本發(fā)明涉及一種基于捷變收發(fā)器的快速抗干擾射電天文輻射計(jì)系統(tǒng),屬于射電天文領(lǐng)域,主要適用于在高無(wú)線電干擾環(huán)境下的總功率射電天文觀測(cè)。
背景技術(shù):
在空間天氣預(yù)警、預(yù)報(bào)方面,其中太陽(yáng)爆發(fā)是空間天氣事件的驅(qū)動(dòng)源,對(duì)太陽(yáng)射電波段的觀測(cè)至關(guān)重要。
太陽(yáng)爆發(fā)是發(fā)生在太陽(yáng)大氣-日冕中劇烈的能量釋放過(guò)程,主要形式是太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射(cme),本質(zhì)上是磁場(chǎng)和磁場(chǎng)、磁場(chǎng)和等離子體之間相互作用的結(jié)果。這樣的劇烈爆發(fā)過(guò)程,可能對(duì)地球周圍的空間環(huán)境造成劇烈擾動(dòng),對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的正常運(yùn)行帶來(lái)災(zāi)害性影響。由此可見(jiàn),日冕作為連接太陽(yáng)和日地空間的紐帶和太陽(yáng)劇烈爆發(fā)活動(dòng)的發(fā)源地、cme作為災(zāi)害性空間天氣的驅(qū)動(dòng)源,都具有極其特殊的重要地位。
對(duì)日冕的觀測(cè)研究,仍是目前太陽(yáng)物理研究的難點(diǎn)和重點(diǎn),如著名太陽(yáng)物理研究學(xué)者aschwanden提出的“十大太陽(yáng)物理研究難題”里,至少有一半和日冕有關(guān)。日冕觀測(cè)研究的核心問(wèn)題,是對(duì)日冕磁場(chǎng)的測(cè)量和對(duì)日冕物質(zhì)拋射(cme)的監(jiān)測(cè)。
從觀測(cè)的角度考慮,除光學(xué)觀測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)事件外,用射電方法是相當(dāng)重要的觀測(cè)手段,尤其對(duì)cme事件的觀測(cè)研究是其它方法無(wú)法替代的。
從理論上考慮,cme的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是了解它在日面上的源區(qū),以便能監(jiān)測(cè)cme的初始形成和噴發(fā)的整個(gè)過(guò)程。但是在低日冕(1.0-1.5倍太陽(yáng)半徑)范圍內(nèi),白光日冕儀是不能觀測(cè)的,而用米波射電頻譜儀則可以。因?yàn)樘?yáng)米波ii、iv型爆發(fā)與cme和耀斑等劇烈太陽(yáng)活動(dòng)以及相對(duì)應(yīng)的日地物理效應(yīng)有密切關(guān)系,因此射電方法是研究cme的重要手段之一。
太陽(yáng)活動(dòng)在低頻無(wú)線電上的觀測(cè)數(shù)據(jù)反映了太陽(yáng)活動(dòng)等離子體拋射物cme在日地空間傳播過(guò)程中重要的物理特性。cme中等離子體發(fā)射頻率與等離子體密度之間有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:
其中ne為等離子體密度,qe為等離子體單個(gè)離子的帶電荷數(shù),me為等離子體單個(gè)離子的質(zhì)量;隨著等離子體從太陽(yáng)上拋射出來(lái),其密度隨著遠(yuǎn)離太陽(yáng)的距離而降低,不同太陽(yáng)高度對(duì)應(yīng)等離子密度符合下面經(jīng)典公式:
ne(r)=ne0f(r)
其中
參數(shù)ne0為太陽(yáng)表面的等離子體密度數(shù)。
從上述公式推導(dǎo)可以得出,實(shí)施多點(diǎn)頻太陽(yáng)射電流量觀測(cè)可以獲得日冕層的多個(gè)高度等離子體密度等參數(shù)信息;為了解太陽(yáng)射電爆發(fā),cme形成具有十分重要的意義。
另外在其余射電天文觀測(cè)方面,采用輻射計(jì)對(duì)一定寬帶內(nèi)信號(hào)的總功率監(jiān)測(cè)可以獲得射電源的光變信息,該種方法是獲得射電源物理參數(shù)最直接的觀測(cè)手段,因此可靠性更高;通過(guò)其流量變化規(guī)律,建立理論模型可理解射電源輻射機(jī)制和內(nèi)部物理(例如由特征時(shí)標(biāo)估算射電源物理尺度,以給出其角徑上限)。
微波輻射計(jì)的重要標(biāo)包括溫漂特性、輸入帶寬、最小可識(shí)別靈敏度等;根據(jù)靈敏度與觀測(cè)帶寬之間的關(guān)系:
輻射計(jì)能檢測(cè)到的最小射電流量smin與積分時(shí)間τ和輸入信號(hào)帶寬δυ成反比。如果擁有更寬的輸入信號(hào)帶寬和更長(zhǎng)的積分時(shí)間,則輻射計(jì)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力將更強(qiáng)。
