云南天文臺40米射電望遠(yuǎn)鏡S波段總流量觀測系統(tǒng)研制和測試*

劉麗佳，劉 彬，董 亮，彭 勃

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012；2. 中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；3. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明 650011)

近年我國射電天文發(fā)展迅速，已建成多架單天線射電望遠(yuǎn)鏡。在射電天文設(shè)備蓬勃發(fā)展的背景下，開發(fā)天線后端設(shè)備，提高天線性能，積累觀測經(jīng)驗(yàn)顯得尤為重要。目前，國內(nèi)高效開展天文研究的射電天文設(shè)備僅有新疆天文臺南山觀測站的25 m望遠(yuǎn)鏡。為滿足射電天文研究對望遠(yuǎn)鏡的迫切需求，考察云南天文臺40 m天線系統(tǒng)性能，研制新設(shè)備，解決系統(tǒng)不穩(wěn)定及射頻干擾(Radio Frequency Interference, RFI)問題，以提高其觀測性能等工作具有積極意義。

1 40m射電望遠(yuǎn)鏡簡介

云南天文臺40 m射電望遠(yuǎn)鏡建于2006年，是轉(zhuǎn)臺式卡塞格林型天線[1]，位于東經(jīng)102.8°，北緯25.0°，海拔高度1 960 m。目前工作于S、X兩個頻段，承擔(dān)嫦娥工程數(shù)據(jù)接收任務(wù)，參與中國甚長基線干涉測量技術(shù)(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)網(wǎng)觀測[2]。表1給出了40 m射電望遠(yuǎn)鏡的主要數(shù)據(jù)資料[2]。

表1 昆明40 m射電望遠(yuǎn)鏡參數(shù)

該望遠(yuǎn)鏡理論上具有觀測弱射電源的能力，但現(xiàn)有實(shí)測結(jié)果不理想[3]。射電源試觀測結(jié)果顯示流量曲線漂移嚴(yán)重，導(dǎo)致實(shí)測靈敏度與理論值相差較大。射頻干擾測試發(fā)現(xiàn)S波段射電干擾嚴(yán)重影響了正常的射電天文觀測，X波段狀況稍好，先期重點(diǎn)解決S波段問題。

2 設(shè)備研制

針對S波段現(xiàn)有問題，建立新觀測系統(tǒng)需要研制的設(shè)備包括：(1)抗干擾射頻系統(tǒng)，以消除或抑制S波段干擾；(2)K因子輻射計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，解決信號傳輸過程中設(shè)備增益漂移等問題；(3)觀測軟件。

2.1 抗干擾射頻模塊

根據(jù)已得到的S波段頻譜干擾情況，在不改動天線系統(tǒng)原有設(shè)備的前提下，研制新的抗干擾射頻模塊，代替原中頻箱，目的是在惡劣的電磁環(huán)境下盡量抑制干擾，提高望遠(yuǎn)鏡觀測弱信號的能力。新研制的抗干擾射頻模塊主要思想是采用本振頻率為2 142 MHz和中頻通帶為100～400 MHz的新中頻系統(tǒng)，較方便地抑制2 142 MHz干擾；同時采用良好的鏡像濾波器，可抑制1 844 MHz干擾。

如圖1，S波段經(jīng)2 020 MHz混頻得到中頻頻譜，其中最嚴(yán)重干擾為122 MHz，對應(yīng)射頻頻率為2 142 MHz[3]。在2 142 MHz頻點(diǎn)上很難實(shí)現(xiàn)衰減達(dá)30dB的窄帶陷波器。設(shè)計混頻器采用2 142 MHz本振，2 142 MHz干擾頻率混頻后變?yōu)榱阒蓄l，后采用中頻濾波器抑制它的調(diào)制干擾。新射頻模塊前串入原陷波器，2 142 MHz干擾可被抑制50 dB以上。原來存在的另一個176 MHz中頻強(qiáng)干擾是1 844 MHz高頻干擾變頻后產(chǎn)生的。采用2 142 MHz本振后選用100 MHz到400 MHz的中頻。高頻濾波器的帶通范圍為2 242 MHz～2 542 MHz。1 844 MHz與2 242 MHz之間的頻率間隔近400 MHz，此時可保證帶外較大衰減。射頻模塊工作原理見圖2。原中頻箱僅為高放供電，K因子輻射計可調(diào)制噪聲源由新中頻箱驅(qū)動。

