CN114257259B - 一种太阳射电频谱仪接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳射电频谱仪接收系统及方法，涉及射电频谱仪技术领域，包括信号接收单元、模拟接收机和数字接收机，信号接收单元用于接收太阳射电信号，采用大口径抛物面反射面和双线极化馈源；模拟接收机用于处理太阳射电信号的两路模拟通道，模拟通道包括依次连接的射频开关、一级放大器、带通滤波器、带阻滤波器、程控衰减器、二级放大器和限幅器；数字接收机包括FPGA和数据采集卡，限幅器通过数据采集卡连接FPGA，程控衰减器通过线路连接FPGA，FPGA在判断太阳射电爆发满足设定条件时启动程控衰减器。本发明采用大口径天线系统提高太阳射电信号接收质量；增加程控衰减实现系统动态增益扩大接收系统动态范围；不需要混频方案，结构简单，成本较低。

Description

一种太阳射电频谱仪接收系统及方法

技术领域

本发明涉及射电频谱仪技术领域，尤其涉及一种太阳射电频谱仪接收系统及方法。

背景技术

太阳射电频谱仪通常由天线及天馈系统、模拟接收机、数字接收机和上位机(终端设备)组成。现有太阳射电频谱仪通常采用混频方案，例如一种太阳射电频谱仪的信号接收装置，包括室内机、室外分机及传输电缆，室外分机包括微波开关、限幅器、滤波器、低噪声放大器及控制电路；混频方案的通道多、成本高、通道间一致性难以较好匹配。

常用的混频器结构主要有基波混频和分谐波混频两种。基波混频可能存在本振泄露，同时如采用平衡混频结构，对带内杂波抑制不好，其输出高次杂波可能正好处在输出频率的边带上而无法通过输出滤波器滤掉，会对接收机性能产生较大的影响。分谐波混频一般需要的本振信号是4路或8路等间隔的同频率信号，其频率是射频载波信号的一半，为了产生这些不同的本振信号，需要设计结构复杂的相位滤波器，增加了设计难度。同时，相位滤波器元件一般是无源器件，相位越多，器件数目也越多，功耗会大幅增大，有悖于低功耗设计原则。

而且，当前主要米波太阳射电频谱仪的模拟接收系统的动态范围是固定的，当太阳射电爆发很强烈时，一方面可能会对后续的数字接收机造成损害，另一方面也不能很好地进行观测，不利于后续对太阳射电爆发的描述、分析和应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种太阳射电频谱仪接收系统及方法，通过采用大口径天线系统提高太阳射电信号接收质量；增加程控衰减实现系统动态增益，扩大接收系统动态范围；不需要混频方案，结构简单，成本较低。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种太阳射电频谱仪接收系统，包括：

信号接收单元，用于接收太阳射电信号；

模拟接收机，用于处理太阳射电信号水平信号和垂直信号的两路模拟通道，模拟通道包括依次连接的射频开关、一级放大器、带通滤波器、带阻滤波器、程控衰减器、二级放大器和限幅器；

数字接收机，包括FPGA和数据采集卡，限幅器通过数据采集卡连接FPGA，两程控衰减器通过线路连接FPGA，FPGA在判断太阳射电爆发满足设定条件时启动程控衰减器。

作为进一步的实现方式，所述信号接收单元采用天线，天线具有设定直径的反射面；所述天线输出与各射频开关的输入端相连。

作为进一步的实现方式，两个射频开关之间设置若干噪声源，射频开关通过控制电路连接FPGA，以通过控制电路控制射频开关在信号接收单元输入、噪声源之间切换。

作为进一步的实现方式，所述天线反射面的焦点处设置双线极化馈源系统。

作为进一步的实现方式，所述带阻滤波器至少设置两个。

作为进一步的实现方式，所述一级放大器为低噪声放大器。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种太阳射电频谱仪接收方法，包括：

