CN109884408B - 利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，包括：接收天线，用于接收低频射电天文电场信号；辅助天线，其长度短于所述接收天线的长度，用于接收低频噪声信号；多通道前置放大器，用于将所述低频射电天文电场信号和所述低频噪声信号放大后输出；电子学单元，用于将所述低频噪声信号放大和反相后与所述低频射电天文电场信号叠加。本发明增加一根辅助天线，利用辅助天线接收到的卫星平台低频噪声信号，经过反相和放大处理，然后与低频接收天线的接收信号相叠加，这样就会抵消掉低频接收天线接收的卫星平台低频干扰噪声信号，有效地提高接收信号的信噪比。

Description

利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪

技术领域

本发明属于星载低频射电天文信号探测技术领域，特别涉及一种利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪。

背景技术

宇宙天体起源演化是自然科学中的基本问题之一，可在无线电波波段使用射电望远镜来探究。在低频射电波段对来自太阳、行星和其它宇宙天体的电波信号进行精确测量，可为探究这些问题做出独特的贡献。地面射电观测中，地球的电离层和磁层等离子体吸收和遮挡了低于20MHz频率的外太空电磁波，使得宇宙空间中低于5MHz的电磁波频率几乎在任何时段和区域都难以通过地球的电离层到达地面，在地球上无法实施观测。特别地，频率在100KHz～1MHz的射电天文观测即使在空间也非常有限，几乎是天文电磁波谱的一个空白领域。

早在1965年前苏联就发表了3JIEKTPOH-2和-4号卫星的观测资料，第一次证实了从地球磁层有逃逸的无线电辐射。1968年发射的环绕地球运行的RAE-1卫星，探测频率为200kHz～200MHz，其测量发现来自地球的AKR严重影响了在AKR覆盖的波段内对天体低频无线电波的观测。1973年RAE-2卫星发射到了月球轨道进行空间电磁波的探测，轨道高度1100km，探测频率为25kHz～13.1MHz，由于远离地球，来自地球的干扰降低了1-3个量级，探测到了很有价值的科学数据，但其接收机只能接收空间低频电磁波的总能流，不能测量极化信息，同时其探测分辨率较低。

自七十年代以来，空间太阳射电探测渐渐成为一个持续的热点，除美国发射的RAE-1，RAE-2射电天文专用卫星外，几乎每个大的空间计划都有太阳射电的项目，如WIND/Waves、STEREO/SWAVES、Ulysses等，还对木星和太阳系其他大行星低频射电进行了探测。到1987年止，已有30多颗卫星进行了太阳射电空间观测。它们分别探测到用其它别的手段无法替代的有关太阳等天体低频辐射的特性及行星际空间、太阳风等离子体特性的重要科学信息。

在空间中用于探测低频射电天文信号的低频接收天线安装在卫星平台上，卫星平台上的其他电子设备也会不停地发射低频电场噪声，会对低频射电信号产生很大的干扰，甚至完全淹没空间的低频射电信号，为空间低频射电天文信号的探测和处理带来了很大的困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，包括：

接收天线，用于接收低频射电天文电场信号；

辅助天线，其长度短于所述接收天线的长度，用于接收低频噪声信号；

多通道前置放大器，其通道数量与所述接收天线和辅助天线数量之和相等，且各通道分别与所述接收天线、辅助天线连接，用于将所述低频射电天文电场信号和所述低频噪声信号放大后输出；

