射電日像儀系統(tǒng)增益校準(zhǔn)方法研究

李沙等

摘 要： 提出了一種基于[Y]因子法對(duì)射電日像儀低頻陣天線進(jìn)行系統(tǒng)增益校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)校準(zhǔn)的基本方法及構(gòu)架進(jìn)行了詳細(xì)介紹，給出了射電日像儀低頻陣和高頻陣天線陣列的UV覆蓋圖，并利用寧靜太陽作為校準(zhǔn)源，采用標(biāo)校源測(cè)試方法，對(duì)低頻陣天線增益進(jìn)行了測(cè)試標(biāo)校，并給出了初步結(jié)果，同時(shí)用數(shù)據(jù)分析其可行性及校準(zhǔn)誤差。

關(guān)鍵詞： 幅度校準(zhǔn)； 幅度一致性； 幅度穩(wěn)定度； 幅度誤差

中圖分類號(hào)： TN82?34； P111.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）21?0142?03

Study on gain calibration method of CSRH

LI Sha， YAN Yihua， CHEN Zhijun， WANG Wei， LIU Donghao

（Key Laboratory of Solar Activity， National Astronomical Observatories， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100012， China）

Abstract： In this paper， a [Y] factor method is proposed for the gain calibration experiment of LF array antenna on CSRH， whose basic approach and framework are introduced in detail. The UV coverage diagrams of CSRH?I and CSRH?Ⅱare given. The gain of CSRH?I was tested and calibrated by taking quiet sun as calibration source and using the method of calibration source test. The preliminary results are offered. The feasibility and calibration error are analyzed with the relative data.

Keywords： amplitude calibration； amplitude consistency； amplitude stability； amplitude error

0 引 言

“新一代厘米?分米波射電日像儀”（Chinese Spectral Radio Heliograph，CSRH）是觀測(cè)太陽專用的射電望遠(yuǎn)鏡，通過觀測(cè)太陽，對(duì)日面進(jìn)行多層次觀測(cè)，并根據(jù)觀測(cè)太陽活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，探測(cè)日冕大氣[1]，從而了解日冕大氣的動(dòng)力學(xué)過程。具體的科學(xué)目標(biāo)包括：瞬變高能現(xiàn)象，日冕磁場(chǎng)，太陽大氣結(jié)構(gòu)，太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射的源區(qū)特性。為實(shí)現(xiàn)觀測(cè)太陽成像的高空間分辨率，采用綜合孔徑成像技術(shù)[2]對(duì)源進(jìn)行觀測(cè)。

1 CSRH日像儀介紹

CSRH日像儀系統(tǒng)由100面拋物面天線組成[3]， CSRH一期工程（CSRH?Ⅰ）是由40面口徑為4.5 m，0.4～2 GHz拋物面天線組成，CSRH二期工程（CSRH?Ⅱ）是由60面口徑為2 m，2～15 GHz拋物面天線組成。中心天線編號(hào)IA0，其余99面天線以每臂33面天線成3臂螺旋形排布[4]，天線采用拋物面主焦式天線接收太陽信號(hào)。CSRH?Ⅰ陣列和CSRH?Ⅱ陣列UV覆蓋圖如圖1所示，圖1中[U]和[V]表示的是成圖坐標(biāo)系下的頻率分量。從圖像后處理和去卷積的角度考慮，螺旋臂形式的UV覆蓋方位分布均勻，徑向密度成高斯分布，能得到較好的源圖像。

2 綜合孔徑合成原理簡介

綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡（Aperture Synthesis Radiotelescope）是一種運(yùn)用綜合孔鏡成像原理將觀測(cè)源成像的射電源望遠(yuǎn)鏡[5]。從1954年布萊思按照賴爾提出的方案，建造了第一臺(tái)綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡到現(xiàn)在，綜合孔徑成像已經(jīng)發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)。CSRH系統(tǒng)采用綜合孔徑成像技術(shù)，它是在干涉儀的基礎(chǔ)上，把多個(gè)口徑比較小的望遠(yuǎn)鏡綜合成一架大的望遠(yuǎn)鏡，利用傅里葉變換原理正確成像[6]。傅里葉級(jí)數(shù)各項(xiàng)值分別表示源亮度在不同方向、不同空間頻率上的成分。根據(jù)干涉原理，空間頻率直接取決于基線長度，方向取決于基線方向，因此使用不同基線觀測(cè)同一個(gè)源，每條基線測(cè)出某方向、某頻率上的一個(gè)成分，將各天線信號(hào)做互相關(guān)并積分即可測(cè)到復(fù)可見函數(shù)，通過傅里葉反變換，最后得到源的亮度分布，也就是等于進(jìn)行了成像觀測(cè)[7]。空間亮度分布可以是傅里葉變換，稱為可見度函數(shù)，為空間方向的空間頻率。所以，只要測(cè)到含所有空間頻率分量的可見度函數(shù)，經(jīng)傅里葉變換關(guān)系后可恢復(fù)并得到天體的圖像。圖2所示是雙天線干涉儀的系統(tǒng)框圖，信號(hào)通過A，B兩天線進(jìn)入到接收機(jī)系統(tǒng)，兩通道信號(hào)相干后，輸入到成圖軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。

