CN113156222A - 一种vhf观测系统、阵列单机系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开的一种VHF观测系统、阵列单机系统及方法，其针对VHF波段辐射信号进行观测，其包括天线阵列、模拟接收机、数字接收机、时频同步模块、离子探测传感器、自供电系统、通信模块；天线阵列接收VHF波段辐射信号，并输出水平、垂直极化信号，模拟接收机与天线阵列连接，数字接收机与模拟接收机连接，时频同步模块与数字接收机中的AD采集卡和FPGA数据处理模块连接，离子探测传感器与数字接收机中FPGA数据处理模块连接，通信模块连接各VHF观测系统，天线阵列、模拟接收机、数字接收机与通信模块均与自供电系统连接，可以实现全天、全向性观测，高速率、高精度数据采集与处理等功能，具备长基线乃至甚长基线的观测能力。

Description

一种VHF观测系统、阵列单机系统及方法

技术领域

本发明涉及VHF观测技术领域，尤其涉及一种VHF观测系统、阵列单机系统及方法。

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。

为了观测早期宇宙结构，回溯原初宇宙，解答宇宙学提出的众多难题，平方公里阵射电望远镜(SKA)应运而生，并得到了国际天文界的全力支持，旨在建造世界最大、最灵敏的综合孔径射电望远镜。

SKA是一个厘米级与米级波长的下一代大望远镜，由数千个更小的探测设备组成一个巨大的信号采集面，可接收来自宇宙的各种辐射信息。与此同时，由于VHF波段的射电辐射具有丰富的天体现象与辐射信息，如太阳爆发、宇宙大爆炸、脉冲星、微波背景辐射、中性氢21cm射线、暗物质和暗能量等等，而且目前对VHF波段的观测极其之少，在这个波段发现全新现象的可能性不可低估，因此对VHF波段进行更加有效地观测，在SKA建设中具有举足轻重的地位。

另外，一方面为了研究超高能宇宙射线(UHECR)的本质、加速机制、源定位及与引力波和快速射电源的关系等问题，需要对UHECR进行大量的探测；另一方面，当τ中微子以靠近地面的角度穿过山体时，有一定概率与致密的岩石反应产生τ轻子，当产生的τ轻子穿出山体后，将在30公里以内于大气中衰变，激发射电波段的EAS，而研究中微子经过山体反应产生的射电辐射信息也是国际高能物理关注的热点之一。

值得一提的是，UHECR级联簇射、中微子经过山体反应产生的射电辐射通常存在于VHF波段，然而目前国际上已有的VHF波段射电观测设备还没有对此类辐射信息进行过具有有效空间分辨率的观测，人类对这个频率范围内的辐射特征及所对应的物理现象的了解基本上是空白的，因此搭建一种可以有效地观测VHF波段辐射信息的观测系统显得尤为重要。

例如：CN209821289U一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统，包括电场传感器、模拟接收机、数据采集处理模块、时频模块、电源模块等几部分，可以实现对低于20MHz以下日冕物质抛射时产生的电磁波进行观测，判断日冕抛射物质的运动情况，进而对未来可能发生的空间天气事件进行预测、预判等功能。其中，模拟接收机由前端低噪声放大器模块、模拟高通滤波器(通带＞80kHz)、二级放大器、模拟低通滤波器(通带＜50MHz)依次连接组成；数据采集处理模块由3个高速模数转换器(ADC)、FPGA信号处理核心芯片、信号发送单元依次连接组成；时频同步模块由星载高精度时钟和时钟驱动芯片组成；电源模块由大功率DC-DC模块和低噪声LDO模块组成。

CN207472975U一种太阳射电流量监测系统，包括馈源、前端、下变频信道、采集传输单元、主控计算机、智能电源和授时系统，实现对耀斑等太阳活动造成的射电流量变化进行实时监测的功能。其中，馈源为天线接收系统，用于跟踪太阳、接收太阳信号；前端用于将馈源上低噪声放大器接收的太阳信号进行限幅与放大；下变频信道用于将前端处理后的太阳信号下变频至中频；采集传输单元用于将下变频信道处理后的太阳信号转换成数字信号；主控计算机用于将采集传输单元处理后的信号实时显示、存储，同时对馈源、下变频信道及智能电源进行控制；智能电源用于为前端及下变频信道供电；授时系统用于进行系统校时。

