一种太阳射电辐射计及频谱观测系统与控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种太阳射电辐射计及频谱观测系统与控制方法，其技术方案为：包括依次连接的切换开关、放大器I、滤波器I、混频器、放大器II、滤波器II、模拟数字转换器、FPGA信号处理模块和上位机；其中，所述切换开关接入两个不同的参考负载以提供亮温标定，且切换开关连接天线，并根据平衡判断调整天线与参考源的输出频率或占空比。本发明专利技术针对射电天文中太阳射电辐射计观测系统结构增益引起灵敏度降低及积分引起时间分辨率降低的情况，提出改善型的零平衡迪克型观测结构，既可以作为频谱观测设备也可以做辐射计观测，并给出了定标原理跟过程，可以灵活调整积分带宽，同时采用滑动积分的形式保证频谱、辐射计原始数据的时间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳射电辐射计及频谱观测系统与控制方法
本专利技术涉及太阳射电辐射计领域，尤其涉及一种太阳射电辐射计及频谱观测系统与控制方法。
技术介绍
任何物体都在在一定条件下都向外界散发电磁波，辐射计作为一种高灵敏度电磁波检测设备，在空间天气、对地遥感、目标检测识别和安检等领域广泛运用，最为常见和运用的两种辐射计结构为：全功率型辐射计、Dicke型辐射计及其他类型辐射计，其中Dicke型辐射计分为平衡式和非平衡式。全功率辐射计结构简单，直接利用平方律检波器将功率信号转化成电压，经过低通滤波器(预积分器)后利用ADC进行量化采集上传。Dicke型辐射计能够降低系统增益稳定性对系统灵敏度的影响。平衡式(零平衡)迪克型辐射计实现方法有：天线通道噪声注入法、脉冲噪声注入法、增益调制法等。以脉冲噪声注入法为例，零平衡式辐射计通过控制二极管开关调节二极管噪声源注入的噪声，使得Ta"等于Tref消除了非平衡式中增益带来的影响，从而减小增益的影响。现有辐射计结构虽然在诸多领域具有便利、成本低、利于实现的特点，但是，专利技术人发现，现有辐射计存在以下问题：(1)在射电天文中太阳射电辐射流量观测时，通常需要对太阳频谱及射电辐射流量同时观测，两种结构只能观测辐射流量(即辐射计)；(2)在进行标定过程中仍然需要外部提供一个标准源进行标定，且同步时序较多、控制要求较高；在标定过程往往需要用冷热源，且冷热定标源的亮温(Tc，Th)越接近输入信号的亮温(Ta)值越精确，但是冷源往往制作较难价格昂贵；(3)灵敏度计算公式中的积分带宽由检波器之前的滤波器决定，不能够根据灵敏度要求进行数字控制；(4)由于采用平方律检波器及ADC，两者都会引起一定的非线性误差，同时使用两个非线性器件易引起误差增大。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种太阳射电辐射计及频谱观测系统与控制方法，针对射电天文中太阳射电辐射计观测系统结构增益引起灵敏度降低及积分引起时间分辨率降低的情况，提出改善型的观测结构，既可以作为频谱观测设备也可以做辐射计观测，可以灵活调整积分带宽，同时采用滑动积分的形式保证频谱、辐射计原始数据的时间分辨率。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：第一方面，本专利技术的实施例提供了一种太阳射电辐射计及频谱观测系统，包括依次连接的切换开关、放大器I、滤波器I、混频器、放大器II、滤波器II、模拟数字转换器、FPGA信号处理模块和上位机；其中，所述切换开关接入两个不同的参考负载以提供亮温标定，且切换开关连接天线，并根据平衡判断调整天线与参考源的输出频率或占空比。作为进一步的限定，所述FPGA信号处理模块包括方波发生器和同步模块，通过方波发生器及同步模块同步标记出输出为天线还是参考源。作为进一步的限定，所述FPGA信号处理模块通过开关驱动连接切换开关。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种太阳射电辐射计及频谱观测控制方法，采用所述的太阳射电辐射计及频谱观测系统，包括：上位机发送指令至方波发生器及同步模块，方波发生器及同步模块计算不同接通状态下积分，并进行平衡判断；方波发生器及同步模块分离出频谱数据，在FPGA信号处理模块内部进行预积分；之后在上位机进行滑动积分，获得稳定的频谱图形。作为进一步的限定，方波发生器及同步模块根据系统总积分时间要求，最终平衡判断输出值调节脉冲占空比，从而调节天线跟参考输入的占比时间。作为进一步的限定，通过判断调节天线与参考负载接通时间占空比，实现系统零平衡。作为进一步的限定，频谱观测积分时间τ＝τ1+τ2，τ1为FPGA信号处理模块内进行的预积分时间，τ2为上位机进行的积分时间；在对频谱观测需要合理分配FPGA内部预积分时间及上位机积分时间。作为进一步的限定，上位机保持对设定时间τ2内数据进行滑动累加，并重新计算积分值；频谱观测时间分辨率由每次重新记一次滑动时间决定，对固定时间τ2内的数据决定频谱观测的灵敏度。作为进一步的限定，对于辐射流量观测过程，通过上位机对FPGA信号处理模块上传的数据调节积分带宽B的大小，同时控制积分时间τ，从而提高系统灵敏度。作为进一步的限定，保持对一定时间τ内数据进行滑动累加,并重新计算积分值，射电辐射强度原始数据的时间分辨率由每次重新记一次滑动时间决定。上述本专利技术的实施例的有益效果如下：(1)本专利技术的一个或多个实施方式在完成太阳射电辐射计观测的同时实现频谱观测；(2)本专利技术的一个或多个实施方式的定标过程不仅可以对低输入天线的低亮温进行标定也可以对输入天线的高亮温进行标定，同时不需要外部标定源，时序同步控制简单，比传统采用冷热源方式易于获取、实现及成本低廉；(3)本专利技术的一个或多个实施方式未采用平方律检波器，降低了系统非线性，同时解决了灵敏度带宽由平方律检波器前端滤波器决定的因素，利用ADC直接采集结构，在FPGA内部实现积分带宽和积分时间的任意数字控制更改；(4)本专利技术的一个或多个实施方式能够灵活调节太阳射电辐射强度观测的积分带宽从而提高灵敏度，同时采用滑动积分方式保证一定积分时间τ下的频谱观测和太阳射电辐射计观测原始数据的时间分辨率。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1是现有全功率辐射计结构示意图；图2是现有迪克型辐射计结构示意图；图3是现有平衡式迪克型辐射计结构示意图；图4是本专利技术根据一个或多个实施方式的结构示意图；图5是本专利技术根据一个或多个实施方式的频谱观测时上位机对数据积分处理示意图；图6是本专利技术根据一个或多个实施方式的对辐射流量观测时上位机对数据积分处理示意图；图7是传统辐射计结构积分处理示意图；图8是本专利技术根据一个或多个实施方式的系统工作流程图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。实施例一：本实施例提供了一种太阳射电辐射计及频谱观测系统，采用高采样带宽、高采样率的ADC+FPGA进行信号处理，并利用开关切换采用零平衡计算，消除增益影响。表1三种辐射计结构性能对比表1中：Ta为天线输出噪声温度，Tr为接收机系统噪声温度，Tref为参考负载噪声温度，G为系统增益，B为系统带宽(为检波前带宽，通常为十几MHz)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳射电辐射计及频谱观测系统，其特征在于，包括依次连接的切换开关、放大器I、滤波器I、混频器、放大器II、滤波器II、模拟数字转换器、FPGA信号处理模块和上位机；其中，所述切换开关接入两个不同的参考负载以提供亮温标定，且切换开关连接天线，并根据平衡判断调整天线与参考源的输出频率或占空比。/n

