CN113030596B - 一种太阳射电观测仪器、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开的一种太阳射电观测仪器、系统及方法，包括：两个天线，每个天线均经耦合器与天线主路连接，两个天线主路均与数字接收机连接，两个耦合器经幅度校准单元和相位校准单元与数字接收机连接，数字接收机和上位机连接；两个天线用于接收太阳射电信号，两路射电信号经天线主路后由数字接收机接收形成两个时域数据，通过上位机计算两个时域数据的时域延迟，将时域延迟下发至数字接收机中对两个时域数据进行延迟补偿。通过单转台双天线消除太阳射电的电磁波延迟，并由上位机计算补偿因子后下发FPGA对应补偿，实现实时补偿的同时，降低FPGA资源消耗。

Description

一种太阳射电观测仪器、系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳射电观测技术领域，尤其涉及一种太阳射电观测仪器、系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前太阳射电15-40GHz观测方案都采用超外差变频采样处理结构，如图1所示，将采集的太阳射电高频信号下变频至低中频信号由模数转换器ADC采集，后经快速傅立叶变换，由上位机频谱成图。该方式虽然结构简单，但是监测结果易受周围环境、干扰、大气湍动的影响，系统灵敏度较低，对干扰抑制能力较弱。

且现有的太阳射电15-40GHz观测方案在进行幅度校准及相位补偿时，多采用前端通过校准组件注入到通道中，在后端进行相位解算及补偿，如专利申请号：202010498823.7中公开了一种相控阵发射校准装置和方法，该方法虽然对幅度相位能够进行计算补偿，但是计算单元较多，运算复杂；专利申请号：201911305600.8中公开了一种提高宽带变频接收模块幅相一致性的电路，该电路结果采用多级混频及校准，结构复杂。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种太阳射电观测仪器、系统及方法，通过单转台双天线消除太阳射电的电磁波延迟，并由上位机计算补偿因子后下发FPGA对应补偿，实现实时补偿的同时，降低FPGA资源消耗。

为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，提出了一种太阳射电观测仪器，包括：两个天线，每个天线均经耦合器与天线主路连接，两个天线主路均与数字接收机连接，两个耦合器经幅度校准单元和相位校准单元与数字接收机连接，数字接收机和上位机连接；

两个天线用于接收太阳射电信号，两路射电信号经天线主路后由数字接收机接收形成两个时域数据，通过上位机计算两个时域数据的时域延迟，将时域延迟下发至数字接收机中对两个时域数据进行延迟补偿。

第二方面，提出了一种太阳射电观测系统，包括：由单天线、天线主路和数字接收机依次连接的常规频谱观测器和第一方面公开的一种太阳射电观测仪器组成。

第三方面，提出了一种太阳射电观测方法，包括：

通过两个天线分别接收太阳射电信号；

两路太阳射电信号经天线主路输送至数字接收机中形成两个时域数据；

将两个时域数据传送至上位机中，由上位机计算两个时域数据的时域延迟；

将时域延迟下发至数字接收机中对两个时域数据进行延迟补偿。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开采用常规宽频观测加多频点相干观测的形式，形成数据互补，提高系统的灵敏度。同时对系统校准提供了完成的补偿方案，包括：延迟补偿、相位补偿、幅度补偿

2、本公开采用单转台双天线对宽频观测中的若干点进行相干观测，太阳射电信号同时到达两个天线口面，从而使得采集的两个射电信号不存在基线时延，简化了结构，节约了多个天线转台观测的成本。

3、本公开通过上位机计算各补偿因子，将各补偿因子下发至FPGA中，进行信号的延迟补偿、相位补偿和幅度补偿，降低FPGA资源消耗。

4、本公开公开的观测系统，由单天线组成的常规频谱观测器和一种太阳射电观测仪器组成，两个观测器获得的观测数据进行比对，相互验证补充，形成数据互补，提高系统的灵敏度。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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为传统的15-40GHz太阳射电观测器结构框图；

