CN109991497B - 一种双波束制冷接收机校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双波束制冷接收机校准方法，该方法涉及的装置是由杜瓦、冷屏、第一波束馈源、第二波束馈源、第一真空窗、第二真空窗、第三真空窗、冷负载、第一反射镜、第二反射镜、旋转盘、常温负载、第一无遮挡窗口、第二无遮挡窗口组成，在制冷接收机冷屏外侧中间位置放置一个冷负载，在旋转盘边缘位置放置一个常温负载，通过顺时针旋转旋转盘将常温负载分别覆盖至两个波束馈源口面处，也可将冷负载的辐射分别经反射镜二次反射至两个波束馈源处，从而分别实现了冷热负载对两个波束的标定。标定完成后，继续旋转旋转盘使得两个波束馈源口面分别处于无遮挡状态，控制射电望远镜使第一波束馈源对准射电源，第二波束馈源即为偏开状态，从而完成校准，使校准及观测效率有了大幅提升。

Description

一种双波束制冷接收机校准方法

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双波束接收机进行冷热负载标定的校准方法，专门用于双波束制冷接收机的强度校准。

背景技术

射电天文学是通过接收电磁波来研究宇宙天体的一门学科。为此，射电望远镜应运而生，其主要功能是将接收到的微弱的电磁波信号汇聚至馈源处，再经接收机放大、滤波、变频等环节后送入数字终端并进行处理，以满足不同的科学观测需求。

为了能够快速有效的进行射电天文观测，观测工具的需求也在不断提升。众所周知，视场和接收面积是射电望远镜最重要的两个指标：更大的视场意味着可以提高大面积巡天观测效率；而更大的接收面积则意味着具备更高的灵敏度，这也就是说，观测所用的射电望远镜口径越大，探测微弱信号的能力越强。但现有的射电望远镜其口径都已固定，为提高灵敏度，最直接的办法就是降低整个接收系统的噪声温度。

接收机作为整个射电望远镜系统的核心接收设备，一般多采用制冷其内部低噪声放大器等器件用以减小噪声温度。由于接收机的微波器件与其波长成正比，在长厘米波段，接收机最前级的馈源网络尺寸通常非常巨大，想将其全部制冷非常困难，故一般采取制冷正交模耦合器、滤波器及低噪声放大器等物理尺寸较小的前级器件，而将馈源网络置于常温环境下。但在短厘米波段甚至更高频的毫米波段，由于微波器件尺寸相应变小，为降低接收机的噪声温度，则一般采取馈源至低噪声放大器所有前级器件整体制冷的方式。

接收机强度校准的目的就是通过建立一个温度标尺，将接收到的微波信号的强度大小转换为天文意义上的流量密度。首先，使用两个不同温度的、宽带的辐射源至接收机最前级的馈源口面，使其辐射注入到接收机内部，记录辐射源的温度及接收机的强度响应，以此将接收机自身的强度响应等效的转换为一个温度值；然后，将射电望远镜对向冷空(没有射电源的方向)并记录接收机对应的强度响应，便可以得到整个射电望远镜系统等效的系统温度；其次，通过控制射电望远镜，令接收机波束做对准或者偏开射电源的操作，记录二者强度响应的差值，便可以得到射电源的等效温度；最终，再结合射电望远镜的天线孔径及效率，便可得到该射电源的流量密度，从而完成最终的强度校准。在四个校准步骤中，第一步和第三步操作起来相对繁琐。

