大型射電望遠(yuǎn)鏡電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)

李建斌彭 勃?jiǎng)|亮

大型射電望遠(yuǎn)鏡電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)

李建斌1，2彭 勃1，2劉東亮1

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京100012；2.中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210008）

射電天文的發(fā)展需要更寬的觀測(cè)頻率，但是隨著通訊的不斷發(fā)展，射頻無(wú)線電干擾（Radio Frequency Interference，RFI）對(duì)射電觀測(cè)的影響日益加重，射電望遠(yuǎn)鏡需要選擇電磁環(huán)境優(yōu)良的站址并進(jìn)行保護(hù).文中描述了目前國(guó)內(nèi)在建和預(yù)研階段的望遠(yuǎn)鏡的電磁環(huán)境的測(cè)試過(guò)程，闡述了數(shù)據(jù)分析和處理方法.通過(guò)對(duì)我國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址選擇和保護(hù)進(jìn)行的電磁環(huán)境測(cè)試，優(yōu)選出適合建立大型射電望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址.

射電望遠(yuǎn)鏡；電磁環(huán)境；頻譜監(jiān)測(cè)；選址

引 言

射電天文的發(fā)展規(guī)律是追求探測(cè)更深、成像更清晰以拓展新的發(fā)現(xiàn)機(jī)遇.射電天文學(xué)發(fā)展的動(dòng)力，一方面來(lái)自對(duì)基本問(wèn)題的好奇，另一方面依賴于技術(shù)發(fā)展和方法創(chuàng)新.射電信號(hào)處理的帶寬和頻譜分辨率將有望得到持續(xù)提高.在建和計(jì)劃建設(shè)的射電天文設(shè)備靈敏度遠(yuǎn)高于目前的設(shè)備.無(wú)線電廣播電視，移動(dòng)電話、集群對(duì)講等無(wú)線通信系統(tǒng)和雷達(dá)、無(wú)線電信標(biāo)等使用人造發(fā)射源的業(yè)務(wù)稱為主動(dòng)業(yè)務(wù).目前，各種主動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)射的信號(hào)占用越來(lái)越寬的頻段，對(duì)射電天文的頻率保護(hù)變得越來(lái)越困難.在國(guó)際電聯(lián)的《無(wú)線電規(guī)則》和《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》中，給出了射電天文業(yè)務(wù)的頻率劃分，總帶寬約35GHz，在275GHz以下約占總帶寬的12.5%，包括63條譜線和23個(gè)連續(xù)譜觀測(cè)頻帶［1］.隨著射電天文的發(fā)展，檢測(cè)到更多新的譜線不在被分配的射電天文頻段內(nèi)，在河外星系中，譜線紅移到已分配的頻帶之外.為了避免主動(dòng)業(yè)務(wù)對(duì)射電天文業(yè)務(wù)無(wú)線電干擾，保護(hù)射電天文臺(tái)的電磁環(huán)境，須對(duì)臺(tái)址的電磁環(huán)境進(jìn)行精心測(cè)量，得到詳實(shí)科學(xué)的數(shù)據(jù)，優(yōu)選出最好的臺(tái)址并作為以后進(jìn)行射電天文觀測(cè)和保護(hù)電磁環(huán)境的依據(jù)，延長(zhǎng)射電望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)壽命［2］.

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

站址電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件（包括測(cè)試規(guī)范等）組成，對(duì)每一個(gè)站址都使用同一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，獲得站址電磁環(huán)境的基本情況，便于數(shù)據(jù)分析和比較.

圖1給出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要框圖：天線通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)連接到濾波器和低噪聲放大器，使用數(shù)字頻譜儀后端將信號(hào)數(shù)字化并轉(zhuǎn)化為頻譜，并通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)接入噪聲源作為校準(zhǔn)使用.