图2为本实施例1公开的15-40GHz太阳射电观测仪器结构框图；

图3为常规天线产生延迟的原理图；

图4为本公开实施例1公开的单转台双天线原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

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。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

目前太阳射电15-40GHz观测方案都采用超外差变频采样处理结构，如图1所示，灵敏度较低，对干扰抑制能力较弱，故在常规宽频太阳射电频谱观测的基础上，额外搭建两元相干观测设备，通过两元干涉能够很好抑制干扰，提高系统灵敏度，同时两元干涉输出频谱及辐射强度能够与常规全频观测形成数据互补，其中，额外搭建的两元相干观测设备为本实施例公开的一种太阳射电观测仪器，如图2所示，包括：

两个天线，每个天线均经耦合器与天线主路连接，两个天线主路均与数字接收机连接，两个耦合器经幅度校准单元和相位校准单元与数字接收机连接，数字接收机和上位机连接；

两个天线用于接收太阳射电信号，两路射电信号经天线主路后由数字接收机接收形成两个时域数据，通过上位机计算两个时域数据的时域延迟，将时域延迟下发至数字接收机中对两个时域数据进行延迟补偿。

进一步的，两个天线固定于同一转台上，形成单转台双天线，太阳射电信号同时到达两个天线口面。

进一步的，两个天线固定于连接件上，连接件与转台连接。

进一步的，天线主路包括依次连接的放大器Ⅰ、过滤器Ⅰ、混频器Ⅰ、放大器Ⅱ、过滤器Ⅱ、混频器Ⅱ、过滤器Ⅲ、放大器Ⅲ和过滤器Ⅳ，放大器Ⅰ与耦合器相连，过滤器Ⅳ与数字接收机连接。

进一步的，数字接收机包括相连接的模数转换器(ADC)和FPGA模块，模数转换器与天线主路连接，获取太阳射电信号，形成时域数据，模数转换器与FPGA模块均与上位机连接，由模数转换器将时域数据上传至上位机，上位机计算出的时域延迟发送至FPGA模块中对两个时域数据进行延迟补偿。

进一步的，上位机对时域数据进行互相关运算，计算两个时域数据的时域延迟。

进一步的，幅度校准单元用于根据幅度校准指令，通过耦合器向两个天线主路中注入幅度校准信号，幅度校准信号进入数字接收机获得信号功率值，将信号功率值上传至上位机，上位机对接收到的信号功率值进行幅值标定。

进一步的，上位机采用Y因子法对接收到的信号功率值进行幅值标定。

进一步的，相位校准单元用于根据相位校准指令，通过耦合器向两个天线主路中注入相位校准信号，两路相位校准信号进入数字接收机，由数字接收机计算出两个天线主路的相位延迟，上位机根据两个天线主路的相位延迟计算出相位补偿的相移因子，将相移因子发送至数字接收机，进行相位校准。

在信号处理及校准方面，本实施例公开的一种太阳射电观测仪器，将两路太阳射电信号产生的时域数据实时上传，利用互相关求出两路数据延迟，在FPGA内部进行时域补偿；在幅度校准及相位补偿方面，采用前端幅度校准单元及相位校准单元注入的方式对观测仪器的幅度及相位进行校准，在时域补偿基础上只需要进一步计算两路数据相位延迟，将数据上传至上位机，由上位机对相位延迟进行计算并求解两路的相移因子下发至FPGA进行实时的相位补偿，幅度校准由幅度校准单元通过耦合器向天线主路中输入校准信号，在上位机中对数据二次幅度校准处理完成，幅度校准不在FPGA内进行，该方式将一部分计算交由上位机降低了对FPGA运算资源的需求。

