CN109888514B - 一种快速定标射电望远镜接收机及定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速高效的射电望远镜接收机，以及基于这种接收机的快速定标方法。用全可编程片上***软件将射频捷变接收机的本振频率切换至以观测中心频率f0为中心、左右对称的频率点f0±Δf，并将输出功率的平均值作为***在f0处的噪声功率P′sys；将接收机的本振频率切换回f0，短路接收机输入端，输入置零，并将此时的输出作为接收机噪声输出功率P′rec；在接收机的输入端注入功率为Pcal的白噪声，若此时接收机的输出功率为P′cal，则将记为增益系数；当用望远镜和射频捷变接收机观测中心频率为f0的射电源时，若接收机的输出功率为P′x，则经过定标的射电望远镜输入功率为 本发明实现了快速、精确的定标，提高了望远镜的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速高效的射电望远镜接收机，以及基于这种接收机的快速定标方法，属于仪器仪表技术领域。
技术背景
通过大型射电望远镜采集和测量天体(射电源)所发射的射电信号，并进而推断这些射电源的基本物质构成和辐射激发温度、例子密度物质运动区的速度场、磁感应强度等基本信息，在天体物理研究中具有重要的意义。上述研究的基础，是对望远镜得到的射电信号的频谱进行精确的定量分析。
但在实际测量中，不同射电望远镜/接收机的有效接收面积、接收机的灵敏度和噪声水平都不相同，在观测同一个射电源时得到的电磁辐射强度是不相同的；即使是使用同一个射电望远镜对射电源进行多次观测时，也会由于温度、俯仰角和观测时间的不同，造成观测到的电磁辐射强度有所不同。这也就意味着无法直接得到观测对象的绝对亮度和流量，也就无法展开定量分析。为得到射电源精确的绝对亮度和流量，每次观测都需要对***进行繁琐、耗时的“定标”处理。所谓“定标”，是指将射电望远镜接收到的电磁辐射强度变换为射电源的绝对亮度/流量或其他相关的物理量的处理过程。一般定标方法分为“位置切换法”和“频率切换法”法两种。两种方法的思路相同，即在每次观测之前，确定当前接收面积、温度、俯仰角等物理参数条件下，接收机输出强度和射电源绝对亮度/流量之间的数学函数关系(即参数大小)。
但大型射电望远镜是大型科研仪器，承担了繁重的观测和通信任务，其观测时间非常珍贵。传统定标方式需要多次频繁更换本振和滤波器设备，并通过非线性模型补偿不同本振、滤波器，以及接收面积、温度、俯仰角等物理量变化带来的影响，是一个繁琐、费时的过程。
中国专利申请号ZL201510501817.1“基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台”、ZL201820338917.6和ZL201810203828.5“基于捷变收发器的射电天文谱线观测***”，公开了一种基于捷变收发器的射电谱线观测***/平台。该观测***/平台利用捷变收发器AD936X能够快速切换本振频率的特点，实现了***噪底的测量，见ZL201810203828.5[0045]-[0048]自然段。但***的整体定标方法则沿用了德国作者K.Rohlfs等(姜碧沩译,射电天文工具[M],北京师范大学出版社(2008),p146-152)的方法，用在经典教科书中给出的非线性定标模型进行整体定标。
从Analog Device Inc.,RF捷变收发器AD9361[OB/OL],www.analog.com，2013，可以知道射频捷变收发器接收机增益在观测范围内非常平坦。需要观测射电谱线带宽通常在1MHz以内，带内增益波动可口控制在0.1dB以内，远小于接收机的量化噪声。
公开文献Xilinx Inc.,Zynq-7000 All Programmable SoC Overview[OB/OL],www.xilinx.com,2013，介绍了一种全可编程片上***(APSoC),集成了Program Logic(简称PL部分)和Program System(简称PS部分)，以及连接上述二者的高性能总线AXI(AdvanceeXtend Interface)。
发明内容
本发明的目的旨在通过全可编程片上***和射频捷变技术的结合，提供一种在降低射电望远镜的定标时间的同时能保持定标精度的快速定标射电望远镜接收机。
本发明的另一目的在于提供一种基于这种接收机的快速定标方法。