但是，这两个专利均存在以下几种不足之处：

(1)观测模块方向性差、增益小，无法更好的观测到目标信号、满足高精度观测场景需求；

(2)接收机模块采样精度低、噪声系数大、动态范围小，容易导致信号失真，干扰系统对辐射信号的处理；

(3)时频同步模块时间同步精度低、实现复杂度高，不仅容易造成在同一个频率进行观测时，不同接收机采样频率不一致，而且也会影响ADC的信噪比；

(4)数据传输模块传输距离短、数据传输速率低，无法满足长基线乃至甚长基线的观测需求；

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种VHF观测系统、阵列单机系统及方法，实现了全天、全向性观测，高速率、高精度数据采集与处理等功能，具备长基线乃至甚长基线的观测能力。

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VHF观测系统，包括：接收VHF波段辐射信号，并输出水平、垂直极化信号的天线阵列，与天线阵列连接的模拟接收机，与模拟接收机连接的数字接收机，与数字接收机连接的时频同步模块及离子探测传感器；

模拟接收机包括两条信号通道，两条信号通道分别对天线阵列输出的水平极化信号和垂直极化信号进行放大和滤波处理，两条信号通道均与数字接收机连接。

进一步的，数字接收机包括AD采集卡、FPGA数据处理模块及工控机，AD采集卡采集模拟接收机输出的模拟信号，并输出数字信号，FPGA数据处理模块对AD采集卡输出的数字信号进行处理，工控机接收FPGA数据处理模块处理后数据，并对处理后数据进行存储与显示。

进一步的，FPGA数据处理模块与离子探测传感器连接，离子探测传感器用于检测VHF波段辐射信号，FPGA数据处理模块根据离子探测传感器采集的VHF波段辐射信号，调整AD采集卡数据采集的速率。

进一步的，AD采集卡和FPGA数据处理模块分别与时频同步模块连接，时频同步模块为AD采集卡和FPGA数据处理模块提供时钟同步信号。

第二方面，提出了一种VHF观测阵列单机系统，包括：至少一个所述的VHF观测系统，多个所述的VHF观测系统之间通过通信系统连接。

第三方面，提出了一种VHF观测方法，包括：

天线阵列接收VHF波段辐射信号，并输出水平、垂直极化信号；

水平极化信号和垂直极化信号分别经模拟接收机的两条信号通道进行放大和滤波处理；

放大和滤波处理后信号进入数字接收机，形成数字信号；

数字接收机对形成的数字信号存储与显示。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开的天线模块采用盘锥天线阵列，不仅具有全向观测、高效率、宽频带以及结构牢固等优点，而且还可以在地势陡峭、风雪、低温等恶劣环境中建设观测，相比较单个盘锥天线的增益有较大的提升，有效的提高了天线的信号接收能力。

2、本公开的模拟接收机，天线模块输出极化信号经合路器、一级放大器后，由功分器功分两路，一路由低通滤波器进行低通滤波后经二级放大器放大，另一路由高通滤波器进行高通滤波后经二级放大器放大，二次放大后信号供数字接收机采集。信号分路可降低后端AD采集卡的采样频率，从而降低成本；同时，低频率的AD采集卡工艺水平更高，可实现高分辨率数据采集，提升系统指标。

3、本公开的数字接收机中的AD采集卡能够实现高速度、高精度数据采集及模数转换，并根据离子探测传感器反馈数据，实时调整采集速率，时频同步模块采用双向卫星时间频率传递法为AD采集卡和FPGA数据处理模块提供时钟同步信号，实现时间的精确定位。

