CN207866896U - 基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统，其包括捷变收发器、二功分器、计算机；或者包括捷变收发器、无线电监测天线、无线电监测接收机、计算机；在捷变收发器中形成观测采集通道和无线电环境监测通道；本实用新型系统采用捷变收发器对射电天文谱线进行观测，首先利用了捷变收发器的宽带输入和56MHz通带可任意选通，实现对谱线的高频谱分辨率观测；同时由于集成了程控本振和下变频的功能，可以实现频率切换定标，减少了传统的天线指向定标中，天线指向角度特别是俯仰角变化给天线性能带来的改变；另外，采用无线电环境监测通道监测并选取无干扰频带作为定标频带的办法，可以有效规避无线电干扰信号。
Description
技术领域
本实用新型适用于射电天文窄带、高谱分辨率的谱线观测领域，采用频率切换定标(frequency switching)和无线电环境监测规避无线电干扰，实现快速高分辨率观测和定标。
背景技术
微波谱线在射电天文观测中具有举足轻重的地位，可用于诊断相关天体的基本物理及化学条件，如激发温度、粒子密度、物质运动区的速度场、磁感应强度及各种元素的化学丰度等。通过观测获得分子云及恒星形成区的谱线数据后，可以通过适当的近似方法来求解统计平衡辐射转移方程，从而获得天体的各种信息。
通过对分子谱线的观测，将使得我们能够研究包括恒星形成区早期、恒星演化晚期、超新星爆炸(超新星遗迹)、行星状星云、彗星、河外星系等一系列的天文学现象。对它们在C波段谱线的观测研究，关联了很多研究内容，例如：(1)基于6.7GHz甲醇脉泽相关的研究，6.7GHz甲醇脉泽由于其辐射流量大、致密(角大小约4毫角秒，线大小约几个天文单位)、寿命长(约4年)、普遍存在(银河系内探测到1000多个源)以及非常小的内部固有运动等特点成为天文学和天体测量学中的一大热点。它们不仅被用来开展与大质量恒星形成有关的一系列研究，而且通过对它们视差的精确测量可以精确确定银河系的一些关键参数(如旋臂结构，这是迄今为止最高精度的测量方法)，是银河系研究中的一个重点；(2)基于羟基和甲醛谱线的研究，也是近来受到广泛关注的热点领域，包含甲醛样本搜寻以及他们的辐射特性、羟基脉泽的搜寻以及通过羟基偏振观测来研究磁场等一些研究内容；(3)另外还有很多研究内容：比如C波段的分子谱线搜寻等，此处不在一一例举。
高频谱分辨率的谱线观测可以为研究者们带来所研究目标天体内部更细节的信息，它们通常可以使我们追踪到更小尺度的结构以及其中更详细的动力学特征等。又如在某些高精度的谱线观测中需要极高的频率分辨率，例如对塞曼效应的观测中：采用中性氢HI观测，每微高斯磁场产生的频率移动2.8Hz；如采用OH的基态，每微高斯磁场在1.665GHz谱线上产生的频率移动只有3.27Hz，而在1.667GHz谱线上产生的频率移动是1.96Hz。然而，由于目前传统采用的射电天文终端设备是对射电天文模拟信号的高速ADC过采样原理实现的：采样率为fsample的ADC大约能覆盖fsample/2带宽的信号目前增加采样率似乎成为解决大带宽数据采集，实现宽频带同时观测的唯一途径。
而在该原理下由于采样率fsample、FFT点数N和频谱分辨率Δf三者的满足以下关系：故在传统采样原理下，做谱线的高精度轮廓结构观测是非常困难的。因为在采样率一定的情况下，如果要得到更高的频谱分辨率就必须增加FFT变换点数N，这就需要耗费处理器内部乘法器、累加器以及存储单元等资源，这样大大增加了冗余数据量，对无信号频带也需要同时进行分析。
目前，各大芯片公司和模块化仪器公司都相继在进行更高速更高带宽的数据采集芯片和设备设计开发，多种高速数据采集设备已经应用于部分天文观测。例如:Acqiris公司开发的高速数据采集卡AC240，其带宽为1GHz@8bit，已经应用于多台射电望远镜，包括德令哈的13.7米毫米波望远镜，KOSMA毫米波亚毫米波望远镜；2014年8月，HOMIN JIANG等人公布了采样速率达到5Gsps@8bits的高速采集系统及B.Klien等人研发的FFTS数据采集终端均是目前采样速度最快的射电天文终端。