第一步骤中的冷热负载法的标定，也就是前文所说的将接收机自身的强度响应等效的转换为温度值，该步骤不方便在于冷热负载的操作，只能在观测前将射电望远镜及接收机波束正对向天空，由工作人员手动完成。特别是冷负载普遍采用将黑体负载放置于盛满液氮的泡沫器皿中，使黑体负载的温度和液氮保持一致，将冷负载手动放置于接收机馈源口面处，此时记录数据，之后再同样操作常温负载，整个冷热负载法的标定过程无法在操作过程中进行。针对该不便利性，常规厘米波段会在接收机馈源后级设计一个定向耦合器，用以注入一个标准噪声，其目的是先用冷热负载法对该标准噪声进行标定，由于该标准噪声在观测过程中可以远程控制随时开关，以此用来在观测中对射电源进行二次标定；该方法解决了冷热负载法不易在观测中随时进行的问题，但由于在低噪声放大器前级加入了定向耦合器，附带使得整个系统的噪声温度变大；另外，在毫米波段，由于微波器件小型化设计，也使得这种噪声注入的方式无法实现。

第三步骤在对射电源强度响应的获取中，一般操作射电望远镜对射电源进行对准或者偏开操作，对二者进行相减，便可得到射电源的强度响应。但该操作的弊端是需要驱动体积庞大的射电望远镜进行对准或者偏开动作，耗时长，效率低。在此前提下，双波束接收机设计应运而生，该类接收机两个波束之间一般分离4-6倍的波束宽度，这样就保证了在其中一个波束对准射电源的时候，另外一个波束是处于偏开该射电源的状态，通过将两个波束的强度响应做相减，便可直接得到该射电源的强度响应；整个过程无需驱动射电望远镜，而仅需控制射电望远镜令其中一个波束一直跟踪射电源即可。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种双波束制冷接收机校准方法，该方法涉及的装置是由杜瓦、冷屏、第一波束馈源、第二波束馈源、第一真空窗、第二真空窗、第三真空窗、冷负载、第一反射镜、第二反射镜、旋转盘、常温负载、第一无遮挡窗口、第二无遮挡窗口组成，该方法在制冷接收机冷屏外侧中间位置放置一个冷负载，在旋转盘边缘位置放置一个常温负载，通过顺时针旋转旋转盘将常温负载分别覆盖至两个波束馈源口面处，也可将冷负载的辐射分别经反射镜二次反射至两个波束馈源处，从而分别实现了冷热负载对两个波束的标定。标定完成后，继续旋转旋转盘使得两个波束馈源口面分别处于无遮挡状态，控制射电望远镜使第一波束馈源对准射电源，第二波束馈源即为偏开状态，从而得到射电源等效的温度值，再结合天线效率及孔径即可完成最终的强度校准。该方法利用制冷接收机内部低温环境提供冷负载，仅需使用外部旋转机构便可实现在观测过程中的冷热负载标定及射电源的快速校准，使校准及观测效率有了大幅提升。

本发明所述的一种双波束制冷接收机校准方法，该方法涉及的装置是由杜瓦、冷屏、第一波束馈源、第二波束馈源、第一真空窗、第二真空窗、第三真空窗、冷负载、第一反射镜、第二反射镜、旋转盘、常温负载、第一无遮挡窗口、第二无遮挡窗口组成，杜瓦(1)内嵌套冷屏(2)，第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)平行放置于杜瓦(1)及冷屏(2)内部，杜瓦(1)顶部分别开设第一真空窗(5)、第二真空窗(6)和第三真空窗(7)，第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)的顶端穿出冷屏(2)并分别与第一真空窗(5)和第二真空窗(6)对应，冷负载(8)放置于冷屏(2)外侧中间位置，并与第三真空窗(7)对应，旋转盘(11)装配于杜瓦(1)上方，在旋转盘(11)中分别设置第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、常温负载(12)、第一无遮挡窗口(13)和第二无遮挡窗口(14)，第一反射镜(9)背面固定安装在旋转盘(11)左侧窗口位置，第一反射镜(9)镜面与杜瓦(1)顶端成45度，第二反射镜(10)背面固定安装在旋转盘(11)中间窗口位置，第二反射镜(10)镜面与杜瓦(1)顶端成135度，具体操作按下列步骤进行：

a、旋转盘(11)处于初始位置，此时冷负载(8)的辐射经第二反射镜(10)和第一反射镜(9)两次反射至第一真空窗(5)，并穿过至第一波束馈源(3)处，记录此时冷负载(8)的温度及第一波束馈源(3)对应输出的信号电平；常温负载(12)的辐射穿过第二真空窗(6)至第二波束馈源(4)处，记录此时常温负载(12)的温度及第二波束馈源(4)对应输出的信号电平；