电子学单元，与所述多通道前置放大器连接，用于将所述低频噪声信号反相后与所述低频射电天文电场信号叠加，以对消掉所述低频射电天文电场信号中的噪声信号。

在进一步的实施方案中，所述辅助天线为电小天线，其尺寸为小于十分之一最高工作频率波长。

在进一步的实施方案中，所述电小天线为线天线或圆环天线。

在进一步的实施方案中，所述接收天线的长度为5m～10m。

在进一步的实施方案中，所述接收天线为3根，且3根接收天线互相垂直。

在进一步的实施方案中，所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪还包括：

电缆组件，用于将所述前置放大器输出的信号传输至所述电子学单元。

在进一步的实施方案中，所述电子学单元包括：

配电器，用于产生所述天文观测仪所需的各类二次电源；

基准时钟模块，用于产生所述天文观测仪所需的时钟基准；

多通道接收机，用于对所述辅助天线和所述接收天线输出的信号进行放大、滤波、手动增益控制，并传输至所述控制器；

内定标组件，用于产生标定信号，并传输至所述接收机；

控制器，用于将所述低频射电天文电场信号和低频噪声信号进行处理，并将所述低频噪声信号进行放大和反相，并与所述低频射电天文电场信号进行叠加。

在进一步的实施方案中，所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪还包括：

通讯接口，用于实现所述控制器与外界的通讯；

数传接口，用于传输所述控制器的数据。

在进一步的实施方案中，所述辅助天线、接收天线、前置放大器和电子学单元均安装在卫星平台上。

(三)有益效果

本发明提供一种利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，该观测仪在一根或多根接收天线的基础上，增加一根短于接收天线的辅助天线，利用辅助天线接收到的卫星平台低频噪声信号，经过反相和放大处理，然后与低频射电接收天线的接收信号相叠加，这样就会对消掉低频射电接收天线接收的卫星平台低频干扰噪声信号，有效地提高接收信号的信噪比。

附图说明

图1是现有的低频射电天文观测仪；

图2是本发明实施例的观测卫星结构示意图；

图3是本发明实施例的小电偶极子；

图4是本发明实施例的辅助天线仿真模型；

图5是本发明实施例的近场噪声和远场信号仿真结果；

图6是本发明实施例的第一天线噪声对消仿真结果；

图7是本发明实施例的第二天线噪声对消仿真结果；

图8是本发明实施例的第三天线噪声对消仿真结果。

具体实施方式

太阳和宇宙空间中的来波电场是一个矢量信号，根据矢量理论，来波电场可以分解为任意相互垂直的三个电场分量。因此，只要将这三个电场分量分别接收下来，根据电磁波传播理论，通过对三分量电场观测数据的后期分析和处理就可以获得整个来波电场的强度和极化特性，并可以获得电场的频谱、时变等信息。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

需要提前说明的是，本发明中所涉及的低频是指小于等于30MHz。

根据本发明的一个实施例，提供一种天文观测仪，如图2所示，包括：

接收天线，用于接收低频射电天文电场信号；

辅助天线，其长度短于所述接收天线的长度，用于接收低频噪声信号；

多通道前置放大器，其通道数量与所述接收天线和辅助天线数量之和相等，且各通道分别与所述接收天线、辅助天线连接，用于将所述低频射电天文电场信号和所述低频噪声信号放大后输出；

电子学单元，与所述多通道前置放大器连接，对所述低频射电天文电场信号和低频噪声信号进行处理，并将所述低频噪声信号进行放大和反相后与所述低频射电天文电场信号叠加，以对消掉所述低频射电天文电场信号中的安装平台的噪声信号。

本发明在现有的低频射电天文观测仪的低频接收天线附近增加一根短的辅助天线，由于辅助天线的长度短，距离卫星近，辅助天线接收到的信号主要是卫星平台上其他电子设备产生的噪声电场。因此，可利用辅助天线收到的噪声来消除低频接收天线收到的卫星背景噪声电场。

本发明通过增加一个短天线辅助接收通道的方案，来抑制卫星电子设备的噪声干扰，该辅助天线安装于接收天线附近，且距离越近效果越好，其接收到的噪声信号经过数字信号处理，经放大相位调理后，与长天线收到的噪声等幅反相，然后对消长天线的噪声。经过仿真分析和试验验证，表明该方法能够有效地降低噪声信号，提高信噪比。其中，所述辅助天线为电小天线，其长度为小于十分之一最高工作频率波长。