圖1 頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)要框圖

1.2測(cè)試規(guī)劃

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頻率范圍為80MHz～13GHz.為覆蓋方位360°的范圍，在測(cè)試天線的半功率角度范圍內(nèi)需進(jìn)行一次頻譜數(shù)據(jù)采集［3］.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是羅德施瓦茨（RS）公司的HL033和HL050天線，HL033在360°范圍內(nèi)需要改變指向4次；HL050在360°范圍內(nèi)需要改變指向6次.所有的測(cè)量頻段覆蓋4個(gè)或6個(gè)方向和兩個(gè)極化.對(duì)于每一個(gè)指向、極化、頻段，掃描時(shí)間為400ms，重復(fù)次數(shù)為5 000次.每次更換頻段或天線極化進(jìn)行噪聲源開(kāi)、關(guān)、接入天線三步測(cè)量校準(zhǔn)［4］.包括校準(zhǔn)和準(zhǔn)備階段，一次完整監(jiān)測(cè)過(guò)程需要4.3d.若要在測(cè)試中得到更大靈敏度，可在每段測(cè)試設(shè)置中增加積分時(shí)間，但受限于每次監(jiān)測(cè)能得到的有效工作時(shí)間［5］.

2 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

描述了在頻譜監(jiān)測(cè)中用到的校準(zhǔn)方法和主要的信號(hào)處理過(guò)程，包括系統(tǒng)增益、噪聲溫度、天線增益等的校準(zhǔn)方法和有關(guān)說(shuō)明.

2.1增益校準(zhǔn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的增益可以用噪聲源接入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)／關(guān)測(cè)試得到，該過(guò)程需要3步：1）關(guān)噪聲源進(jìn)行一次測(cè)量；2）開(kāi)噪聲源進(jìn)行一次測(cè)量；3）將天線連入射頻鏈路進(jìn)行一次測(cè)量.這個(gè)過(guò)程需要知道噪聲源的輸出功率，該功率是噪聲源的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以超噪比（REN）的形式給出，由設(shè)備制造商在出廠時(shí)標(biāo)定給出.噪聲源的REN表示為

式中：F是噪聲系數(shù)；Y稱為Y因子，是噪聲源開(kāi)時(shí)的頻譜儀得到的測(cè)量值Pon和噪聲源關(guān)閉時(shí)的頻譜儀得到的測(cè)量值Poff之比：

噪聲源的噪聲溫度為

式中：Thot是噪聲源的噪聲溫度（以K為單位，下同）；Tamb是環(huán)境溫度.給定環(huán)境溫度，知道REN的值，測(cè)量可得Y，由公式（1）、（2）、（3）得到Thot

Trec表示包括射頻開(kāi)關(guān)、濾波器、低噪聲放大器、頻譜儀等部件且不含天線的接收部分總噪聲溫度，Thot是噪聲源開(kāi)的噪聲源溫度，Tcold是噪聲源關(guān)的噪聲源溫度，Tant為天線溫度，Tsys是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括天線的整體溫度.天線接入測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，頻譜儀上得到的功率譜密度用Psys表示.當(dāng)噪聲源關(guān)閉接入系統(tǒng)時(shí)，頻譜儀得到的功率譜密度用Pcold表示；噪聲源開(kāi)接入系統(tǒng)時(shí)，頻譜儀得到的功率譜密度用Phot表示.Ge為不包括天線的系統(tǒng)電增益，波爾茲曼常數(shù)k＝1.38×10－23JK－1.則通過(guò)三步校準(zhǔn)測(cè)試得到以下關(guān)系式：

Phot、Pcold、Psys在實(shí)際測(cè)量中得到，噪聲源的Tcold就是其所處的環(huán)境溫度，由公式（5）、（6）、（7）可推知Ge、Tant和Trec.由公式（5）、（6）可得到系統(tǒng)電增益Ge為

2.2系統(tǒng)噪聲溫度校準(zhǔn)

通過(guò)校準(zhǔn)得到系統(tǒng)增益和噪聲溫度的過(guò)程也可對(duì)射頻鏈路的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查.由測(cè)試校準(zhǔn)可推知系統(tǒng)溫度Tsys、接收部分溫度Trec和天線溫度Tant.系統(tǒng)溫度包括天線溫度和接收部分溫度為

公式（8）得到增益Ge，由測(cè)量得到Psys，Tcold為環(huán)境溫度，使用公式（5）可以得到接收機(jī)溫度Trec

由式（7）、（9）可得系統(tǒng)溫度為

使用式（7）、（10）得到天線溫度為

無(wú)線電干擾信號(hào)會(huì)影響噪聲溫度估算，因?yàn)楦蓴_信號(hào)將使測(cè)試到的Psys在干擾頻率上出現(xiàn)增高的情況，使用合適的濾波器或在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行可以使校準(zhǔn)更加準(zhǔn)確.