本发明所述的快速定标射电望远镜接收机由射电望远镜射频电缆线、标准功率白噪声发生器、短路器、程控射频开关、低噪声放大器、射频捷变接收器以及全可编程片上***构成；其中标准功率白噪声发生器、短路器分别通过射频电缆连接到程控射频开关的输入端，射电望远镜射频电缆线的一端与射电望远镜连接，另一端连接到程控射频开关的输入端，射频开关的输出端通过射频电缆连接到低噪声放大器的输入端，低噪声放大器输出端通过射频电缆连接到射频捷变接收器的输入端，射频捷变接收器输出的数据通过高速数字接口连接到全可编程片上***PL部分的输入端，全可编程片上***的PS部分通过串口控制线连接到射频捷变接收器和程控射频开关的控制接口。
所述的射电望远镜接收机还可以设有键盘和显示器，全可编程片上***的PS部分通过串口控制线分别连接键盘和显示器。
本发明所述的射电望远镜接收机的快速定标方法包括以下步骤：
一、用全可编程片上***软件将射频捷变接收机的本振频率切换至以观测中心频率f0为中心、左右对称的频率点f0±Δf，并将输出功率的平均值作为***在f0处的噪声功率P′sys；
二、将接收机的本振频率切换回f0，短路接收机输入端，输入置零，并将此时的输出作为接收机噪声输出功率P′rec；在接收机的输入端注入功率为Pcal的白噪声，若此时接收机的输出功率为P′cal，则将记为增益系数；
三、当用望远镜和射频捷变接收机观测中心频率为f0的射电源时，若接收机的输出功率为P′x，则经过定标的射电望远镜输入功率为
本发明所述的快速定标射电望远镜接收机通过高度灵活的全可编程片上***(APSoC，All Programmable System on Chip)，能够快速的切换接收机的输入信号源以及射频捷变***的本振频率。使得本快速定标射电望远镜接收机在短时间内可以用线性模型简化(姜碧沩译,射电天文工具[M],北京师范大学出版社(2008),p146-152)给出的非线性定标模型。即使望远镜输入功率和接收机输出功率之间具有如下对应关系。
其中P′x为接收机的输出功率，为望远镜的实际输入功率的估计，a为带定标的线性增益系数，b为观测***的偏置系数。
影响(1)式中a的主要因素是望远镜的转化效率η和接收机***的增益。
a＝η×GIF×GRF (2)
其中，GRF是射部分的增益等定标频段***频增益的平均值GIF是中频部分的增益，η是望远镜转化效率。
影响(1)式中b的主要因素是无法去除的***噪声。它无法预测，且会随温度、时间变化，只能由测量直接去除。为方便量纲同一，将其表述为等效功率。
Psys＝Pbg+Patm+Pspill+Psw+Ploss+Prec (3)
其中，Pbg是来自于微波背景和宇宙的辐射，Patm来自大气的辐射，Pspill来自地面的辐射，Psw是驻波带来的噪声(一般来自二次聚焦的情况)，Ploss是馈源损耗带来的噪声，Prec是来自接收机的噪声。
K.Rohlfs等所述的传统定标方法认为，η、GRF、GIF和***噪声Psys都会随观测中心频率f0、时间、温度和望远镜俯仰角等因素变化，且定标时需要切换不同的本振和滤波器模块，其增益平坦度无法得到保证。因此K.Rohlfs等的7.2小节采用了复杂非线性模型，而非(1)式的线性模型，所需定标时间自然也会随之增长。
背景技术中的三项专利申请采用了捷变收发器平台，能够切换本振频率，但定标算法上需要搜索寻找“宁静的频带”作为计算噪底的基准(ZL201820338917.6的[0067]自然段)，大大降低了定标速度，使得增益a和***噪声随温度、时间的变化无法忽略。因此后两项专利申请仍然采用经典的非线性校准模型来进行整体定标。
采用(1)式描述的线性定标模型能够简化了标准的非线性定标过程，从而缩短了定标时间。为采用(1)所示的线性定标模型，本发明所述的方法采取了以下措施：首先，固定了噪底计算偏移频率，以降宁静频点搜索的速度；其次，利用了本发明所述的射电望远镜接收机的射频捷变技术+全可编程片上***的结构，一方面射频捷变***在接收带宽内非常平坦，另一方面全可编程片上***快速的切换接收机的输入信号源以及射频捷变***的本振频率。