然而根据原子受激辐射的特点，分子谱线呈现出离散局部密集线谱的特点而在另外一些频带能够观测的射电天文谱线又非常少。这样，高速数据采集的优势资源就大大浪费在了一些没有可观测信号的频率上，而且采样率越高，浪费越多。
2008年A.W.Hotan等人实现的100MHz输入带宽的数字终端-TasPGA，在观测脉泽源G285.35+0.00，在8MHz带宽内实现488.3Hz的频谱分辨率需要16384点FFT。B.Klein等人在FFTS上实现88.3KHz已经需要32768点FFT。
随着采集速度的上升，需要达到同样频率分辨率所需的FFT点数将大大增加这些都为后端运算、存储、传输带来巨大压力。
针对上述问题，2005年S.Stanko等人尝试在Effelsberg 100m射电望远镜上建立了基于DDC-GC4016(digital down converters，数字下变频器)的数字频谱分析终端ICS554C，引入了直接数字下变频的概念与谱线数字终端中，其有两种工作方式：1.工作于全带宽模式：50MHz，直接由ADC采集而进入FPGA做FFT分析；2.窄带工作方式：经DDC选通20KHz-10MHz带宽，再送入FPGA进行处理。
在2MHz带宽模式下，相当于在全带宽模式下相同的FFT点数提高了25倍的频率分辨率。
同时，云南大学柏正尧、中国科学院云南天文台董亮等人提出了基于欠采样方案的采集终端，利用ADC的欠采样性能可以达到更高的分辨率性能。但是以上两种方案都以增加电路的复杂结构为代价的，在集成电路日新月异的今天新的集成电路能够取代上述方案。
目前ADI公司推出的AD93xx系列芯片是一种高性能、高度集成的RF AgileTransceiverTM捷变收发器。该器件的可编程性和宽带能力使其成为多种收发器应用的理想选择。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供可配置数字接口，从而简化设计导入。例如：AD9361工作频率范围为70MHz至6.0GHz，涵盖大部分特许执照和免执照频带，支持的通道带宽范围为不到200KHz至56MHz。
较之于传统的高速采样数字频谱终端，根据奈奎斯特定律达到6GHz的输入带宽必须至少要有12Gsps的采样速度，为此在捷变收发器选择200kHz的输入带宽情况下，到达同样的分辨率，相当于点数提高了240000倍。
同时该器件的优势还在于：通过程序控制可以在片内快速实现本振的精确变化，进而实现采集信号中心频点的变化，从而达到frequency-switching的定标观测。较之于切换天线指向对准冷空的point-switching定标方式，该种定标方式的优势在于，可以在观测过程中不改变天线的指向，从而减少了不同俯仰角给天线形变带来的影响，非常适合像FAST这类型的大型天线；同时，利用本振的切换，较之于天线指向切换具有更快的速度，可以实现快速定标，节约观测时间、提高观测效率的目的。
但是，目前随着无线电资源的日益紧张，越来越多的无线电干扰造成了射电天文观测环境的恶化，在进行frequency-switching定标观测时，如果作为基线的观测频带内存在无线电干扰就会影响定标数据效果，为此，需要在定标之前选择没有无线电干扰的定标频带非常重要，
本实用新型采用最新的捷变收发器技术，建立两采集通道系统，其中一个采集通道针对射电天文谱线信号完成谱线信号数据采集、frequency-switching定标等工作，另一个采集通道则针对无线电环境调研，为frequency-switching定标选取“宁静”的基线频带。
发明内容