但是目前無(wú)線電干擾問(wèn)題(radiofrequencyinterferencerfi)嚴(yán)重干擾了射電天文輻射計(jì)的工作,無(wú)線電業(yè)務(wù)的擴(kuò)大越來(lái)越多的頻率被占用,這就使得射電天文觀測(cè)帶寬和干擾問(wèn)題成為一對(duì)矛盾,如果需要增加帶寬則同時(shí)也增加了無(wú)線電干擾的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)傳統(tǒng)的超外差式接收機(jī)的觀測(cè)頻段固定,這樣如果觀測(cè)頻帶內(nèi)出現(xiàn)無(wú)線電干擾信號(hào)就需要通過(guò)調(diào)整本振、帶通濾波器等方式進(jìn)行抑制無(wú)線電干擾,工程量較大,且靈活性較差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明提供了一種可以快速抑制無(wú)線電干擾,實(shí)現(xiàn)觀測(cè)帶內(nèi)的干擾消除,獲得穩(wěn)定觀測(cè)數(shù)據(jù)的基于捷變收發(fā)器的快速抗干擾射電天文輻射計(jì)系統(tǒng),其包括射電望遠(yuǎn)鏡天線、寬帶低噪聲放大器、程控捷變收發(fā)器、全可編程控制器、上位機(jī);寬帶低噪聲放大器的輸入端與射電望遠(yuǎn)鏡天線的饋源輸出端相連,寬帶低噪聲放大器的輸出端與程控捷變收發(fā)器的輸入端相連,程控捷變收發(fā)器通過(guò)全可編程控制器與上位機(jī)相連;
所述上位機(jī)包括:
觀測(cè)頻段與帶寬設(shè)置模塊,用于根據(jù)觀測(cè)需要設(shè)置程控捷變收發(fā)器的觀測(cè)帶寬、內(nèi)置放大器增益、中心頻點(diǎn)、濾波器阻帶抑制度、濾波器帶內(nèi)平坦度、濾波器通帶帶寬;
觀測(cè)調(diào)節(jié)模塊,用于調(diào)節(jié)程控捷變收發(fā)器的中心頻點(diǎn)、濾波器通帶寬帶、濾波器阻帶抑制度,有效的規(guī)避無(wú)線電干擾信號(hào);
總功率轉(zhuǎn)化模塊,用于將程控捷變收發(fā)器收集的寬帶數(shù)字信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)化為總功率數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)流量的總功率觀測(cè);
存儲(chǔ)模塊,用于總功率結(jié)果及目前的程控捷變收發(fā)器的設(shè)置參數(shù)的存儲(chǔ),形成觀測(cè)文件。
所述程控捷變收發(fā)器型號(hào)為ad9361、ad9364或ad9371。
當(dāng)程控捷變收發(fā)器接收的信號(hào)微弱時(shí),如弱射電源光變觀測(cè),增加內(nèi)置放大器的增益,提高數(shù)字可識(shí)別范圍;當(dāng)程控捷變收發(fā)器接收的信號(hào)較強(qiáng)時(shí),如對(duì)太陽(yáng)射電類強(qiáng)射電源爆發(fā)流量觀測(cè)時(shí),信號(hào)較強(qiáng),則減小內(nèi)置放大器增益,防止飽和。
本發(fā)明中射電天線收集射電源如太陽(yáng)、星系等發(fā)來(lái)微波信號(hào),將空間傳導(dǎo)電磁波轉(zhuǎn)化為介質(zhì)傳導(dǎo)電磁波,其輸出端與寬帶低噪聲放大器的輸入端相連;寬帶低噪聲放大器采用低噪聲設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天線采集信號(hào)的初步放大,同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)噪聲,其輸出端與程控捷變收發(fā)器輸入端相連;程控捷變收發(fā)器通過(guò)上位機(jī)的觀測(cè)頻段與帶寬設(shè)置模塊設(shè)置程控捷變收發(fā)器的觀測(cè)帶寬、內(nèi)置放大器增益、中心頻點(diǎn)、濾波器阻帶抑制度、帶內(nèi)平坦度及通帶寬度等參數(shù),并由全可編程控制器將該命令翻譯為程控捷變收發(fā)器能接收的控制碼,有效規(guī)避無(wú)線電干擾后,程控捷變收發(fā)器將獲取的觀測(cè)帶內(nèi)的寬帶數(shù)字信號(hào)傳遞給總功率轉(zhuǎn)化模塊,由總功率轉(zhuǎn)化模塊將寬帶數(shù)字信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)化為總功率數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)流量的總功率觀測(cè);