所述的快速定标射电望远镜接收机的线性定标方法中所述的全可编程片上***(APSoC)和射频捷变收发器(RF Agile Transceiver)取自现有技术(公开文献XilinxInc.,Zynq-7000 All Programmable SoC Overview[OB/OL],www.xilinx.com,2013)。其中全可编程片上***是集成了Program Logic(简称PL部分)和Program System(简称PS部分)，以及连接上述二者的高性能总线AXI(Advance eXtend Interface)的新型片上***。其中PL部分是由可编程逻辑器件实现的，在本***中能够接受射频捷变***发来的高速观测结果。PS部分则由双核的应用处理器构成，在本***中负责控制定标流程，并通过控制接口控制程控射频开关和本振频率。
射频捷变收发方案采用3D半导体工艺，在单个硅片上实现了可编程的模拟下变频，滤波和数字化功能电路。可以通过控制软件方便、快速的实现70MHz-6GHz范围内的本振频率切换，且在上述频段内具有非常平坦的增益，为改进频率切换法实现高效、精确的定标提供了物质支持。
与背景技术中的三项专利申请以及K.Rohlfs等所述的传统射电望远镜定标方式不同，本发明内容主要包括：
在测量***噪声功率P′sys时，没有采用ZL201820338917.6的[0032]自然段公开的方法，寻找/监测“宁静的通带”，而是直接将偏离±Δf(Δf为固定值，一般等于1MHz)的频点处的功率平均值作为噪声功率P′sys。这充分利用了射电天文谱线观测带宽小于1MHz的特点，且由于偏移频率很小，带来了以下优势：其一，保证了接收机***的线性，是使用(1)式所示的线性定标模型缩短定标时间的基础。其二，省去了捷变收发器本振频率扫描/搜索整个观测频带的时间，可以直接设置和测量得到P′sys，进一步降低了定标时间。本方法虽不能像ZL201820338917.6的[0067]自然段所述的“避免无线电干扰”，但若在观测频点±Δf范围内存在无线电干扰，则在中心频率f0处，针对射电源进行的观测亦无法顺利进行。也就是说，在此处定标是没有意义的。
为通过灵活本振频率和输入信号切换，实现高效的定标过程，本发明所述的快速定标射电望远镜接收机***使用全可编程片上***作为主控器。全可编程片上***通过可编程逻辑(PL部分)和控制计算机(PS部分)的AXI总线高速耦合，能够在PL高速接收数字信号的同时，用PS部分快速改变本振频率和输入信号切换。进一步使定标速度高于背景技术中三项专利申请所述的***。
通过全可编程片上***控制本发明所述的射电望远镜接收机的程控射频开关，实现接收机信号的自动切换：在零输入功率下，测量接收机噪声输出功率P′rec；在标准输入功率Pcal下测量接收机输出功率P′cal，并进而通过(1)所示的线性模型估计接收机增益并将其作为***增益K；当将程控射频开关切换至望远镜输入时，若观测频点的接收机输出功率为P′x，可以通过线性估计模型得到的定标结果为/>ZL201820338917.6的[0036-0053]只给出噪底计算方法，无法直接进行快速定标。
由于线性定标模型和全可编程片上***的引入，将传统方法定标的时间从数十分钟降低到10ms左右。使得(2-3)式中由温度、时间、俯仰角等因素变化带来的非线性因素大大降低，这进一步提高了(1)式所示的线性定标模型的准确性。使得实际使用中，本发明的线性模型参数定标的精度甚至显著高于K.Rohlfs等中所采用的复杂非线性模型的定标精度。
本发明在射频捷变技术和全可编程片上***技术的基础上，利用线性校准模型，实现了快速、精确的定标，提高了望远镜的利用效率。本发明的有益效果在于：1、本发明在L和C波段，实现快速、精确的频率定标。用线性定标模型取代复杂的非线性定标过程，将每次观测前的定标时间控制在10ms内，延长了大型射电望远镜的实际观测时间；2、有效的缩短了定标和实际观测之间的时长，避免了这段时间内的温度等环境因素变化对定标精度的影响；3、将观测人员从频繁地攀爬大型望远镜，手工操作设备的繁重工作中解脱出来；且避免了对设备的频繁插拔，有效的延长了设备寿命。
附图说明
图1为本发明所述的快速定标射电望远镜接收机的定标和测量流程。
图2为本发明所述的快速定标射电望远镜接收机结构示意图。
图2中：A-射电望远镜，1-射电望远镜输出射频电缆线、2-标准功率白噪声发生器、3-短路器、4-程控射频开关、5-低噪声放大器、6-射频捷变接收器、7-全可编程片上***、8-显示器、9-键盘。→为射频信号线为控制信号线，/>为高速数字信号连接。
具体实施方法