太阳射电信号经信号接收单元进入模拟接收机中的模拟通道，经一级放大后通过带通滤波器滤波获得设定频率范围的信号；

经带通滤波后的信号通过带阻滤波器滤除固定频率强干扰信号后进入程控衰减器，不超过设定阈值的信号直接进行二级放大后进入数字接收机，超过设定阈值的信号经程控衰减后再进行二级放大，之后进入数字接收机。

作为进一步的实现方式，进入数字接收机的信号先进行A/D转换，之后在FPGA中进行频域变换分析处理，通过FPGA判断是否有大于设定阈值的强爆发过程。

作为进一步的实现方式，FPGA根据频域变换分析结果对输入信号进行检测，当检测的信号强度大于设定阈值且持续时间大于设定时长时，启动衰减过程和数据放大恢复功能；

当检测的信号强度小于设定阈值且持续时间小于设定时长时，取消衰减过程和数据放大功能。

作为进一步的实现方式，通过程控方式控制FPGA的不同IO口输出高低电平，经电平转换电路后变成控制射频开关切换用的电平以控制其在天线输入信号和不同噪声源间进行切换，满足天线信号接收和数据定标需要。

作为进一步的实现方式，将二级放大后的信号送入限幅器，经限幅处理后输入数字接收机。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过增加程控衰减器可以对超过阈值的太阳射电强爆发先进行一定的衰减再进行二级放大，既保护了后续器件，又扩大了系统观测信号的动态范围；程控衰减器由邻近的FPGA进行程序控制，实时性高，灵活方便；FPGA从信号强度和持续时间两个方面进行判定是否产生强爆发以及强爆发是否结束，可有效避免误判，可靠性高。

(2)本发明的模拟接收机包括依次连接的射频开关、一级放大器、带通滤波器、带阻滤波器、程控衰减器、二级放大器和限幅器，将一级放大和二级放大紧密连接在一起，实现了对信号接收单元信号的放大、滤波的集中处理，避免了一级放大滤波和二级放大滤波的分离，减少了信号远距离传输引起的传输线路损耗差异。

(3)本发明的信号接收单元采用大口径抛物面反射面天线，同时组合了双线极化馈源系统，最小可测流量密度小，系统的灵敏度高，系统增益大，波束窄，指向性好；结合信号接收单元接收的太阳射电信号频率范围和数据采集卡采样速率，不需要混频方案，结构简单，成本降低。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构框图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的控制电路结构图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的程控衰减启动与恢复流程图；

图4(a)是本发明根据一个或多个实施方式在90MHz处的波束仿真结果图；

图4(b)是本发明根据一个或多个实施方式在200MHz处的波束仿真结果图；

图4(c)是本发明根据一个或多个实施方式在300MHz处的波束仿真结果图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的模拟接收机的模拟通道增益图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种太阳射电频谱仪接收系统，如图1所示，包括依次连接的信号接收单元、模拟接收机和数字接收机，信号接收单元采用天线系统，用于太阳射电信号或其他空间电磁信号的接收。

由于太阳对地球的张角只有0.5度，为了实现太阳辐射电磁信号的高精度采集，减少其他信号的干扰，需要天线系统具有良好的指向性。本实施例的天线系统包括直径12米天线、双线极化馈源系统，天线具有抛物面反射面，双线极化馈源系统设置于反射面焦点的。

太阳辐射电磁信号通过反射面汇聚到位于焦点的馈源系统，从而实现对太阳辐射信号的高方向性采集。

在本实施例中，采用12米口径的前馈网状抛物面天线，天线系统具备全自动控制功能，实时高精度跟踪太阳。抛物面天线的性能很大程度上取决于辐射源的性能，而天线系统的工作频率从90-600MHz，属于超宽带天线，传统的辐射器无法满足天线系统的要求。考虑到网状抛物面天线的馈源体积小、重量轻、可靠性高等特殊需求，选用一种双线极化对数周期天线作为馈源，实现天线的宽频带特性。