本实用新型提供了一种基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统，其包括捷变收发器、二功分器、计算机，捷变收发器与计算机连接，捷变收发器通过二功分器与射电望远镜的模拟接收机连接，采集射电望远镜天线采集到的射电源信号并在捷变收发器中形成观测采集通道，同时监测观测频点左右频带内的无线电环境情况，选取没有干扰的无线电频带用作定标的基线频带并在捷变收发器中形成无线电环境监测通道。
本实用新型基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统还可以包括捷变收发器、无线电监测天线、无线电监测接收机、计算机，捷变收发器与计算机连接，捷变收发器与射电望远镜的模拟接收机连接并在捷变收发器中形成观测采集通道，无线电监测天线通过无线电监测接收机与捷变收发器连接并在捷变收发器中形成无线电环境监测通道。
A、观测采集通道
其中，观测通道采用捷变收发器两个输入通道中的一个，直接与射电望远镜的射频或者中频模拟接收机输出相连，直接采集射电望远镜接收到的信号，从天线经模拟接收机放大输出信号功率p可以用下面的方程式表达：
其中Tsou(v)由射电源的线辐射和连续谱辐射组成；但是Tsou(v)并不是真实的射电源辐射亮温度，它和真实的亮温度之间的关系为：
ηap为天线效率，τ0为大气不透明度，AM＝sin-1(El)
其中系统噪声由以下几个方面组成：
其中：
| Tbg | 来自于微波背景和宇宙的辐射 |
| Tatm | 来自大气的辐射 |
| Tspill | 来自地面的辐射 |
| Tsw | 驻波带来的噪声(一般来自二次聚焦的情况) |
| Tloss | 馈源损耗带来的噪声 |
| Trx | 来自接收机的噪声 |
| Tcal | 由噪声二极管注入的噪声 |
同时采用捷变收发器内部的程控可调节本振，实现观测中心频点的切换，达到定标的目的，频率切换定标模式中，传统的办法在接收机链路上是调整射频本振的频率(通过调整锁相环实现)，使其观测的中心频点偏离观测频点使得观测频带落入定标频段；由于捷变收发器将本振置于片内，可以通过程序控制该本振至混频器的输出频率，达到上述频率切换的特点，如图4所示；
具体操作流程如下：
1、通过无线电环境监测通道确定无线电环境宁静的通带，进而确定下一步本振的偏离频率；
2、调整本振偏离中心频点-Δv,记此时的信号输出频谱函数为
简记为：
3、先调整本振偏离中心频点+Δν,记此时的信号输出频谱函数为
简记为：
假设在一个较窄的频带内接收机增益平坦，即GRF,+＝GRF,-＝constant常数；
其中
其中ΔTsys,±在是否噪声注入情况下均相等，ΔTcal,±在无噪声注入情况下为0，在注入噪声的情况下不为0；作如下两个方程：确定两个参考噪声温度；
取两个温度的平均值作为噪底：
B、无线电环境监测通道
无线电环境监测通道采用捷变收发器两个输入通道中的另一个，用于同步监测观测频点左右频带内的无线电环境情况，选取没有干扰的无线电频带用于作为定标的基线频带，有两种方案：1、采用射电望远镜系统主通道接二功分器方案；2、采用辅助通道方案，采用辅助无线电监测天线、无线电监测接收机。
第一个方案的优势在于可以快速搭建系统，不需要增加过多的微波器件，但是会增加一定的系统噪声；
第二个方案中可以不影响主观测通道性能，采用无线电监测天线和无线电监测接收机，均采用了宽带微波方案，实现宽带输入，同时监测接收机设置与射电望远镜观测通道一致，保证观测采集通道的信号入口带宽与无线电环境监测通道的信号入口带宽相同。
C、定标频带的确定方案
无线电环境监测通道监测在较宽的频带范围内的无线电频谱，无线电环境监测通道的带宽要大大宽于谱线观测带宽，为此在无线电监测带宽内，进行FFT变换，通过判断带内无线电干扰的位置，确定出上下两个定标频带的位置，即：观测通道中本振需要调节的频率大小Δν。
采用方案为：首先通过FFT变换后求得无线电监测带宽内功率谱密度分布情况，然后求得该段功率谱均值m和方差σ，再逐个比较带内每个频点功率谱密度与均值m之差，是否大于3倍的方差σ，如果不大于3倍的方差σ,则认为该频点信号为噪声，没有无线电干扰；反之，则该频点存在干扰，该频带不适用作为定标频带，然后进一步滑动选择带宽进行观察、评估。D、计算机的作用