b、旋转盘(11)顺时针旋转90度，此时第一波束馈源(3)对向旋转盘(11)的第二无遮挡窗口(14)，第二波束馈源(4)对向旋转盘(11)的第一无遮挡窗口(13)，控制射电望远镜使第一波束馈源(3)对向射电源，记录此时第一波束馈源(3)及第二波束馈源(4)对应输出的信号电平；

c、旋转盘(11)继续顺时针旋转90度，此时冷负载(8)的辐射经第二反射镜(10)和第一反射镜(9)两次反射至第二真空窗(6)并穿过至第二波束馈源(4)处，记录此时冷负载(8)的温度及第二波束馈源(4)对应输出的信号电平；常温负载(12)的辐射穿过第一真空窗(5)至第一波束馈源(3)处，记录此时常温负载(12)的温度及第一波束馈源(3)对应输出的信号电平；

d、旋转盘(11)继续顺时针旋转90度，此时第一波束馈源(3)对应旋转盘(11)的第一无遮挡窗口(13)，第二波束馈源(4)对应旋转盘(11)的第二无遮挡窗口(14)，控制射电望远镜使第一波束馈源(3)跟踪射电源，记录此时第一波束馈源(3)及第二波束馈源(4)对应输出的信号电平，即完成校准；当需要重新校准时，仅需顺序执行步骤a、步骤b和步骤c操作即可。

本发明所述的一种双波束制冷接收机校准方法，该方法中：

所述的第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)为两个物理尺寸完全相同的波纹喇叭，第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)连同后级的微波链路整体固定安装于杜瓦(1)及冷屏(2)内部，第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)的顶端穿出冷屏(2)。

所述的第一真空窗(5)、第二真空窗(6)和第三真空窗(7)，均为杜瓦(1)顶端开设的圆形窗口，窗口直径均与第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)的馈源口面直径相等，第一波束馈源(3)口面正对应第一真空窗(5)，第二波束馈源(4)口面正对应第二真空窗(6)。

所述的冷负载(8)，选用商用黑体，切割为圆形并放置于冷屏(2)外侧中间位置并正对应第三真空窗(7)，冷负载(8)直径与第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)的馈源口面直径相等。

所述的旋转盘(11)为杜瓦(1)外部的一个圆盘形旋转机械结构，在旋转盘(11)的左中右上下五个位置分别开设了五个直径与第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)的馈源口面直径相等的圆形窗口，在左中右分别安装第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、常温负载(12)，对应第二反射镜(10)的上下位置分别设置第一无遮挡窗口(13)和第二无遮挡窗口(14)。

所述的常温负载(12)，选用商用黑体，切割为圆形并放置于旋转盘(11)右侧窗口位置，常温负载直径与第一波束馈源(3)和第二波束馈源(4)的馈源口面直径相等。

所述第一反射镜(9)，为圆形平面镜，第一反射镜(9)背面固定安装在旋转盘(11)左侧窗口位置，第一反射镜(9)镜面与杜瓦(1)顶端成45度，用于二次反射来自第二反射镜(10)的冷负载(8)的辐射。

所述第二反射镜(10)，为圆形平面镜，第二反射镜(10)背面固定安装在旋转盘(11)中间窗口位置，第二反射镜(10)镜面与杜瓦(1)顶端成135度，用于一次反射冷负载(8)的辐射至第一反射镜(9)处。

与常规校准方法相比较，本发明利用制冷接收机自身杜瓦内部的冷屏，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冷屏处，通过在杜瓦顶端开设真空窗，利用两个平面反射镜将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外部旋转盘一侧的常温环境中，通过转动旋转盘，将常温负载移动到馈源口面，使其辐射注入到馈源内，从而代替了原来手动放置的常温黑体至馈源口面的操作；利用两个分离的波束，使其中一个波束跟踪射电源，另一个波束则处于偏开射电源的状态，通过二者相减从而可以直接得到射电源的强度响应；最终结合天线孔径及效率便可直接得到射电源的流量密度，从而完成强度校准。