(1)天线温度T_AS：

对太阳而言，天线所接收到温度为：

其中，A_max表示天线最大有效面积，

表示太阳亮温度，P表示天线功率方向图，λ表示信号波长，Ω_s表示太阳视立体角。

由上可见，天线温度T_AS随天线口径D的增大而增大，其增加速度随D值而变化。

(2)天线相对灵敏度γ_AMIN：

对于太阳射电源，通常用相对灵敏度表征天线系统的灵敏度性能：

其中，ΔT_AMIN表示射电望远镜最小灵敏度；

所以，天线系统的相对灵敏度随天线口径增加而提高。

(3)最小可测流量密度ΔS_min

射电望远镜最小可测流量密度：

其中，k表示玻尔兹曼常数，1.38×10^-23J/K，A_e表示天线有效面积。

可见，天线口径越大，其面积就越大，相应的最小可测流量密度就越小，也即对太阳射电观测的灵敏度就越高。

本实施例的模拟接收机包括两路模拟通道，分别接收天线系统的水平信号和垂直信号，并进行放大、滤波等处理，之后将处理后的信号传输至数字接收机进一步处理。

如图1所示，模拟通道包括依次连接的射频开关、一级放大器(LNA)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF1)、带阻滤波器(BSF2)、程控衰减器、二级放大器和限幅器，射频开关输入端根据控制电路的输出TTL电平接通信号接收单元、噪声源1或噪声源2，射频开关的输出端通过模拟接收机的模拟通道连接数字接收机的ADC采集卡及FPGA。

由于系统两个放大器增益是固定的，因此当有很强的太阳爆发时，进入本系统的输入信号能量会很大，如果对系统不加以保护，可能会使后续的二级放大器进入非线性工作区，一方面会影响器件使用寿命，甚至影响整个系统工作，另一方面也会影响对爆发的正常线性观测、分析。因此，本实施例的模拟接收机加入了程控衰减器。

该模拟接收机将一级放大和二级放大紧密连接在一起，实现了对信号接收单元信号的放大、滤波的集中处理，避免了一级放大滤波和二级放大滤波的分离，减少了信号远距离传输引起的传输线路损耗差异。

为了后续定标需要，本实施例的模拟接收机还包括两个噪声源，即噪声源1和噪声源2，采用两个噪声源可以使定标更加准确。通过控制电路控制射频开关在天线输入、噪声源1和噪声源2信号源间切换，实现对太阳射电信号的采集和对观测值的定标功能。

射电频谱仪得到的原始数据在不同的频率和不同的仪器之间不具有可比性，需要在原始数据的基础上做进一步处理，定出太阳射电辐射的真正流量(物理单位：1sfu＝10^{- 22}W·Hz^-1·m²)，也即给出一个标准尺度，将频谱仪给出的数字校准成有物理单位的参量。

目前最为常用的一种定标方式是相对定标，即根据已知的标准源对原始数据进行定标。因此，需要根据需要控制射频开关实现天线信号、噪声源1和噪声源2这三种信源的切换，本实施例通过FPGA实现此项控制切换功能。如图1和图2所示，当需要进行定标时，由FPGA的IO口发出控制信号，经电路转换后转换成可以控制射频开关通断的电平信号，以此控制射频开关的切换。

由于射频开关切换需要TTL电平，而FPGA的IO口输出的+1.8V高电平不能直接使用，本实施例中通过使用+1.8V转+5V电路实现了需要的电平转换。

具体操作如下：射频开关的1号键接天线输入，2号和4号分别接两个噪声源，FPGA的IO1、IO2和IO3分别接电平转换电路的1、2和3号输入端；同时将电平转换电路的O1、O2和O3端分别接控制射频开关1、2和4号键接通的控制端，当FPGA的IO1端口输出+1.8V高电平时，经电平转换电路在其O1端输出+5V高电平，作为控制射频开关1号键接通的TTL电平，从而接通天线输入信号，当FPGA的IO2或IO3端口输出+1.8V高电平时，经电平转换电路在其O2或O3端输出+5V高电平，作为控制射频开关2号键或4号键接通的TTL电平，从而接通不同噪声源信号。