圖1 S波段中頻頻譜圖。橫軸為頻率 (MHz)，縱軸為功率 (dBm)。圖中字母標(biāo)出了已知干擾及其頻率值

Fig.1 Observed spectrum of the S band. The X axis is for the frequency range in MHz and the Y axis is for power in dBm.The capital letters from A to J are for the identified radio frequency interferences

2.2 K因子輻射計

云南天文臺40 m望遠(yuǎn)鏡原有系統(tǒng)后端采用傳統(tǒng)輻射計，無法通過注入調(diào)制信號、解調(diào)等方法對包括傳輸線路等系統(tǒng)各部分增益穩(wěn)定性進(jìn)行校準(zhǔn)?？紤]到系統(tǒng)設(shè)備的增益漂移會導(dǎo)致射電源流量曲線嚴(yán)重失真，新建系統(tǒng)決定采用K因子輻射計以解決此問題。

圖2 抗干擾射頻模塊原理圖

Fig.2 Block diagram of the counter-interference module

K因子輻射計的基本設(shè)計思想為：在天線系統(tǒng)前端注入方波調(diào)制的白噪聲信號，與觀測信號耦合后同時輸入低噪聲放大器，經(jīng)過同樣的傳輸路線到K因子輻射計。輻射計內(nèi)部對信號進(jìn)行交直流分流，交流通路為噪聲源校準(zhǔn)信號，直流通路為包含流量信息的強(qiáng)度信號；最終通過二者的比值，扣除天線設(shè)備增益漂移因素，并給出射電源相對強(qiáng)度信息。原理示意圖見圖3。

圖3 K因子輻射計原理示意圖

Fig.3 Block diagram of the radiometer for K-factor measurement

天線輸入信號包括天線溫度Ta、系統(tǒng)噪聲溫度Tr和方波調(diào)制的噪聲溫度ΔT，其中直流分量包括Ta、Tr、ΔT；交流分量包括ΔT。假設(shè)K因子輻射計內(nèi)部直流、交流通路增益相等，為Kc，即：Kd=Ka=Kc。

輻射計輸出電壓直流分量：Vd=aKoKc(Tr+Ta+ΔT)

(1)

交流分量：Va=aKoKcΔT

(2)

式中，a為比例常數(shù)。直流、交流之比K：

K=Vd/Va=(Tr+Ta+ΔT)/ΔT

(3)

射電源流量觀測采用ON/OFF模式，天線指向背景時，

Koff=(Tr+Tb+ΔT)/ΔT

(4)

式中，Tb為天空背景溫度。天線指向射電源時：

Kon=(Tr+Ts+Tb+ΔT)/ΔT

(5)

式中，Ts為射電源溫度。

射電源亮溫度：Ts=ΔT(Kon-Koff)

(6)

上式中，ΔT是已知可設(shè)參量。所以，可以由輻射計輸出的直、交流電壓之比得到因子K，用ON、OFF觀測周期的K因子之差(Kon-Koff)表征射電源的相對強(qiáng)度。比例因子K的引入，即通過觀測信號與校準(zhǔn)信號比值的方式，排除了信號傳輸過程中各設(shè)備的不穩(wěn)定增益漂移情況，從而可以獲得較真實(shí)的射電源流量及其變化信息。獲得射電源真實(shí)流量，可通過已知強(qiáng)度校準(zhǔn)源進(jìn)行流量相對定標(biāo)。

2.3 觀測軟件

為配合新研制的K因子輻射計的工作特點(diǎn)，需開發(fā)專用的觀測軟件。功能包括：單片機(jī)通訊和數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理和記錄模塊。軟件界面如圖4，該軟件人機(jī)交互界面友好、易于操作，長期測試表明具有較高穩(wěn)定性。

2.3.1 單片機(jī)通訊和數(shù)據(jù)采集

獲得觀測數(shù)據(jù)是軟件的基本功能，故單片機(jī)通訊和數(shù)據(jù)采集是軟件開發(fā)的首要任務(wù)和基本目標(biāo)。K因子輻射計包含模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集芯片，由單片機(jī)控制并通過串口協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)。