计算机通过USB或者网络等控制捷变收发器相关参数的设置，包括中心频率ν、观测带宽W、频谱分辨率N，在接收到观测通道采集得到数据后，进行FFT分析；
同时无线电环境监测通道的数据采集后发回给控制计算机中，做无线电干扰确定，由计算机确定定标频带后，在定标阶段，控制中心频率分别偏离谱线观测频点±ΔνHz；在计算机中，采集数据分为观测数据、无线电环境监测数据以及定标处理后数据均进行存储。
上述设置、数据分析均采用常规方法进行。
关键在于：
1、由于捷变收发器具有宽带输入和通带可任意选通，可以实现对谱线的高频谱分辨率观测；
2、通过集成于捷变收发器内部的程控本振，可以实现通过程控的中心频点的切换，实现频率切换定标(frequency-switching calibration)；
3、通过无线电环境监测通道对无线电环境的监测，可以获得没有无线电干扰的定标频带，该频带与射电源观测数据进行比对，最终确定射电源流量；
4、在确定定标频带是否存在无线电干扰时，通过每个频点的功率谱密度值与带内所有频点功率谱密度的均值m和方差σ进行对比的方案，确定该频点是不是无线电干扰信号；
5、目前由于部分捷变收发器芯片AD9361、AD9371等具有两个接收通道，为此可以将观测采集通道和无线电环境监测通道集成于一片捷变收发器中，其中一个接收通道负责射电天文观测，另一个通道负责无线电环境监测。
本实用新型的效果在于：
采用捷变收发器对射电天文谱线进行观测，首先利用了捷变收发器的宽带输入和56MHz通带可任意选通，实现对谱线的高频谱分辨率观测；同时由于集成了程控本振和下变频的功能，可以实现频率切换定标，减少了传统的天线指向定标中，天线指向角度特别是俯仰角变化给天线性能带来的改变；
另外，采用无线电环境监测通道监测并选取无干扰频带作为定标频带的办法，可以有效规避无线电干扰信号。
附图说明
图1为本实用新型装置结构示意图；
图2为本实用新型装置结构示意图；
图3为无线电环境监测频带、观测频带、定标频带之间的关系示意图；
图4为基于捷变收发器实现捷变收发器在性能方面的提升示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型保护范围不局限于所述内容。
实施例1：如图1、3所示，本基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统包括捷变收发器、二功分器、计算机，捷变收发器与计算机连接，捷变收发器通过二功分器与射电望远镜的模拟接收机连接，采集射电望远镜天线采集到的射电源信号并在捷变收发器中形成观测采集通道，同时监测观测频点左右频带内的无线电环境情况，选取没有干扰的无线电频带用作定标的基线频带并在捷变收发器中形成无线电环境监测通道，该系统基于捷变收发器AD9361的平台，例如：NI2901等；上述捷变收发器具有两个模拟信号输入端，捷变收发器的两个模拟信号输入端分别与二功分器的两个输出端口相连，其中一个输入端作为观测采集通道通过二功分器与射电望远镜前端模拟接收机输出端相连，另一个输入端作为无线电环境监测通道的采集端，通过二功分器与射电望远镜的模拟接收机输出端相连；
捷变收发器内部将模拟信号进行滤波、下变频及采集量化后发送给计算机；
计算机通过USB或者网络与捷变收发器相连，起到控制捷变收发器、接收来自捷变收发器的预处理后信号进行进一步的信号处理；
首先根据观测目标的相关信息，例如：谱线频率、红移大小、宽带等信息，计算机对捷变收发器的相关进行参数设置，包括观测中心频率ν、观测带宽W、以及频谱分辨率N；
然后，根据无线电环境监测通道测量得到适合定标的频带位置，在定标时设置中心频率偏离的大小Δν；
在集成于计算机中的数据处理程序中，对捷变收发器发来的预处理后数字信号完成对以下数字信号处理过程：