数字接收机主要由高速数据采集卡(ADC)和FPGA组成，由高速ADC将模拟接收机处理后的太阳射电信号进行模数转换变成数字量，之后由FPGA根据分辨率要求进行FFT变换，将时域信号转换成频域数据，在频域内进行数字极化合成，进行积分运算，最后将数据通过PCIe接口上传上位机进一步处理。

本实施例后续的ADC采集卡信号采样速率为1.25Gsps，接收的太阳射电信号频率范围为90-600MHz，因此可以直接对接收到的太阳射电信号进行采用，而不需要由本振电路、混频器等单元组成的混频方案，结构简单，成本降低，更加实用。

实施例二：

本实施例提供了一种太阳射电频谱仪接收方法，采用实施例一所述的系统，由于上述系统对天线系统的水平信号和垂直信号的处理是一样的，本实施例以水平信号为例进行说明，具体处理步骤如下：

步骤1：天线接收的水平信号经射频开关一端进入一路模拟通道。

步骤2：为了降低系统噪声系数，经射频开关的水平输入信号先经过一级低噪声放大器(LNA)进行放大。

步骤3：为了保证输入信号的频率范围，使信号经过频率范围为90-600MHz的带通滤波器(BPF)进行滤波。

步骤4：在对观测站实地电磁环境测试中发现，在147MHz处和361MHz处有频繁的强度比较大的电磁干扰，为了确保观测系统的性能，将带通滤波后的信号经过两个带阻滤波器(BSF1和BSF2)滤除相应频点的外界信号干扰。

步骤5：将一级放大和滤波后的信号经过程控衰减器，当判断爆发不够强时，信号正常通过；当判断有超过阈值的很强爆发时，先对输入的信号进行程控衰减，再送入二级放大器。

为了保证整个频谱仪的动态范围，需要进一步对信号进行放大处理，所以使滤波后的信号经过二级放大器进行放大。

步骤6：为了保护后续ADC采集卡和FPGA组成的数字接收机，将二级放大后的信号送入限幅器，当信号不是很强时正常通过，当信号非常强时进行必要的限幅处理后再输出给数字接收机。

本实施例将天线系统采集的太阳射电信号进行放大滤波处理后加入到数字接收机先进行A/D转换，之后在FPGA中进行FFT等处理，因此，本实施例将判断是否有大于一定阈值的强爆发过程放在FPGA中而不是放在上位机中进行，这样做既方便又快捷。

具体流程如图3所示：

步骤1：FPGA根据FFT的结果，对输入信号强度进行检测，一是判断是否大于某个射电强爆发阈值，同时也要判断强信号持续时间是否大于设定时长，以防止突发随机干扰影响而发生误判。

步骤2：当检测的信号强度大于设定阈值和持续时间大于设定时长同时满足时，判定有强爆发产生，于是一方面对程控衰减器进行程序控制，启动衰减过程，另一方面启动数据放大恢复功能，对接下来产生的数据进行相应的加权放大处理，以便恢复成原始强度大小，之后再进行其他进一步处理并在上位机上正确显示。

步骤3：当程控衰减发生后，FPGA也要检测放大恢复后的数据信息，既要检测信号强度，又要检测持续的时间，以防止过早结束强爆发监测。

步骤4：当检测到信号强度和持续时间同时小于相应设定值时，判定强爆发已经结束，于是一方面程序控制本装置的衰减器取消衰减过程恢复正常工作，另一方面取消对数据的加权放大，恢复正常处理。