4、本公开的自供电系统通过风力发电和太阳能发电为VHF观测系统供电，并配备蓄电池传感器，通过蓄电池在线监测控制系统，实时、精确地监测蓄电池状态，保证了系统持续、稳定的运行。

5、本公开的一种VHF观测阵列单机系统，由多个VHF观测系统构成，多个VHF观测系统之间通过通信系统连接，实现了对长基线乃至甚长基线的观测。

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为本公开实施例1公开系统的结构图；

图2为本公开实施例1公开的盘锥天线阵列模型图；

图3为本公开实施例1公开的模拟接收机结构图；

图4为本公开实施例1公开的自供电系统原理图；

图5为本公开实施例2公开系统的结构图；

图6为本公开实施例2公开的无线网桥天线模型图。

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

为了更好地观测高能电子在大气中产生的级联簇射、中微子碰到山体产生的VHF波段辐射等信息，以及突破在偏远地区分布式布局观测的时频同步、自供电、单机爆发实时预检测、无线远程数据实时传输等关键技术，公开了一种VHF观测系统，包括：接收VHF波段辐射信号，并输出水平、垂直极化信号的天线阵列，与天线阵列连接的模拟接收机，与模拟接收机连接的数字接收机；

模拟接收机包括两条信号通道，两条信号通道分别对天线阵列输出的水平极化信号和垂直极化信号进行放大和滤波处理，两条信号通道均与数字接收机连接。

进一步的，天线阵列采用盘锥天线阵列。

进一步的，模拟接收机中的两条信号通道均沿信号前进方向依次设置合路器、一级放大器、功分器，功分器将信号功分两路，一路信号经过依次连接的低通滤波器和二级放大器，另一路信号经过依次连接的高通滤波器和二级放大器，二级放大器与数字接收机连接。

进一步的，数字接收机包括AD采集卡、FPGA数据处理模块及工控机，AD采集卡采集模拟接收机输出的模拟信号，并输出数字信号，FPGA数据处理模块对AD采集卡输出的数字信号进行处理，工控机接收FPGA数据处理模块处理后数据，并对处理后数据进行存储与显示。

进一步的，FPGA数据处理模块与离子探测传感器连接，离子探测传感器用于检测VHF波段辐射信号，FPGA数据处理模块根据离子探测传感器采集的VHF波段辐射信号，调整AD采集卡数据采集的速率。

进一步的，AD采集卡和FPGA数据处理模块分别与时频同步模块连接，时频同步模块为AD采集卡和FPGA数据处理模块提供时钟同步信号。

进一步的，时频同步模块采用双向卫星时间频率传递法为AD采集卡和FPGA数据处理模块提供时钟同步信号。

进一步的，观测系统还包括自供电系统，自供电系统分别与天线阵列、模拟接收机、数字接收机连接。

进一步的，自供电系统通过风力发电和太阳能发电为VHF观测系统供电。

进一步的，自供电系统中配备蓄电池传感器，通过蓄电池传感器监测蓄电池状态。

结合图1-4对本实施例公开的一种VHF观测系统进行详细说明。

如图1所示，一种VHF观测系统，包括天线阵列、模拟接收机、数字接收机、离子探测传感器、时频同步模块和自供电系统，可以实现实时、高精度、高速率信号采集与处理，单机爆发实时预检测等功能。

天线阵列采用盘锥天线阵列，在具体实施时，搭建了一种存在一定阵元间距、由多个盘锥天线组成的盘锥天线阵列，盘锥天线阵列模型如图2所示，主要用来接收UHECR级联簇射、中微子经过山体反应产生射电辐射等VHF波段信号，盘锥天线阵列不仅具有全向观测、高效率、宽频带以及结构牢固等优点，而且还可以在地势陡峭、风雪、低温等恶劣环境中进行建设观测。

而且通过天线仿真软件CST仿真可以得到，盘锥天线阵列的增益可以达到8.5dBi以上，相比较单个盘锥天线的增益有较大的提升，有效的提高了天线的接收能力。

盘锥天线阵列观测到VHF波段辐射信号后，输出水平、垂直极化信号至由微波器件搭建而成的模拟接收机，模拟接收机如图3所示，包括两条信号通道，两条信号通道分别对水平极化信号和垂直极化信号进行放大、滤波处理。