本发明的整个校准过程不再需要停止观测人为操作冷热负载，不需要加装定向耦合器引入额外的噪声，也不需要驱动体积庞大、速度缓慢的射电望远镜进行指向或者偏开射电源的操作，只需按照步骤控制旋转盘，在顺时针方向旋转到相应位置，记录冷负载及常温负载的实时温度和对应的接收机输出端信号电平即可。本发明所涉及的负载及反射镜，仅在校准过程中使用，在校准后的正常观测过程中则被旋转盘从馈源口面移除，不会对接收机的信号传输链路有任何影响。

本发明所述的一种双波束制冷接收机校准方法，该方法可以在观测过程中对接收机进行快速校准，避免了传统校准使用冷热负载所带来的潜在安全隐患，使校准及观测效率都有了大幅提升。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明旋转盘在初始位置时俯视图；

图3为本发明整体装置在步骤b时正视图；

图4为本发明旋转盘在步骤b时俯视图；

图5为本发明整体装置在步骤c时正视图；

图6为本发明旋转盘在步骤c时俯视图；

图7为本发明整体装置在步骤d时正视图；

图8为本发明旋转盘在步骤d时俯视图。

具体实施方式

实施例

本发明所述的一种双波束制冷接收机校准方法，该方法涉及的装置是由杜瓦、冷屏、第一波束馈源、第二波束馈源、第一真空窗、第二真空窗、第三真空窗、冷负载、第一反射镜、第二反射镜、旋转盘、常温负载、第一无遮挡窗口、第二无遮挡窗口组成，杜瓦1内嵌套冷屏2，第一波束馈源3和第二波束馈源4平行放置于杜瓦1及冷屏2内部，杜瓦1顶部分别开设第一真空窗5、第二真空窗6和第三真空窗7，第一波束馈源3和第二波束馈源4的顶端穿出冷屏2，并分别与第一真空窗5和第二真空窗6对应，冷负载8放置于冷屏2外侧中间位置与第三真空窗7对应(如图1)，旋转盘11装配于杜瓦1上方，在旋转盘11的左中右上下分别设置第一反射镜9、第二反射镜10、常温负载12、第一无遮挡窗口13和第二无遮挡窗口14(如图2)，第一反射镜9背面固定安装在旋转盘11左侧窗口位置，第一反射镜9镜面与杜瓦1顶端成45度，第二反射镜10背面固定安装在旋转盘11中间窗口位置，第二反射镜10镜面与杜瓦1顶端成135度，具体操作按下列步骤进行：

a、当旋转盘11处于初始位置(如图2)，此时冷负载8的辐射经第二反射镜10和第一反射镜9两次反射至第一真空窗5并穿过至第一波束馈源3处(如图1虚线方向)，记录此时冷负载8的温度及第一波束馈源3对应输出的信号电平；常温负载12的辐射穿过第二真空窗6至第二波束馈源4处(如图1实线方向)，记录此时常温负载12的温度及第二波束馈源4对应输出的信号电平；

b、控制旋转盘11顺时针旋转90度(如图4)，此时第一波束馈源3对应旋转盘11的第二无遮挡窗口14，第二波束馈源4对应旋转盘11的第一无遮挡窗口13(如图3)，控制射电望远镜使第一波束馈源3对应射电源，记录此时第一波束馈源3及第二波束馈源4对应输出的信号电平；

c、控制旋转盘11继续顺时针旋转90度(如图6)，此时冷负载8的辐射经第二反射镜10和第一反射镜9两次反射至第二真空窗6并穿过至第二波束馈源4处(如图5虚线方向)，记录此时冷负载8的温度及第二波束馈源4对应输出的信号电平；常温负载12的辐射穿过第一真空窗5至第一波束馈源3处(如图5实线方向)，记录此时常温负载12的温度及第一波束馈源3对应输出的信号电平；