实施例三：

本实施例对实施例一所述系统的信号接收单元进行仿真验证，如图4(a)-图4(c)所示，得到以下结论：

(1)天线增益高，不低于17.1dBi，其中90MHz：17.1dBi；200MHz：23.9dBi；400MHz：29.9dBi；600MHz：33.3dBi。

(2)波束窄。

模拟接收机系统其中一路的系统增益如图5所示，表明实施例一可行，可以很好地用于接收90-600MHz的太阳射电信号，并进行太阳射电爆发研究。

以上所述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。

Claims (9)

1.一种太阳射电频谱仪接收系统，其特征在于，包括：

信号接收单元，用于接收太阳射电信号；

模拟接收机，用于处理太阳射电信号水平信号和垂直信号的两路模拟通道，模拟通道包括依次连接的射频开关、一级放大器、带通滤波器、带阻滤波器、程控衰减器、二级放大器和限幅器；

数字接收机，包括FPGA和数据采集卡，限幅器通过数据采集卡连接FPGA，两程控衰减器通过线路连接FPGA，FPGA在判断太阳射电爆发满足设定条件时启动程控衰减器；

所述信号接收单元采用12米口径的前馈网状抛物面天线，同时组合双线极化馈源系统；

数据采集卡信号采样速率为1.25Gsps，天线接收的太阳射电信号频率范围为90-600MHz，直接对接收到的太阳射电信号进行采用；

天线具有设定直径的反射面，所述天线反射面的焦点处设置双线极化馈源系统。

2.根据权利要求1所述的一种太阳射电频谱仪接收系统，其特征在于，所述天线输出与各射频开关的输入端相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种太阳射电频谱仪接收系统，其特征在于，两个射频开关之间设置若干噪声源，射频开关通过控制电路连接FPGA，以通过控制电路控制射频开关在信号接收单元输入、噪声源之间切换。

4.根据权利要求1所述的一种太阳射电频谱仪接收系统，其特征在于，所述带阻滤波器至少设置两个。

5.根据权利要求1所述的一种太阳射电频谱仪接收系统，其特征在于，所述一级放大器为低噪声放大器。

6.一种太阳射电频谱仪接收方法，其特征在于，包括：

太阳射电信号经信号接收单元进入模拟接收机中的模拟通道，经一级放大后，使信号经过频率范围为90-600MHz的带通滤波器进行滤波，通过带通滤波器滤波获得设定频率范围的信号；经带通滤波后的信号通过带阻滤波器滤除固定频率强干扰信号后进入程控衰减器，不超过设定阈值的信号直接进行二级放大后进入数字接收机，超过设定阈值的信号经程控衰减后再进行二级放大，之后进入数字接收机；

所述信号接收单元采用12米口径的前馈网状抛物面天线，同时组合双线极化馈源系统；

数字接收机中数据采集卡信号采样速率为1.25Gsps，天线接收的太阳射电信号频率范围为90-600MHz；直接对接收到的太阳射电信号进行采用；

天线具有设定直径的反射面，所述天线反射面的焦点处设置双线极化馈源系统；

太阳辐射电磁信号通过反射面汇聚到位于焦点的馈源系统。

7.根据权利要求6所述的一种太阳射电频谱仪接收方法，其特征在于，进入数字接收机的信号先进行A/D转换，之后在FPGA中进行频域变换分析处理，通过FPGA判断是否有大于设定阈值的强爆发过程。

8.根据权利要求7所述的一种太阳射电频谱仪接收方法，其特征在于，FPGA根据频域变换分析结果对输入信号进行检测，当检测的信号强度大于设定阈值且持续时间大于设定时长时，启动衰减过程和数据放大恢复功能；

当检测的信号强度小于设定阈值且持续时间小于设定时长时，取消衰减过程和数据放大功能。

9.根据权利要求6-8任一所述的一种太阳射电频谱仪接收方法，其特征在于，将二级放大后的信号送入限幅器，经限幅处理后输入数字接收机。

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