一种快速定标射电望远镜接收机及定标方法技术

本发明专利技术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。用全可编程片上系统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系统在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

A Fast Calibration Method for Radio Telescope Receiver

The invention relates to a fast and efficient radio telescope receiver and a fast calibration method based on the receiver. The local oscillation frequency of the radio frequency agile receiver is switched to the symmetrical frequency point f0+f centered on the observation center frequency f0 with full programmable on-chip system software, and the average output power is regarded as the noise power P'sys of the system at f0; the local oscillation frequency of the receiver is switched back to f0, the input of the short-circuit receiver is set to zero, and the output at this time is regarded as the receiver noise. Acoustic output power P'rec; white noise with input power of P CAL is injected into the receiver, and if the output power of the receiver is P'cal at this time, the output power of the receiver will be P'rec.

【技术实现步骤摘要】
一种快速定标射电望远镜接收机及定标方法
本专利技术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，每次观测都需要对系统进行繁琐、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系统”，公开了一种基于捷变收发器的射电谱线观测系统/平台。该观测系统/平台利用捷变收发器AD936X能够快速切换本振频率的特点，实现了系统噪底的测量，见ZL201810203828.5[0045]-[0048]自然段。但系统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AnalogDeviceInc.,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XilinxInc.,Zynq-7000AllProgrammableSoCOverview[OB/OL],www.xilinx.com,2013，介绍了一种全可编程片上系统(APSoC),集成了ProgramLogic(简称PL部分)和ProgramSystem(简称PS部分)，以及连接上述二者的高性能总线AXI(AdvanceeXtendInterface)。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在通过全可编程片上系统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。本专利技术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。本专利技术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系统构成；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系统PL部分的输入端，全可编程片上系统的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，全可编程片上系统的PS部分通过串口控制线分别连接键盘和显示器。本专利技术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、用全可编程片上系统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系统在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专利技术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系统(APSoC，AllProgrammableSystemonChip)，能够快速的切换接收机的输入信号源以及射频捷变系统的本振频率。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为观测系统的偏置系数。影响(1)式中a的主要因素是望远镜的转化效率η和接收机系统的增益。a＝η×GIF×GRF(2)其中，GRF是射部分的增益等定标频段内射频增益的平均值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系统噪声。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和系统噪声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。
技术介绍
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和系统噪声随温度、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，本专利技术所述的方法采取了以下措施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速定标射电望远镜接收机，其特征在于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)以及全可编程片上系统(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系统(7)PL部分的输入端，全可编程片上系统(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。

【技术特征摘要】
1.一种快速定标射电望远镜接收机，其特征在于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)以及全可编程片上系统(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系统(7)PL部分的输入端，全可编程片上系统(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。2.如权利要求1所述的快速定标射电望远镜接收机，其特征在于设有键盘...

【专利技术属性】
技术研发人员：何乐生，董亮，谭景甲，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53