号进行放大，放大后的信号经过混频器和频带整形滤波器变频为基带信号，基带信号经过ADC转换器转换为数据信号，通过FIR滤波器对数据信号进行滤波处理。
3.根据权利要求1所述的基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，其特征是，所述计算机对接收到信号进行预处理的步骤包括：
利用加窗函数对接收到的太阳射电信号进行截断处理，得到若干段信号；
分别对每段信号进行FFT变换，将时域太阳射电信号转换成频域信号；
采用离散频谱校正方法对频域信号进行修正。
4.根据权利要求1所述的基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，其特征是，所述计算机对接收到信号进行频谱分析的步骤包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，并求取平均值；
对该平均值进行对数运算，得到功率谱；
利用校准函数对功率谱进行补偿得到频谱图，利用创建数组函数对功率谱进行构造三维数组，得到强度图。
5.根据权利要求1所述的基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，其特征是，所述计算机对接收到信号进行频谱分析的步骤还包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，得到太阳射电频谱；
按一定的间隔从太阳射电频谱中平均选取若干个频点；
将各频点的信号强度进行累加求和，并取对数，得到太阳射电流量；
根据得到的太阳射电流量，绘制太阳射电流量曲线图。
6.如权利要求1所述的基于无线电技术的太阳射电流量监测系统，其特征是，所述计算机还被配置为：设置参数，包括设备名、数据段求和次数、通道、缓冲点数、增益、功能选择和色码盒，存储数据和图片。
7.采用权利要求1-6中任一项所述的基于无线电技术的太阳射电流量监测系统的监测方法，其特征是，包括以下步骤：
采集太阳射电信号；
利用加窗函数对太阳射电信号进行截断处理，得到若干段信号；
分别对每段信号进行FFT变换，将时域太阳射电信号转换成频域太阳射电信号；
采用离散频谱校正方法对频域太阳射电信号进行修正；
判断修正后的频域太阳射电信号是否达到求和设定值；
若达到，则对频域太阳射电信号进行频谱分析，并以频谱图、动态频谱图或射电流量曲线图的形式显示分析结果。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述采集太阳射电信号的步骤包括为：
接收太阳射电信号，将接收到的太阳射电信号变频为基带信号，并将基带信号转换为数字太阳射电信号，对数字太阳射电信号进行滤波处理。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述频谱分析方法包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，并求取平均值；
对该平均值进行对数运算，得到功率谱；
利用校准函数对功率谱进行补偿得到频谱图，利用创建数组函数对功率谱进行构造三维数组，得到强度图。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述频谱分析方法还包括：
对频域太阳射电信号进行多次FFT运算，计算多次FFT运算的和，得到太阳射电频谱；
按一定的间隔从太阳射电频谱中平均选取若干个频点；
将各频点的信号强度进行累加求和，并取对数，得到太阳射电流量；
根据得到的太阳射电流量，绘制太阳射电流量曲线图。
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