如果在觀測(cè)頻帶內(nèi)出現(xiàn)無(wú)線電干擾的情況下,通過(guò)觀測(cè)調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)程控捷變收發(fā)器的中心頻點(diǎn),將該無(wú)線電干擾移至濾波器的阻帶對(duì)其進(jìn)行抑制;如果在觀測(cè)頻段外出現(xiàn)了無(wú)線電干擾過(guò)強(qiáng)的情況,則通過(guò)觀測(cè)調(diào)節(jié)模塊將阻帶的抑制度增加,抑制住該無(wú)線電干擾信號(hào),提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。
其中程控捷變收發(fā)器(ad9361、ad9364或ad9371)中集成了可配置參數(shù)帶通濾波器(band-passfilter)、增益可配置放大器(gainconfigurableamplifier)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconvertor)等,通過(guò)可配置參數(shù)的帶通濾波器將觀測(cè)帶寬調(diào)諧到?jīng)]有無(wú)線電干擾信號(hào)的頻段,同時(shí)抑制住帶外的無(wú)線電干擾,并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)接器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),并將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送到全可編程控制器中;
全可編程控制器是接收來(lái)自上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令,包括中心頻點(diǎn)(centerfrequency)設(shè)置、觀測(cè)帶寬(observationbandwidth)設(shè)置、濾波器參數(shù)(filterparameter)設(shè)置、內(nèi)置放大器增益(gain)設(shè)置等,將該命令翻譯為程控捷變收發(fā)器的控制碼,控制程控捷變收發(fā)器的上述相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、更改;同時(shí)接收程控捷變收發(fā)器采集到的數(shù)字信號(hào)流,并將該信號(hào)流上傳至上位機(jī)中;
上位機(jī)集成了觀測(cè)和控制兩種功能;其中觀測(cè)功能為通過(guò)接收前端部分采集得到的數(shù)據(jù),計(jì)算得到流量數(shù)據(jù),并在界面上顯示、存儲(chǔ);控制功能包括:對(duì)程控捷變收發(fā)器各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置:包括中心頻點(diǎn)(centerfrequency)設(shè)置、觀測(cè)帶寬(observationbandwidth)設(shè)置、濾波器參數(shù)(filterparameter)設(shè)置、內(nèi)置放大器增益(gain)設(shè)置等,并將這些參數(shù)作為文件頭一起保存到觀測(cè)文件中。
本裝置在實(shí)際使用中:
首先,通過(guò)上位機(jī)的觀測(cè)頻段與帶寬設(shè)置模塊設(shè)置本次觀測(cè)的相關(guān)參數(shù),如:內(nèi)置放大器增益,中心頻點(diǎn)、觀測(cè)帶寬、濾波器參數(shù)等,其中濾波器參數(shù)包括了阻帶抑制度、帶內(nèi)平坦度及通帶寬度等參數(shù);
然后,開(kāi)始試觀測(cè),留意每個(gè)觀測(cè)頻帶內(nèi)的帶內(nèi)起伏情況,一般說(shuō)來(lái),在沒(méi)有無(wú)線電干擾時(shí)采集數(shù)據(jù)流量平穩(wěn),起伏不大;在受到無(wú)線電干擾時(shí),觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較大起伏;
如遇到上述無(wú)線電干擾情況,通過(guò)上位機(jī)的觀測(cè)調(diào)節(jié)模塊,調(diào)整中心頻點(diǎn)、觀測(cè)帶寬、濾波器參數(shù)等,一直調(diào)整到?jīng)]有無(wú)線電干擾,即:觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)為止。
本發(fā)明的技術(shù)效果:
本發(fā)明具有能夠快速調(diào)節(jié)觀測(cè)中心頻點(diǎn)、帶寬等信息的功能,起到對(duì)無(wú)線電干擾信號(hào)的有效抑制,提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的,同時(shí)達(dá)到了降低設(shè)備設(shè)計(jì)成本等優(yōu)點(diǎn)。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程示意圖;
圖3為帶內(nèi)干擾情況下調(diào)整程控捷變收發(fā)器參數(shù)抑制無(wú)線電干擾信號(hào)的示意圖;
圖4為帶外強(qiáng)干擾情況下通過(guò)調(diào)整程控捷變收發(fā)器參數(shù)抑制無(wú)線電干擾信號(hào)的示意圖;
圖5為在遇到無(wú)線電干擾時(shí)的參數(shù)設(shè)置流程圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明,但本發(fā)明保護(hù)范圍不局限于所述內(nèi)容,如無(wú)特殊說(shuō)明,本裝置中組件為常規(guī)市售產(chǎn)品,按常規(guī)方法使用。
實(shí)施例1:如圖1-5所示,本基于捷變收發(fā)器的快速抗干擾射電天文輻射計(jì)系統(tǒng)包括射電望遠(yuǎn)鏡天線、寬帶低噪聲放大器、程控捷變收發(fā)器、全可編程控制器、上位機(jī);寬帶低噪聲放大器的輸入端與射電望遠(yuǎn)鏡天線的饋源輸出端相連,寬帶低噪聲放大器的輸出端與程控捷變收發(fā)器的輸入端相連,程控捷變收發(fā)器通過(guò)全可編程控制器與上位機(jī)相連;其中上位機(jī)包括:觀測(cè)頻段與帶寬設(shè)置模塊,用于根據(jù)觀測(cè)需要設(shè)置程控捷變收發(fā)器的觀測(cè)帶寬、內(nèi)置放大器增益、中心頻點(diǎn)、濾波器阻帶抑制度、濾波器帶內(nèi)平坦度、濾波器通帶帶寬;觀測(cè)調(diào)節(jié)模塊,用于調(diào)節(jié)程控捷變收發(fā)器的中心頻點(diǎn)、濾波器通帶寬帶、濾波器阻帶抑制度;總功率轉(zhuǎn)化模塊,用于將程控捷變收發(fā)器收集的寬帶數(shù)字信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)化為總功率數(shù)據(jù);存儲(chǔ)模塊,用于總功率結(jié)果及目前的程控捷變收發(fā)器的設(shè)置參數(shù)的存儲(chǔ)。
在系統(tǒng)使用時(shí),首先調(diào)研觀測(cè)頻段的無(wú)線電環(huán)境情況,在確保觀測(cè)頻段不處于無(wú)線電干擾信號(hào)頻段或者臨近頻段,至少保證30mhz以上的無(wú)線電頻段無(wú)明顯無(wú)線電干擾,50mhz無(wú)線電頻段內(nèi)沒(méi)有較強(qiáng)超過(guò)信噪比30db的無(wú)線電干擾信號(hào),通過(guò)上述準(zhǔn)則選取備用的可觀測(cè)頻段,這樣的頻段具有無(wú)線電干擾少,易于程控捷變收發(fā)器微調(diào)工作中心頻點(diǎn)和帶寬、以及濾波器的通帶寬帶和阻帶抑制度等參數(shù);
其次,根據(jù)無(wú)線電環(huán)境的調(diào)研情況,設(shè)置初步的觀測(cè)頻段,可以是一個(gè)或者多個(gè)觀測(cè)頻段,對(duì)于太陽(yáng)射電觀測(cè),需要離散的觀測(cè)多個(gè)窄帶頻段,如:國(guó)家氣象局衛(wèi)星氣象中心石島太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡的工作頻段就是:2801±5mhz、4554±5mhz和9081±5mhz;同時(shí)對(duì)于光變觀測(cè)來(lái)說(shuō),需要一個(gè)較寬的觀測(cè)帶寬,為此需要選定無(wú)線電干擾較少、帶寬較寬的區(qū)域;
目前市售輸入帶寬最寬的捷變收發(fā)器:ad9361、ad9364和ad9371的主要參數(shù)
ad9361和ad9364可以實(shí)現(xiàn)70mhz-6ghz帶內(nèi)任意200khz-56mhz帶寬內(nèi)信號(hào)的觀測(cè),ad9371可以實(shí)現(xiàn)300mhz-6ghz帶內(nèi)任意8mhz-100mhz帶寬內(nèi)信號(hào)的觀測(cè)。
全可編程控制器接收來(lái)自上位機(jī)發(fā)來(lái)的設(shè)置命令,包括中心頻點(diǎn)設(shè)置、觀測(cè)帶寬設(shè)置、濾波器參數(shù)設(shè)置、增益范圍設(shè)置等,將該命令翻譯為程控捷變收發(fā)器的控制碼,控制程控捷變收發(fā)器的上述相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、更改;同時(shí)接收程控捷變收發(fā)器采集到的數(shù)字信號(hào)流,并將該信號(hào)流上傳至上位機(jī)中;在實(shí)際觀測(cè)中,上位機(jī)通過(guò)usb對(duì)全可編程控制器進(jìn)行控制(短距離控制),也可以通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)對(duì)全可編程控制器進(jìn)行控制(遠(yuǎn)程控制方式);