本实施例所述的快速定标射电望远镜接收机如图2所示，由射电望远镜射频电缆线1、标准功率白噪声发生器2、短路器3、程控射频开关4、低噪声放大器5、射频捷变接收器6以及全可编程片上***7构成；其中标准功率白噪声发生器2、短路器3分别通过射频电缆连接到程控射频开关4的输入端，射电望远镜射频电缆线1的一端与射电望远镜连接，另一端连接到程控射频开关4的输入端，射频开关4的输出端通过射频电缆连接到低噪声放大器5的输入端，低噪声放大器5输出端通过射频电缆连接到射频捷变接收器6的输入端，射频捷变接收器6输出的数据通过高速数字接口连接到全可编程片上***7的PL部分的输入端，全可编程片上***7的PS部分首先通过串口控制线连接到射频捷变接收器6和程控射频开关4的控制接口，其次还连接到键盘9和显示器8。全可编程片上***7的左侧为PL部分，右侧为PS部分。
每次使用射电望远镜进行观测之前都需要对接收机进行定标。观测人员通过图2所示的显示器8和键盘9向全可编程片上***7的PS部分输入观测对象(射电源)的中心频率f0，随后图2所示的接收机***将快速的自动完成定标过程：
全可编程片上***7的PS部分首先通过串口控制线向射频捷变接收器6发送频率切换命令，将其本振频率分别切换到f0±1MHz，全可编程片上***7的PL部分通过高速数字接口接收射频捷变接收器6在这两个本振下的输出数字信号，计算功率，并将得到的输出功率的平均值作为***在f0处的噪声功率P′sys；全可编程片上***7的PS部分随后又通过串口控制线向射频捷变接收器6发送频率切换命令，将其本振频率切换回f0；全可编程片上***7的PS部分通过串口控制线通过串口控制线向程控射频开关4发送信号通路切换信号，将整个接收机的输入连接到短路器3；全可编程片上***7的PL部分通过高速数字接口接收射频捷变接收器6在短路输入下的输出信号，计算功率，并将得到的功率作为接收机的噪声输出功率P′rec；全可编程片上***7的PS部分通过串口控制线通过串口控制线向程控射频开关4发送信号通路切换信号，将整个接收机的输入连接到标准功率白噪声发生器2；全可编程片上***7的PL部分通过高速数字接口接收射频捷变接收器6在标准输入功率Pcal下的输出信号，计算功率，并将得到的功率作为接收机的噪声输出功率P′cal；全可编程片上***7的PS部分计算并将其作为接收机增益的估计值；全可编程片上***7的PS部分通过串口控制线通过串口控制线向程控射频开关4发送信号通路切换信号，将整个接收机的输入连接到射电望远镜A；全可编程片上***7的PL部分通过高速数字接口接收射频捷变接收器6得到的射电望远镜输出的信号，若计算得到的功率为P′x，则PS部分可进一步得到经过定标的望远镜输入功率为/>
Claims (3)
1.一种快速定标射电望远镜接收机的定标方法，其特征在于接收机由射电望远镜射频电缆线(1)、标准功率白噪声发生器(2)、短路器(3)、程控射频开关(4)、低噪声放大器(5)、射频捷变接收器(6)以及全可编程片上***(7)构成；其中标准功率白噪声发生器(2)、短路器(3)分别通过射频电缆连接到程控射频开关(4)的输入端，射电望远镜射频电缆线(1)的一端与射电望远镜A连接，另一端连接到程控射频开关(4)的输入端，射频开关(4)的输出端通过射频电缆连接到低噪声放大器(5)的输入端，低噪声放大器(5)输出端通过射频电缆连接到射频捷变接收器(6)的输入端，射频捷变接收器(6)输出的数据通过高速数字接口连接到全可编程片上***(7)PL部分的输入端，全可编程片上***(7)的PS部分通过串口控制线连接到射频捷变接收器(6)和程控射频开关(4)的控制接口；其快速定标方法包括以下步骤：
一、用全可编程片上***软件将射频捷变接收机的本振频率切换至以观测中心频率f0为中心、左右对称的频率点f0±Δf，并将输出功率的平均值作为***在f0处的噪声功率P′sys；
二、将接收机的本振频率切换回f0，短路接收机输入端，输入置零，并将此时的输出作为接收机噪声输出功率P′rec；在接收机的输入端注入功率为Pcal的白噪声，若此时接收机的输出功率为P′cal，则将记为增益系数；
三、当用望远镜和射频捷变接收机观测中心频率为f0的射电源时，若接收机的输出功率为Px，则经过定标的射电望远镜输入功率为
2.如权利要求1所述的快速定标射电望远镜接收机的定标方法，其特征在于接收机设有键盘(9)，全可编程片上***(7)的PS部分通过USB线与键盘(9)连接。
3.如权利要求1所述的快速定标射电望远镜接收机的定标方法，其特征在于接收机设有显示器(8)，全可编程片上***(7)的PS部分通过HDMI线)显示器(8)连接。
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