圖2中所示的兩天線，觀測(cè)時(shí)間為本地時(shí)間正中午時(shí)，A，B兩天線同時(shí)接收太陽信號(hào)，兩路輸出信號(hào)無時(shí)延差、相位差。但是由于地球自轉(zhuǎn)，太陽偏西時(shí)，A天線接收到的太陽信號(hào)比B天線接收到的同一波前的信號(hào)時(shí)間滯后[τg，]相位滯后[2πfRFτg，]這是由路程差[Δl]引起而產(chǎn)生的時(shí)間差、相位差[8]。同一波前信號(hào)入射到干涉儀兩支路天線反射面后，經(jīng)天線，光纖傳輸線，接收機(jī)到達(dá)相關(guān)器。由于光纖傳輸線不能絕對(duì)等長，接收機(jī)器件性能不能完全一致，引起兩支路信號(hào)幅度、相位及時(shí)延差異，故對(duì)每一通道進(jìn)來的信號(hào)都需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

本文提及的增益校準(zhǔn)，就是對(duì)兩支路信號(hào)幅度進(jìn)行測(cè)量，并用硬軟件方法將接收信號(hào)的通道補(bǔ)償?shù)揭恢隆Ｔ鲆嫘?zhǔn)主要指設(shè)備段幅度測(cè)量及校準(zhǔn)。對(duì)于太陽射電觀測(cè)，太陽射電圖像結(jié)構(gòu)可能在非常短的尺度上變化，所以要求系統(tǒng)幅度穩(wěn)定度高，因此要周期性做幅相校準(zhǔn)，以消除系統(tǒng)幅相不穩(wěn)定誤差。CSRH?I指標(biāo)要求動(dòng)態(tài)范圍[9][D>]25 dB。則有：

3 基于[Y]因子法測(cè)試天線增益

3.1 校準(zhǔn)方法研究

增益校準(zhǔn)有標(biāo)校源法、射電星法、自校準(zhǔn)法等多種方法，根據(jù)測(cè)試環(huán)路的不同，可分為“開路校準(zhǔn)”和“閉路校準(zhǔn)”兩大類。采用“開路校準(zhǔn)”時(shí)，測(cè)試信號(hào)由各通道天線向空間輻射，經(jīng)無線信道傳輸后由測(cè)試設(shè)備接收，測(cè)試距離可以是遠(yuǎn)場(chǎng)，也可以是近場(chǎng)；采用“閉合校準(zhǔn)”時(shí)，測(cè)試信號(hào)由發(fā)射通道取樣輸出，經(jīng)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)有線連接直接饋入測(cè)試設(shè)備接收?！伴]路校準(zhǔn)”也稱為實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，是指系統(tǒng)正常工作階段所采取的通道校準(zhǔn)措施，通過運(yùn)用此方法，可以補(bǔ)償各發(fā)射通道信號(hào)之間幅度的不一致性，同時(shí)還可以在線檢測(cè)各通道的物理故障。由于各標(biāo)準(zhǔn)支路之間也存在著幅度差異，在測(cè)試中需考慮設(shè)備的檢測(cè)精度。運(yùn)用“開路校準(zhǔn)”法對(duì)天線的增益進(jìn)行測(cè)試，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（含光纖傳輸）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行幅度測(cè)試，方案如圖3所示。

此時(shí)計(jì)算待測(cè)天線與比對(duì)天線的傳輸程差[ΔS2=S2-S1，]從而相差是[ΔΦ2=360°×ΔS2λ，]進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，喇叭天線至每個(gè)天線傳播距離不同，也會(huì)導(dǎo)致幅度差?？臻g自由傳播損耗[L]為[L=（4πSλ）2，]則由程差引起的幅度差為[（S1S2）2]。

3.2 增益測(cè)試結(jié)果和討論

在對(duì)CSRH?I陣列天線進(jìn)行增益測(cè)試時(shí)，選取了以寧靜太陽作為射電源，并對(duì)CSRH?I所有天線進(jìn)行了增益校準(zhǔn)測(cè)試。日像儀接收機(jī)系統(tǒng)前端可選擇連接固態(tài)寬帶噪聲源、50 Ω標(biāo)準(zhǔn)終端電阻、天線，采用Y系數(shù)法可測(cè)試系統(tǒng)噪聲溫度，系統(tǒng)增益和信噪比指標(biāo)，天線接收到的太陽功率密度Psun 可根據(jù)公式（4）計(jì)算：

在進(jìn)行系統(tǒng)增益測(cè)試時(shí)，天饋系統(tǒng)選定的頻率是610 MHz和1 415 MHz，對(duì)應(yīng)的射頻頻段分別為400～800 MHz，1 200～1 600 MHz，整個(gè)鏈路測(cè)試增益結(jié)果如圖4所示。圖4分別表示的是610 MHz和1 415 MHz低頻陣天線40單元的系統(tǒng)增益圖，橫軸表示40面天線的序號(hào)，縱軸表示系統(tǒng)增益值，由上述測(cè)試數(shù)據(jù)表明：當(dāng)頻率在610 MHz時(shí)，均方根誤差是1.601 dB；當(dāng)頻率在1 415 MHz時(shí)，均方根誤差是1.769 dB，各子系統(tǒng)在同頻率測(cè)試系統(tǒng)增益時(shí)，有細(xì)微的跳變?？捎蒙潆娦欠▽⑺蓄l點(diǎn)的支路系統(tǒng)增益測(cè)量出來，計(jì)算每個(gè)支路與標(biāo)準(zhǔn)支路的增益差，并在成圖時(shí)進(jìn)行校正。

4 結(jié) 論

本文從日像儀成像的基本原理出發(fā)，給出了陣列的UV覆蓋，分析了日像儀天線與標(biāo)準(zhǔn)天線的增益比對(duì)值，同時(shí)列舉了測(cè)試日像儀天線的幅度值方法和考慮的問題，并對(duì)誤差進(jìn)行了簡單分析，運(yùn)用衛(wèi)星源校準(zhǔn)方法對(duì)天線增益和接收機(jī)增益進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足日像儀的成像觀測(cè)需求。

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