其中，所述接收天线的长度为5m-10m，用于接收太阳爆发产生的低频电场。所述接收天线可以为三根，且三根接收天线互相垂直，或者两根按照一定角度组成V型接收天线，或者一根单极天线。所述电小天线可以为但不局限于线天线或圆环天线。

在本实施例中，所述前置放大器用于对接收天线收到的低频电场信号进行放大，并通过电缆组件传输到电子学单元。

在本实施例中，所述电子学单元包括：

配电器，用于产生所述天文观测仪所需的各类二次电源；

基准时钟模块，用于产生所述天文观测仪所需的时钟基准；

多通道接收机，用于对所述辅助天线和所述接收天线输出的信号进行放大、滤波、手动增益控制，并传输至所述控制器；

内定标组件，用于产生标定信号，并传输至所述接收机；

控制器，用于将所述低频噪声信号进行反相，并与所述低频射电天文电场信号进行叠加；

通讯接口，用于实现所述控制器与外界的通讯；

数传接口，用于传输所述控制器的数据。

在本实施例中，所述辅助天线、接收天线、前置放大器和电子学单元均安装在卫星平台上。

其中，所述低频噪声信号的反相以及与所述低频射电天文电场信号的叠加可在控制器内通过控制软件进行噪声对消过程，也可以将信号传至地面后，由地面的软件完成噪声对消过程。

本发明可用于任何电磁信号接收设备，安装接收天线的既可以是卫星，也可以是车辆、飞机、舰船等不同平台，即利用短天线可以对消任何安装平台上接收天线收到的低频噪声信号。

在使用时，所述的天文观测仪和卫星电子控制器连接。

此时，所述电子学单元主要完成如下功能：与卫星电子控制器数据通讯(通过数据总线接收卫星电子控制器的数据注入，并将工程参数和遥测参数传送至卫星电子控制器)、控制内定标组件、接收机输出信号采集、遥测信号采集、科学数据处理等。其中，

配电器对所述卫星电子控制器的母线电源进行处理，并产生低频射电天文观测仪所需的各类二次电源；

通讯接口模块通过RS422数据总线与所述卫星电子控制器的有效载荷电控箱进行通讯；

数传接口通过LVDS数据总线与卫星电子控制器进行数据传输；

基准时钟模块用于产生低频射电天文观测仪所需的精准时钟基准；

多通道接收机对天线输出的信号进行低噪声放大、滤波、手动增益控制，然后送至控制器上的ADC进行模数转换。

内定标组件产生标定信号，并输出至接收机进行测试，在控制器的控制下可以实现低频射电天文观测仪的内定标功能。

根据电磁场辐射理论，卫星上电子设备产生的电场噪声可以用若干小电偶极子来模拟。根据电磁场叠加定理，低频射电天文观测仪天线收到的噪声电场信号是所有小电偶极子产生的电场叠加之和。

如图3所示，小电偶极子天线是一根很短的载流直导线。设导线长度为l，满足l＜＜λ，沿z轴放置，整个导线横截面上的电流是均匀的，于是可得到小电偶极子辐射的电场为

从公式(1)和(2)可以看出，当距离r较小并且波长较长时，电场的大小主要由1/r2和1/r3决定，则小电偶极子辐射的近区电场可近似表示为

可见，当距离卫星较近时，处于近场区，这时，距离r越小，噪声电场越大。同时，根据公式(3)和公式(4)中可以看出在近场区E_r和E_θ两个电场分量之间差异仅与角度θ有关。如果将电场表示为直角坐标x、V、z三个分量，则三个分量电场之间是成比例关系的，因此，可以只需要测试一个分量就可根据比例关系得出其它两个分量。

而太阳与月球距离很远，太阳爆发产生的电场到达月球后，其电场可表示为

可见，太阳爆发电场到达月球表面后，因为距离R非常大，所以，电场幅度在卫星上附近随距离变化而变化较小。

因此，在5m长天线附近增加一个短天线，因为距离卫星较近，其收到的噪声电场相对较大，而收到的太阳爆发电场相对较小，即短天线收到的主要是卫星电子设备发射的噪声信号。而5米长天线的长度较长，其距离卫星近的部分在近场区内，另一部分在近场区以外，其收到的近场噪声信号和太阳爆发的远场信号叠加在一起。