【技术特征摘要】
1.一种太阳射电辐射计及频谱观测系统，其特征在于，包括依次连接的切换开关、放大器I、滤波器I、混频器、放大器II、滤波器II、模拟数字转换器、FPGA信号处理模块和上位机；其中，所述切换开关接入两个不同的参考负载以提供亮温标定，且切换开关连接天线，并根据平衡判断调整天线与参考源的输出频率或占空比。


2.根据权利要求1所述的一种太阳射电辐射计及频谱观测系统，其特征在于，所述FPGA信号处理模块包括方波发生器和同步模块，通过方波发生器及同步模块同步标记出输出为天线还是参考源。


3.根据权利要求1所述的一种太阳射电辐射计及频谱观测系统，其特征在于，所述FPGA信号处理模块通过开关驱动连接切换开关。


4.一种太阳射电辐射计及频谱观测控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一所述的太阳射电辐射计及频谱观测系统，包括：
上位机发送指令至方波发生器及同步模块，方波发生器及同步模块计算不同接通状态下积分，并进行平衡判断；
方波发生器及同步模块分离出频谱数据，在FPGA信号处理模块内部进行预积分；之后在上位机进行滑动积分，获得稳定的频谱图形。


5.根据权利要求4所述的一种太阳射电辐射计及频谱观测控制方法，其特征在于，方波发生器及同步模块根据系统总积分时间要求，最终平衡判...

【专利技术属性】
技术研发人员：严发宝，尚自乾，张园园，张磊，陈耀，武昭，苏艳蕊，路光，王冰，刘洋，徐珂，刘乾，许丙强，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37