1、对于观测采集通道采集，进行FFT变换、功率谱转换，形成初步观测数据并进行存储；
2、对于无线电环境监测通道，主要通过FFT变换后，确定无无线电干扰频带，进而确定中心频率需要的偏离频率Δν；
3、将观测采集通道的中心频率进行正负偏离后，在两个定标频带内进行同样的功率谱转换，形成定标数据，同时进行存储；
4、将初步观测数据与两组定标数据进行比对，最后形成定标后数据，并进行存储。
通过无线电干扰信号的识别确定定标频带：
第一步，假设无线电监测频带的带宽为B Hz，需要观测的带宽为W Hz，其中B远大于W；令
(k为整数)；
第二步，对带宽B进行N点FFT变化后，形成功率谱序列：(根据FFT中心对称原理)；
第三步，对子带宽B[0]～B[k]带宽内的无线电环境，首先求得，该序列数组的均值m和方差σ；
第四步，逐次遍历B[0]～B[k]每个频谱点与m的差与3倍σ比较，若大于则确定为干扰频点，否则被认为是噪声频点；
第五步，对于子带内存在干扰的情况，对子带内频率最高的干扰点定义为B[m]，再循环执行第三步，子带宽B[m+1]～B[k+m+1]进行考察，直到找到无无线电干扰的定标频带为止。
实施例2：如图2、3所示，本基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统包括捷变收发器、无线电监测天线、无线电监测接收机、计算机，捷变收发器与计算机连接，捷变收发器与射电望远镜的模拟接收机连接并在捷变收发器中形成观测采集通道，无线电监测天线通过无线电监测接收机与捷变收发器连接并在捷变收发器中形成无线电环境监测通道；该系统基于捷变收发器AD9371的平台，例如：NI2901等；上述捷变收发器具有两个模拟信号输入端，其中一个输入端作为观测采集通道与射电望远镜前端模拟接收机输出相连，另一个输入端作为无线电环境监测通道的采集端与无线电监测接收机的输出端连接。
Claims (2)
1.一种基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统，其特征在于：包括捷变收发器、二功分器、计算机，捷变收发器与计算机连接，捷变收发器通过二功分器与射电望远镜的模拟接收机连接，采集射电望远镜天线采集到的射电源信号并在捷变收发器中形成观测采集通道，同时监测观测频点左右频带内的无线电环境情况，选取没有干扰的无线电频带用作定标的基线频带并在捷变收发器中形成无线电环境监测通道。
2.一种基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统，其特征在于：包括捷变收发器、无线电监测天线、无线电监测接收机、计算机，捷变收发器与计算机连接，捷变收发器与射电望远镜的模拟接收机连接并在捷变收发器中形成观测采集通道，无线电监测天线通过无线电监测接收机与捷变收发器连接并在捷变收发器中形成无线电环境监测通道。
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| CN108152587A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-06-12 | 中国科学院云南天文台 | 基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统 |
| CN113285224A (zh) * | 2021-03-01 | 2021-08-20 | 中国科学院新疆天文台 | 一种射电望远镜远场区域强电磁干扰规避方法 |
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2018
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|---|---|---|---|---|
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