實(shí)現(xiàn)硬件接口選擇串口R232，傳輸速度為28 800 bps，此速度可滿足5 ms采樣率的數(shù)據(jù)傳輸。對單片機(jī)與計算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議格式進(jìn)行定義，主要包括輻射計狀態(tài)命令、三路電壓數(shù)據(jù)、ONOK/OFFOK指示信號以及Vos偏置電壓信號。

圖4 觀測軟件界面

Fig.4 The interface of the observation software

軟件按協(xié)議規(guī)定，對串口接收的命令包進(jìn)行信息讀取，并通過軟件內(nèi)部模塊之間接口，將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)預(yù)處理及記錄和人機(jī)交互模塊。

2.3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理和記錄

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊接收采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步處理，功能有：

(1)數(shù)據(jù)記錄：VAC、VDC、VS、KS； 其中，KS=VS/VAC實(shí)時計算儲存；

(2)OFF/ON半周期數(shù)據(jù)處理：計算VAC、VDC、KSoff、KSon的平均值、方差，并剔除干擾數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)記錄包括原始數(shù)據(jù)、干擾剔除數(shù)據(jù)和預(yù)處理結(jié)果3部分。原始數(shù)據(jù)和干擾剔除數(shù)據(jù)記錄為ASCII碼的二維表格結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果直接寫入日志文件，包含觀測時間、輸出電壓的平均值、均方根、K因子、數(shù)據(jù)信噪比以及射電源流量。

3 觀測系統(tǒng)測試

3.1 實(shí)驗(yàn)室測試

K因子輻射計和抗干擾射頻模塊研制完成后(設(shè)備照片見圖5)，首先對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真模擬測試，以考察新研制設(shè)備的實(shí)際工作性能和穩(wěn)定性。由噪聲源NS1和精密衰減器連接，用于模擬射電源信號，交流方波調(diào)制噪聲源通過定向耦合器，注入交變噪聲信號后接放大器模擬低噪聲放大器，然后接通中頻箱和K因子輻射計。通過開/關(guān)噪聲源NS1，模擬ON/OFF觀測模式，進(jìn)行射電源的仿真觀測。使用精密衰減器調(diào)節(jié)噪聲信號強(qiáng)度，模擬不同強(qiáng)度射電源的觀測性能。同時考察觀測軟件的數(shù)據(jù)采集和處理情況。實(shí)驗(yàn)室調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)工作正常。仿真系統(tǒng)的唯一不足是所有設(shè)備工作在常溫條件下，無法模擬使用制冷接收機(jī)時的天線系統(tǒng)溫度。

圖5 新研制天線后端設(shè)備照片。(a)K因子輻射計;(b)抗干擾射頻模塊;(c)恒溫噪聲源

Fig.5 Pictures of the newly developed backend devices of the telescope.(a) Radiometer for K-factor measurement; (b) Counter-interference module; and (c) Noise Generator

3.2 系統(tǒng)安裝及調(diào)試

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試后，在40 m望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行實(shí)際安裝調(diào)試，自帶設(shè)備包括K因子輻射計、抗干擾射頻模塊和恒溫噪聲源。設(shè)備安裝示意圖見圖6，抗干擾射頻模塊安裝在天線饋源艙，即高頻室單元，K因子輻射計安裝于觀測室內(nèi)，為室內(nèi)機(jī)箱。室內(nèi)機(jī)箱通過同軸電纜2，驅(qū)動高頻室單元，并為噪聲源提供方波調(diào)制信號；噪聲源直接連接天線制冷高放；高放信號接入高頻室單元，后經(jīng)同軸電纜1傳入室內(nèi)機(jī)箱。

圖6 新設(shè)備安裝示意圖

Fig.6 Block diagram showing the installation of the new devices

新設(shè)備安裝后，S波段頻譜測試見圖7，與圖2相比，帶內(nèi)干擾情況明顯改善。2 142 MHz強(qiáng)干擾被抑制，但弱干擾出現(xiàn)，2 400 MHz附近出現(xiàn)新干擾，懷疑為WIFI無線路由所致。為改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，進(jìn)一步選擇中心頻率為2 342 MHz的30 MHz通帶濾波，帶內(nèi)頻譜見圖8。頻譜效果較好，無明顯干擾。