射電天線收集射電源如太陽(yáng)、星系等發(fā)來(lái)微波信號(hào),將空間傳導(dǎo)電磁波轉(zhuǎn)化為介質(zhì)傳導(dǎo)電磁波,其輸出端與寬帶低噪聲放大器的輸入端相連;寬帶低噪聲放大器采用低噪聲設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天線采集信號(hào)的初步放大,同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)噪聲,其輸出端與程控捷變收發(fā)器輸入端相連;
通過(guò)上位機(jī)的觀測(cè)頻段與帶寬設(shè)置模塊設(shè)置本次觀測(cè)的相關(guān)參數(shù),如:中心頻點(diǎn)f、觀測(cè)帶寬b、濾波器參數(shù)、增益g等,其中濾波器參數(shù)包括了阻帶抑制度、帶內(nèi)平坦度及通帶寬度等參數(shù);因?yàn)樽鑾б种贫仍酱笮枰加贸炭亟葑兪瞻l(fā)器內(nèi)部的資源越多,會(huì)產(chǎn)生大量的冗余功耗,為此建議在開(kāi)始觀測(cè)設(shè)置時(shí),沒(méi)有無(wú)線電干擾的情況下不要將阻帶抑制度設(shè)置得太高,在觀測(cè)中如遇干擾再調(diào)整;
然后,開(kāi)始試觀測(cè),留意每個(gè)觀測(cè)頻帶內(nèi)的帶內(nèi)起伏情況,一般說(shuō)來(lái),在沒(méi)有無(wú)線電干擾時(shí)采集數(shù)據(jù)流量平穩(wěn),起伏不大;在受到無(wú)線電干擾時(shí),觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較大起伏;同時(shí)可以采用做功率譜的辦法搜尋觀測(cè)帶內(nèi)是否有干擾信號(hào),和觀測(cè)帶外是否存在較強(qiáng)的無(wú)線電干擾;
如遇到上述無(wú)線電干擾情況,通過(guò)上位機(jī)中的觀測(cè)調(diào)節(jié)模塊,調(diào)整中心頻點(diǎn)、觀測(cè)帶寬、濾波器參數(shù)等,如果在觀測(cè)頻帶內(nèi)出現(xiàn)無(wú)線電干擾的情況下,通過(guò)觀測(cè)調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)程控捷變收發(fā)器的中心頻點(diǎn),將該無(wú)線電干擾移至濾波器的阻帶對(duì)其進(jìn)行抑制;如果在觀測(cè)頻段外出現(xiàn)了無(wú)線電干擾過(guò)強(qiáng)的情況,則通過(guò)觀測(cè)調(diào)節(jié)模塊將阻帶的抑制度增加,抑制住該無(wú)線電干擾信號(hào)。一直調(diào)整到無(wú)線電干擾信號(hào)強(qiáng)度被抑制到噪聲以下,即:觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)為止,即可重新觀測(cè)。
上位機(jī)中的總功率轉(zhuǎn)化模塊將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為功率數(shù)據(jù),另外為了方便數(shù)據(jù)處理,將此時(shí)觀測(cè)帶寬的信息,包括:中心頻點(diǎn)、通道寬度作為文件頭記錄在每個(gè)觀測(cè)文件里。
例如:我們對(duì)太陽(yáng)射電的10.7cm的觀測(cè)頻段為2801±5mhz,開(kāi)始觀測(cè)時(shí)阻帶抑制度為距中心頻點(diǎn)20mhz,20db,距中心頻點(diǎn)50mhz,40db,換言之可以抑制2801±20mhz和2801±50mhz位置信噪比分別為20db和40db,如果在帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào),即在2801±5mhz這個(gè)觀測(cè)頻段內(nèi)發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào),就可以調(diào)節(jié)觀測(cè)中心頻點(diǎn),將干擾信號(hào)移至濾波器的阻帶對(duì)其進(jìn)行抑制;如果發(fā)現(xiàn)在2801±20mhz或者2801±50mhz頻率處發(fā)現(xiàn)信噪比超過(guò)20db和40db,則進(jìn)一步調(diào)節(jié)濾波器的阻帶抑制度,將該無(wú)線電干擾信號(hào)抑制到噪聲以下。