d、控制旋转盘11继续顺时针旋转90度(如图8)，此时第一波束馈源3对应旋转盘11的第一无遮挡窗口13，第二波束馈源4对应旋转盘11的第二无遮挡窗口14(如图7)，控制射电望远镜使第一波束馈源3跟踪射电源，记录此时第一波束馈源3及第二波束馈源4对应输出的信号电平，便可以计算出待测射电源的等效温度，并最终由此计算出射电源的流量密度，即可完成最终校准；当需要重新校准时，仅需顺序执行步骤a、步骤b和步骤c操作即可。

Claims (1)

1.一种双波束制冷接收机校准方法，其特征在于该方法涉及的装置是由杜瓦、冷屏、第一波束馈源、第二波束馈源、第一真空窗、第二真空窗、第三真空窗、冷负载、第一反射镜、第二反射镜、旋转盘、常温负载、第一无遮挡窗口、第二无遮挡窗口组成，杜瓦（1）内嵌套冷屏（2），第一波束馈源（3）和第二波束馈源（4）平行放置于杜瓦（1）及冷屏（2）内部，杜瓦（1）顶部分别开设第一真空窗（5）、第二真空窗（6）和第三真空窗（7），第一波束馈源（3）和第二波束馈源（4）的顶端穿出冷屏（2）并分别与第一真空窗（5）和第二真空窗（6）对应，冷负载（8）放置于冷屏（2）外侧中间位置，并与第三真空窗（7）对应，旋转盘（11）装配于杜瓦（1）上方，在旋转盘（11）中分别设置第一反射镜（9）、第二反射镜（10）、常温负载（12）、第一无遮挡窗口（13）和第二无遮挡窗口（14），第一反射镜（9）背面固定安装在旋转盘（11）左侧窗口位置，第一反射镜（9）镜面与杜瓦（1）顶端成45度，第二反射镜（10）背面固定安装在旋转盘（11）中间窗口位置，第二反射镜（10）镜面与杜瓦（1）顶端成135度，具体操作按下列步骤进行：

a、旋转盘（11）处于初始位置，此时冷负载（8）的辐射经第二反射镜（10）和第一反射镜（9）两次反射至第一真空窗（5），并穿过至第一波束馈源（3）处，记录此时冷负载（8）的温度及第一波束馈源（3）对应输出的信号电平；常温负载（12）的辐射穿过第二真空窗（6）至第二波束馈源（4）处，记录此时常温负载（12）的温度及第二波束馈源（4）对应输出的信号电平；

b、旋转盘（11）顺时针旋转90度，此时第一波束馈源（3）对向旋转盘（11）的第二无遮挡窗口（14），第二波束馈源（4）对向旋转盘（11）的第一无遮挡窗口（13），控制射电望远镜使第一波束馈源（3）对向射电源，记录此时第一波束馈源（3）及第二波束馈源（4）对应输出的信号电平；

c、旋转盘（11）继续顺时针旋转90度，此时冷负载（8）的辐射经第二反射镜（10）和第一反射镜（9）两次反射至第二真空窗（6）并穿过至第二波束馈源（4）处，记录此时冷负载（8）的温度及第二波束馈源（4）对应输出的信号电平；常温负载（12）的辐射穿过第一真空窗（5）至第一波束馈源（3）处，记录此时常温负载（12）的温度及第一波束馈源（3）对应输出的信号电平；

d、旋转盘（11）继续顺时针旋转90度，此时第一波束馈源（3）对应旋转盘（11）的第一无遮挡窗口（13），第二波束馈源（4）对应旋转盘（11）的第二无遮挡窗口（14），控制射电望远镜使第一波束馈源（3）跟踪射电源，记录此时第一波束馈源（3）及第二波束馈源（4）对应输出的信号电平，即完成校准；

当需要重新校准时，仅需顺序执行步骤a、步骤b、步骤c和步骤d操作即可。

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