对一种太阳射电观测仪器进行详细说明。

本实施例公开的一种太阳射电观测仪器，采用单转台双天线对宽频观测中的若干点进行相干观测。

图3所示为由两个不同位置的两个天线组成的干涉仪，由图3可知，两个天线接收太阳的射电信号时存在时延，图4所示为本实施例使用的单转台双天线，其中，两个天线固定于连接件上，连接件与转台连接，由图4可知，采用单转台双天线接收太阳的射电信号时不存在基线时延，只存在链路时延，太阳辐射的电磁波射频信号同时到达两个天线口面。

本实施例公开的一种太阳射电观测仪器具备延时校准、幅度校准和相位校准功能，利用耦合器将相位校准单元及幅度校准单元信号注入两个天线主路中，进行幅度校准和相位校准。

延时校准为：由于互相关延迟计算量巨大，故将ADC输出的两个时域数据上传至上位机，在上位机中对两个时域数据进行互相关运算，计算时域延迟，将时域延迟下发至FPGA进行延迟补偿。

幅度校准为：当数字接收机收到上位机发送的校准指令后，对幅度校准单元进行控制，通过耦合器向两个天线主路中注入幅度校准信号，幅度校准信号进入数字接收机，经数字接收机计算信号功率值，数字接收机将信号功率值上传至上位机，由上位机采用Y因子法对接收的信号功率值进行幅值标定。

相位校准为：当数字接收机收到上位机发送的相位校准指令后，对相位校准单元进行控制，由相位校准单元将相位关系已经确定的相位校准信号通过耦合器注入到两个天线主路中，最后被数字接收机采集、运算，计算出两个链路的相位延迟，将计算出的相位延迟结果上传给上位机，上位机根据两个链路的相位延迟计算出相位补偿相移因子并下发至FPGA模块，由FPGA模块对两个链路获得的时域数据进行相位补偿、并进行互相关运算及进行功率积分。

其中，一个天线获取的太阳射电信号传输至FPGA模块形成一个链路。

本实施例提出的一种太阳射电观测仪器，采用单转台两天线进行相干观测，消除电磁波射电信号的传输延迟，简化了结构，节约了多个天线转台观测的成本，同时对观测仪器的校准提供了完整的延迟补偿、相位补偿和幅度补偿的补偿方案。

实施例2

在该实施例中，公开了一种太阳射电观测系统，包括，由单天线、天线主路和数字接收机连接的常规频谱观测器和实施例1公开的一种太阳射电观测仪器组成。

其中，常规频谱观测器结构如图1所示，常规频谱观测器的天线主路结构与一种太阳射电观测仪器的天线主路结构相同，均包括依次连接的放大器Ⅰ、过滤器Ⅰ、混频器Ⅰ、放大器Ⅱ、过滤器Ⅱ、混频器Ⅱ、过滤器Ⅲ、放大器Ⅲ和过滤器Ⅳ，放大器Ⅰ与耦合器相连，过滤器Ⅳ与数字接收机连接。

本实施例公开的一种太阳射电观测系统，在采用常规观测的同时，对宽频观测中的若干点进行相干观测，如图2所示，采用单转台双天线对宽频观测中的若干点进行相干观测，利用相干观测时输出的相干观测频谱数据与辐射强度数据对采用图1所示的单天线形成的常规频谱观测器进行常规宽频观测时，获得的常规宽频观测图的数据进行比对，相互验证补充。采用常规宽频观测+多频点相干观测的形式，形成数据互补，提高系统的灵敏度。

实施例3

在该实施例中，公开了一种太阳射电观测方法，使用实施例1公开的一种太阳射电观测仪器，包括：

通过两个天线分别接收太阳射电信号；

两个太阳射电信号经天线主路输送至数字接收机中形成两个时域数据；

将两个时域数据传送至上位机中，由上位机计算两个时域数据的时域延迟；

将时域延迟下发至数字接收机中对两个时域数据进行延迟补偿。

进一步的，还包括幅度校准，在幅度校准时，数字接收机接收上位机发送的幅度校准指令，控制幅度校准单元通过耦合器向两个天线主路中注入幅度校准信号，幅度校准信号进入数字接收机获得信号功率值，将信号功率值上传至上位机，上位机根据对接收的功率信号进行幅值标定。