2.3天線增益

各向同性天線有效面積（m2）由下式給出

λ（m）是觀測(cè)頻段的波長(zhǎng)，入射電磁波的場(chǎng)強(qiáng)與線天線的電壓之比定義為天線因子［6］.線天線的天線因子如下定義

式中：z0為空間阻抗120π；z是線天線的阻抗；D是天線的方向因子.實(shí)際使用中，常將天線因子AF用對(duì)數(shù)形式給出：

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用RS公司的HL033和HL050天線，均為對(duì)數(shù)周期天線.80MHz～1.26GHz頻段使用HL033天線，1.26～13GHz頻段使用HL050天線.天線HL033有6～7dBi的增益，HL050有7～8.5dBi的增益，頻段中間各頻點(diǎn)的天線增益以內(nèi)插的方法得到.天線的有效面積Aeff（m2）由下式確定［7］

式中：λ是各測(cè)量頻率的波長(zhǎng)；Gant為天線增益.

2.4流量較準(zhǔn)

Psys（W／Hz）是頻譜儀監(jiān)測(cè)的功率譜密度，k為波爾茲曼常數(shù)

亦可以用天線有效口徑面積Aeff和功率譜流量密度Ψsys（W／m2Hz）表示Psys

由式（17）、（18）可推出

聯(lián)立公式（11）和（19），功率譜流量密度Ψsys可以由下式給出

一個(gè)完整的測(cè)試和數(shù)據(jù)處理流程：設(shè)置各頻段任務(wù)，測(cè)試各頻段的儀表響應(yīng)是否正確；對(duì)每一頻段任務(wù)進(jìn)行噪聲源的開(kāi)關(guān)和接入天線測(cè)試各5min，并考慮分辨率帶寬設(shè)置在頻譜儀上得到Psys、Phot、Pcold，結(jié)合噪聲源的超噪比，由公式（8）得到系統(tǒng)增益Ge；對(duì)每一頻段任務(wù)進(jìn)行測(cè)試，頻譜儀得到各頻點(diǎn)的功率譜密度Psys；根據(jù)天線的增益由公式（16）按頻率內(nèi)插得到各頻點(diǎn)天線有效面積Aeff；由公式（20）計(jì)算得到每一頻點(diǎn)的譜流量密度Ψsys，并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù).

3 測(cè)試點(diǎn)基本情況

本輪選址歷時(shí)兩年多，進(jìn)行了多次監(jiān)測(cè)任務(wù).為預(yù)研階段的CHINA－ART的80m口徑射電望遠(yuǎn)鏡陣列的候選臺(tái)址和立項(xiàng)階段的新疆110m射電望遠(yuǎn)鏡候選臺(tái)址進(jìn)行電磁環(huán)境測(cè)試，數(shù)據(jù)處理后形成選址報(bào)告，為科學(xué)選址、保護(hù)射電天文業(yè)務(wù)提供科學(xué)依據(jù).

下面給出了3個(gè)典型的候選臺(tái)址測(cè)試點(diǎn)的部分電波環(huán)境數(shù)據(jù).3個(gè)臺(tái)址分別位于新疆（站址1，測(cè)試時(shí)間2012年9月）、吉林（站址2，測(cè)試時(shí)間2011年11月）和云南（站址3，測(cè)試時(shí)間2013年12月），均為四面環(huán)山且遠(yuǎn)離城市的臺(tái)址.

4 測(cè)試結(jié)果與分析

垂直軸作圖［8］.為了顯示方便，下面各圖只將各頻段的最差情況表示出來(lái).