其中，每条信号通道均沿信号前进方向依次设置合路器、一级放大器、功分器，信号通过合路器、一级放大器后，经功分器功分两路：一路信号经过低通滤波器(通带<150MHz)低通滤波后，由二级放大器二次放大；另一路信号经过高通滤波器(通带>150MHz)高通滤波后，由二级放大器二次放大，二次放大后信号供AD采集卡进行高精度采集。信号分路可降低后端AD采集卡的采样频率，从而降低成本；同时，低频率的AD采集卡工艺水平更高，可实现高分辨率数据采集，提升系统指标。

模拟接收机将处理后的两路数据输出至数字接收机后，由AD采集卡对两路模拟信号进行采集，将模拟信号转换成数字信号，并在其内部的FPGA数据处理模块进行相应的数字信号处理，最后由工控机对FPGA数据处理模块处理后数据进行存储与显示。

其中，数字接收机进行后端采集搭载的AD采集卡具有高分辨率、高动态范围、高采样速率、低功耗等诸多优势，可以实现高速度、高精度模数转换；而工控机首先将数据暂存到内部存储器中，然后通过网络上传到存储设备，并对数据进行显示。

FPGA数据处理模块还与离子探测传感器直接相连，离子探测传感器实时检测大气中是否存在UHECR级联簇射、中微子碰到山体产生的VHF波段辐射等信息，如果存在，则提高AD采集卡采集速率，提高数据采集精度；如果不存在，则适当降低AD采集卡数据采集速率，降低系统能耗。

时频同步模块分别与AD采集卡和FPGA数据处理模块连接，并采用双向卫星时间频率传递法为AD采集卡进行信号采集和FPGA数据处理模块进行信号处理提供时钟同步信号。

双向卫星时间频率传递法不仅可以使系统工作时，时间频率传递与数据通信同时完成，不需要另外再建数据传输链路，而且还具有数据处理简单快捷、实时性好、时间同步精度可达纳秒级等诸多优势。

自供电系统分别与天线阵列、模拟接收机和数字接收机连接，为一种VHF观测系统提供稳定的电力支持。

其中，自供电系统通过风力发电和太阳能发电为VHF观测系统供电，结构如图4所示，包括：风机、太阳能电池板、风光互补控制器、蓄电池和逆变器，风机和太阳能电池板分别与风光互补控制器连接，风光互补控制器、蓄电池和逆变器依次串联，逆变器还与VHF观测系统连接。若风能和太阳能都满功率时，风光互补控制器可以自动切掉风机，只用太阳能；若风能和太阳能都不满功率时，由风机和太阳能共同供电。同时，自供电系统还可以边充电边给各模块供电。

考虑到VHF观测系统建站于气候条件较为恶劣的地区，可能存在连续雨雪天气，导致太阳能板及风力发电机产生的电力不足以维持观测系统的正常运行，在电池选择低温型蓄电池的前提下，自供电系统与蓄电池在线监测控制系统连接，通过蓄电池在线监测控制系统中的蓄电池传感器采集电池的实时数据，实现了对蓄电池状态的监测，蓄电池在线监测控制系统中设置蓄电池电量阈值，当蓄电池储存的电量不足以维持系统稳定运行时，提醒并自动停止运行VHF观测系统，以防由于电量不足导致电压波动而损坏器件；当储存的电量足以支持系统长时间运行时，自动重新启动VHF观测系统。

本公开公开的一种VHF观测系统，实现了对VHF波段辐射信号的实时、高精度、高速率的数据采集与处理，同时具有高精度、高灵敏度、高分辨率和低功耗等优点。

实施例2

为了实现对长基线乃至甚长基线VHF辐射信号的观测，在该实施例中，公开了一种VHF观测阵列单机系统，如图5所示，包括，至少一个实施例1公开的VHF观测系统，多个VHF观测系统之间通过通信系统连接。