进一步的，还包括相位校准，在相位校准时，数字接收机收上位机发送的相位校准指令，控制相位校准单元通过耦合器向两个天线主路中注入相位校准信号，两路相位校准信号进入数字接收机，由数字接收机计算出两个链路的相位延迟，上位机根据两个链路的相位延迟计算出相位补偿的相移因子，将相移因子发送至数字接收机，进行相位校准。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太阳射电观测仪器，其特征在于，包括：两个天线，每个天线均经耦合器与天线主路连接，两个天线主路均与数字接收机连接，两个耦合器经幅度校准单元和相位校准单元与数字接收机连接，数字接收机和上位机连接；

两个天线用于接收太阳射电信号，两路射电信号经天线主路后由数字接收机接收形成两个时域数据，通过上位机计算两个时域数据的时域延迟，将时域延迟下发至数字接收机中对两个时域数据进行延迟补偿；

两个天线固定于同一转台上，形成单转台双天线，太阳射电信号同时到达两个天线口面；

前端幅度校准单元及相位校准单元注入的方式对观测仪器的幅度及相位进行校准。

2.如权利要求1所述的一种太阳射电观测仪器，其特征在于，天线主路包括依次连接的放大器Ⅰ、过滤器Ⅰ、混频器Ⅰ、放大器Ⅱ、过滤器Ⅱ、混频器Ⅱ、过滤器Ⅲ、放大器Ⅲ和过滤器Ⅳ，放大器Ⅰ与耦合器相连，过滤器Ⅳ与数字接收机连接。

3.如权利要求1所述的一种太阳射电观测仪器，其特征在于，数字接收机包括相连接的模数转换器和FPGA模块，模数转换器与天线主路连接，获取太阳射电信号，形成时域数据，模数转换器与FPGA模块均与上位机连接，由模数转换器将时域数据上传至上位机，上位机计算出的时域延迟发送至FPGA模块中对两个时域数据进行延迟补偿。

4.如权利要求1所述的一种太阳射电观测仪器，其特征在于，上位机对时域数据进行互相关运算，计算两个时域数据的时域延迟。

5.如权利要求1所述的一种太阳射电观测仪器，其特征在于，幅度校准单元用于根据幅度校准指令，通过耦合器向两个天线主路中注入幅度校准信号，幅度校准信号进入数字接收机获得信号功率值，将信号功率值上传至上位机，上位机对接收的信号功率值进行幅值标定。

6.如权利要求5所述的一种太阳射电观测仪器，其特征在于，上位机采用Y因子法对接收的信号功率值进行幅值标定。

7.如权利要求1所述的一种太阳射电观测仪器，其特征在于，相位校准单元用于根据相位校准指令，通过耦合器向两个天线主路中注入相位校准信号，两路相位校准信号进入数字接收机，由数字接收机计算出两个天线主路的相位延迟，上位机根据两个天线主路的相位延迟计算出相位补偿的相移因子，将相移因子发送至数字接收机，进行相位校准。

8.一种太阳射电观测系统，其特征在于，包括，由单天线、天线主路和数字接收机连接的常规频谱观测器和权利要求1-7任一项所述的一种太阳射电观测仪器。

9.一种太阳射电观测方法，其特征在于，包括：

通过两个天线分别接收太阳射电信号；

两路太阳射电信号经天线主路输送至数字接收机中形成两个时域数据；

将两个时域数据传送至上位机中，由上位机计算两个时域数据的时域延迟；

将时域延迟下发至数字接收机中对两个时域数据进行延迟补偿；

两个天线固定于同一转台上，形成单转台双天线，太阳射电信号同时到达两个天线口面；

前端幅度校准单元及相位校准单元注入的方式对观测仪器的幅度及相位进行校准。

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