水平軸為頻率，以每個(gè)測(cè)試角度的積分后的干擾信號(hào)的功率譜流量密度Ψsys（dBW／m2Hz）的值為

圖2 三站址在300～620MHz頻段上的比較

圖3 三站址在620～940MHz頻段上的比較

圖4 三站址在1 260～1 580MHz頻段上的比較

圖5 三站址在1 580～1 900MHz頻段上的比較

考慮到各站址處于大山深處，無(wú)線電業(yè)務(wù)本身很少，超過(guò)1 900MHz的干擾亦較少.所以重點(diǎn)比較1 900MHz以下主要射電業(yè)務(wù)所在頻段的干擾情況，從測(cè)試得到結(jié)果來(lái)看：三個(gè)站址均擁有較為優(yōu)良的電磁環(huán)境，相比較而言站址3更為優(yōu)良，尤其是在當(dāng)前已大不如昔的低頻頻段，且該站址位于大山深處，目前已建立自然保護(hù)區(qū)，容易建立射電寧?kù)o保護(hù)區(qū).

［1］ ITU－R.R769.2Protection Criteria Used for Radio Astronomical［S］，2003.

［2］ 李建斌，彭 勃.一萬(wàn)個(gè)科學(xué)難題天文卷：射電望遠(yuǎn)鏡干擾免疫技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：923－926.

［3］ Netherlands Institute for Radio Astronomy.SKA Spectrum Monitoring Plan for Candidate Sites［R］.Dwingeloo：Astron，2004.

［4］ Netherlands Institute for Radio Astronomy.RFI Measurement Protocol for Candidate SKA Sites［R］.Dwingeloo：Astron，2003.

［5］ National Astronomical Observatories of China.SKA Site Spectrum Monitoring（Sssm）Data Summary Report［R］.Beijing：NAOC，2005.

［6］ KRAUS J D，MARHEFKA R J.天線（上冊(cè)）［M］.章文勛，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2004：322－325.

［7］ ROHLFS K，WILSON T L.射電天文工具［M］.姜碧溈，譯.北京：北京師范大學(xué)出版社，2008：115－117.

［8］ 李建斌，彭 勃，孫建民，等.射電天文站電磁環(huán)境測(cè)量方法及分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（3）：523－528.

LI Jianbin，PENG Bo，SUN Jianmin，et al.Measurement method and analysis of electromagnetic environment in radio astronomic observatories［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（3）：523－528.（in Chinese）

［9］ 王綬琯，吳盛殷，崔振興，等.射電天文方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

Site spectrum monitoring of electromagnetic environment for large radio telescopes

LI Jianbin1，2PENG Bo1，2LIU Dongliang1
（1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing100012，China；2.Key Laboratory of Radio Astronomy，Chinese Academy of Sciences，Nanjing Jiangsu 210008，China）

The development of radio astronomic observations requires increasingly wide frequency band.However，with the continuous development of radio communication system，the radio frequency interference（RFI）has also become a curial factor which requires the sites for radio telescopes to be checked carefully for the RFI.In this paper，a method of data analysis and processing for the electromagnetic environments test is built，with which the results are presented for those telescopes that are under construction and those are in the preparatory phase.Lots of campaigns have been carried out to find excellent electromagnetic environment for the telescope site，it concludes that those sites with good electromagnetic environment conditions should be well protected.

radio telescope；electromagnetic environment；spectrum monitoring；candi－date site

X837；P161.4

A

1005－0388（2015）02－0378－05

李建斌（1971－），男，陜西人，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)高級(jí)工程師，中國(guó)通信學(xué)會(huì)電磁兼容分會(huì)委員，主要從事系統(tǒng)間電磁干擾分析、電波監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制的研究.

彭 勃（1964－），男，湖南人，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員，博士，中國(guó)電子學(xué)會(huì)射電分會(huì)主任委員，主要從事射電變?cè)吹难芯?

劉東亮（1983－），男，河北人，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)高級(jí)工程師，博士，主要從事射電接收機(jī)的研究.

李建斌，彭 勃，劉東亮.大型射電望遠(yuǎn)鏡電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（2）：378－382.

10.13443／j.cjors.2014050501 LI Jianbin，PENG Bo，LIU Dongliang.Site spectrum monitoring of electromagnetic environment for large radio telescope［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：378－382.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014050501

2014－05－05

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.11073027，No.11261140641）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目計(jì)劃（No.2013CB837900）；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（KJZD－EW－T01）

聯(lián)系人：李建斌E－mail：lijb＠bao.ac.cn