考虑到VHF观测阵列单机系统建设的天线台站之间的间距较远，经过仔细对比，系统采用无线网桥搭建通信网络，实现观测系统之间组网互联、相互通信、互通数据、存储与上传数据等功能。

无线网桥不仅传输信道比较纯净，而且还具有抗干扰能力强，传输距离远、传输速率高等诸多优势，可以有效实现观测系统之间组网互联、数据共享等功能，无线网桥模型如图6所示。

在一种VHF观测阵列单机系统中，VHF观测系统中的自供电系统还为通信系统供电。

该实施例公开的一种VHF观测阵列单机系统，在信号接收面积、采集速率以及灵敏度等多项性能指标上都远远超过目前同类观测系统，实现了全天、全向性观测，高速率、高精度数据采集与处理等功能，具备长基线乃至甚长基线的观测能力。

实施例3

在该实施例中，公开了一种VHF观测方法，包括：

天线阵列接收VHF波段辐射信号，并输出水平、垂直极化信号；

水平极化信号和垂直极化信号分别经模拟接收机的两条信号通道进行放大和滤波处理；

放大和滤波处理后信号进入数字接收机，形成数字信号；

数字接收机对形成的数字信号存储与显示。

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 (10)

1.一种VHF观测系统，其特征在于，包括：接收VHF波段辐射信号，并输出水平、垂直极化信号的天线阵列，与天线阵列连接的模拟接收机，与模拟接收机连接的数字接收机；

模拟接收机包括两条信号通道，两条信号通道分别对天线阵列输出的水平极化信号和垂直极化信号进行放大和滤波处理，两条信号通道均与数字接收机连接。

2.如权利要求1所述的VHF观测系统，其特征在于，天线阵列采用盘锥天线阵列。

3.如权利要求1所述的VHF观测系统，其特征在于，模拟接收机中的两条信号通道均沿信号前进方向依次设置合路器、一级放大器、功分器，功分器将信号功分两路，一路信号经过依次连接的低通滤波器和二级放大器，另一路信号经过依次连接的高通滤波器和二级放大器，二级放大器与数字接收机连接。

4.如权利要求1所述的VHF观测系统，其特征在于，数字接收机包括AD采集卡、FPGA数据处理模块和工控机，AD采集卡采集模拟接收机输出的模拟信号，并输出数字信号，FPGA数据处理模块对AD采集卡输出的数字信号进行处理，工控机接收FPGA数据处理模块处理后数据，并对处理后数据进行存储与显示。

5.如权利要求4所述的VHF观测系统，其特征在于，FPGA数据处理模块与离子探测传感器连接，离子探测传感器用于检测VHF波段辐射信号，FPGA数据处理模块根据离子探测传感器采集的VHF波段辐射信号，调整AD采集卡数据采集的速率。

6.如权利要求4所述的VHF观测系统，其特征在于，AD采集卡和FPGA数据处理模块分别与时频同步模块连接，时频同步模块为AD采集卡和FPGA数据处理模块提供时钟同步信号。

7.如权利要求6所述的VHF观测系统，其特征在于，时频同步模块采用双向卫星时间频率传递法为AD采集卡和FPGA数据处理模块提供时钟同步信号。

8.如权利要求1所述的VHF观测系统，其特征在于，所述的VHF观测系统还包括自供电系统，自供电系统分别与天线阵列、模拟接收机、数字接收机连接。

9.一种VHF观测阵列单机系统，其特征在于，包括，至少一个权利要求1-8任一项所述的VHF观测系统，多个VHF观测系统之间通过由无线网桥搭建而成的通信系统相连。

10.一种VHF观测方法，其特征在于，包括：

通过天线阵列接收VHF波段辐射信号，获得水平、垂直极化信号；

水平极化信号和垂直极化信号分别经模拟接收机的两条信号通道进行放大和滤波处理；

模拟接收机处理后信号进入数字接收机，形成数字信号，并对形成的数字信号存储与显示。

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