下面给出一个仿真结果来验证这一结论。如图4所示，在天线A、B、C安装位置加入一个短天线，短天线与卫星顶板平行，高度为40mm，长度为200mm，并用三个噪声源模拟卫星噪声，三个噪声源分别放置在卫星内部中心、-Y舱、+Y舱等三个位置。利用电磁仿真软件分别计算4个天线收到的噪声信号和远场信号。

图5给出了仿真计算的结果，从图中可以看出，在整个频带内，天线A、B、C收到的噪声信号比远场信号高了约30dBV。短天线在100KHz～30MHz频带内收到的噪声信号比天线A、B、C收到的远场信号还要高10dBV以上，在30-40MHz频带内基本相当。短天线收到噪声信号比其收到的远场信号高了约40dBV以上。另外可以看出，长天线收到的噪声信号与短天线收到的噪声信号随频率变化趋势很相近。因此，短天线收到的信号主要是近场噪声信号，对短天线收到的噪声电压进行放大和反相处理，使短天线收到的噪声电压与长天线收到的噪声电压等幅反相，然后与5米长天线收到的噪声电压叠加，就可以抵消长天线收到的噪声，就能够起到降低噪声的作用。

按照图4所示接收天线A、B、C以及短天线，计算天线A、B、C以及短天线收到的卫星模拟噪声和远场信号，然后利用短天线收到的噪声信号，来对消长天线的噪声信号。图6、图7以及图8分别给出了天线A、B、C处理噪声的结果，从图中可以看出，干扰噪声比远场信号高30-40dB。利用短天线接收到的噪声进行对消后，长天线的噪声干扰得到有效的降低，处理噪声后的远场比较接近真实的远场信号，20MHz以下频段处理效果比20MHz高频段处理效果要好一些，噪声对消30dB以上。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，其特征在于，包括：

三根接收天线，用于接收低频射电天文电场信号，其中，三根接收天线互相垂直；

辅助天线，其长度短于所述接收天线的长度，用于接收低频噪声信号；

多通道前置放大器，其通道数量与所述接收天线和辅助天线数量之和相等，且各通道分别与所述接收天线、辅助天线连接，用于将所述低频射电天文电场信号和所述低频噪声信号放大后输出；

电子学单元，与所述多通道前置放大器连接，用于将所述低频噪声信号放大和反相后与所述低频射电天文电场信号叠加，以对消掉所述低频射电天文电场信号中的噪声信号。

2.根据权利要求1所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，其特征在于，所述辅助天线为电小天线，其尺寸为小于十分之一最高工作频率波长。

3.根据权利要求2所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，其特征在于，所述电小天线为线天线或圆环天线。

4.根据权利要求1所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，其特征在于，所述接收天线的长度为5m～10m。

5.根据权利要求1所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，其特征在于，还包括：

电缆组件，用于将所述前置放大器输出的信号传输至所述电子学单元。

6.根据权利要求1所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，其特征在于，所述电子学单元包括：

配电器，用于产生所述天文观测仪所需的各类二次电源；

基准时钟模块，用于产生所述天文观测仪所需的时钟基准；

多通道接收机，用于对所述辅助天线和所述接收天线输出的信号进行放大、滤波、手动增益控制，并传输至控制器；

内定标组件，用于产生标定信号，并传输至所述接收机；

控制器，用于将所述低频噪声信号进行放大和反相，并与所述低频射电天文电场信号进行叠加。

7.根据权利要求6所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，其特征在于，还包括：

通讯接口，用于实现所述控制器与外界的通讯；

数传接口，用于传输所述控制器的数据。

8.根据权利要求1-7任一项所述的利用辅助天线对消电场噪声的低频射电天文观测仪，其特征在于，所述辅助天线、接收天线、多通道前置放大器和电子学单元均安装在卫星平台上。

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