圖7 S波段頻譜測試圖

圖8 S波段30 MHz帶通頻譜圖

3.3 射電源試觀測

設(shè)備安裝調(diào)試完成后，對射電源進(jìn)行了流量試觀測，以考察新系統(tǒng)的實(shí)際性能。被測源選擇一級校準(zhǔn)源3C295，其S波段流量強(qiáng)度約為14.06 Jy。觀測帶寬30 MHz，中心頻率2 342 MHz，積分時間1 s。數(shù)據(jù)處理方法參考文[3]，觀測得到的ON、OFF序列，計算兩序列平均值之差，即為源的相對流量，單位為mV：

SF=SON-SOFF.

(7)

為便于區(qū)分射電源絕對流量與相對流量，設(shè)SF為觀測所得相對流量，Sf為射電源絕對流量。觀測數(shù)據(jù)信噪比SNR：

SNR=SF/σ.

(8)

校準(zhǔn)源3C295絕對流量Sf由已知星表得到。計算望遠(yuǎn)鏡實(shí)測靈敏度(或最小可測絕對流量)：

(9)

圖9(a)-(d)展示了使用舊系統(tǒng)4次不同觀測所得校準(zhǔn)源3C295流量曲線，橫軸為時間，縱軸為相對強(qiáng)度。積分時間10 s，帶寬200 MHz，在此條件下，系統(tǒng)靈敏度的理論值約為0.02 Jy。根據(jù)(8)和(9)式，實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2。圖10(a)-(d)為新系統(tǒng)觀測3C295流量曲線，橫軸為時間，縱軸為相對強(qiáng)度。積分時間1 s，觀測帶寬30 MHz，在此觀測條件下，系統(tǒng)靈敏度的理論值約為0.17 Jy。根據(jù)(8)和(9)式，實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3。對比可見，舊系統(tǒng)在帶寬、積分時間均有優(yōu)勢的條件下，實(shí)測靈敏度遠(yuǎn)差與理論值相差較多，而新系統(tǒng)實(shí)測靈敏度與理論值相差不大。新設(shè)備觀測，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量有了較大改善。

圖9 3C295 S波段ON/OFF流量曲線-舊系統(tǒng)

Fig.9 The ON/OFF S-band flux curves for 3C295 with the old system

圖10 3C295 S波段ON/OFF流量曲線-新系統(tǒng)

Fig.10 The ON/OFF S-band flux curves of 3C295 with the new system

表2 舊系統(tǒng)測試結(jié)果

表3 新系統(tǒng)測試結(jié)果

4 總結(jié)及展望

本文介紹了基于云南天文臺40 m射電望遠(yuǎn)鏡開展射電源流量觀測系統(tǒng)的建立工作。綜合考慮流量觀測和干擾測試的結(jié)果之后，為提高系統(tǒng)的弱源觀測能力，新研制了天線后端設(shè)備。主要包括抗干擾射頻模塊、K因子輻射計以及觀測和數(shù)據(jù)處理軟件。通過新設(shè)備的研制，給天線實(shí)際觀測性能帶來了明顯改進(jìn)，使得該天線在S波段初步具備了進(jìn)行射電源流量天文觀測的能力。

需要指出的是，射電源試觀測表明系統(tǒng)靈敏度問題基本解決，但較長時間的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題還需要更多的測試和數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。

致謝：感謝設(shè)備設(shè)計、研發(fā)階段紫金山天文臺徐之材先生的悉心指教和幫助。設(shè)備安裝、調(diào)試以及試觀測過程中云南天文臺汪敏、施碩彪老師給予的指導(dǎo)，以及董江、李志玄、徐永華等的大力協(xié)助與配合。

[1]40 m X/S雙頻段天線系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求[S]. 中國科學(xué)院國家天文臺, 2004.

[2]張洪波, 毛佩鋒, 汪敏等. 40 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2008, 5(2): 187-191.

Zhang Hongbo, Mao Peifeng, Wang Min, et al. The 40m radio telescope[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2008, 5(2): 187-191.

[3]劉彬, 李建斌, 董亮, 等. 云南天文臺40 m射電望遠(yuǎn)鏡河外射電源觀測[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2012, 9(1): 7-13.

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