射電天文臺站準實時電波環境測量方法

劉奇 王娜 王玥 劉曄 劉烽 陳卯蒸

(1.中國科學院新疆天文臺,烏魯木齊 830011;2.中國科學院射電天文重點實驗室,南京 210008; 3.中國科學院大學,北京 100049)

引 言

射電望遠鏡具有極高的系統靈敏度,例如,目前L、 S、C波段的系統噪聲溫度只有幾十K,而現有射電望遠鏡建設過程中,容易忽視系統電磁兼容性設計及電磁防護[1]. 隨著空間無線電技術的發展及臺站內電子設備的不斷增多,電磁環境變得尤為復雜[2], 臺址內外電磁干擾通過天線旁瓣進入接收系統[3],降低系統信噪比,惡化觀測數據,也加大了處理數據的復雜性[4-5].

平方千米陣列(Square Kilometer Array,SKA)國際工程小組認識到臺址干擾監測與評估的重要性,2003年制定了SKA選址射頻干擾測試協議[6],該電波環境測試方法在國際射電望遠鏡選址中得到較多應用,如澳大利亞ASKAP和南非SKA[7-8],荷蘭WAST和LOFAR[9-10],中國FAST(Five hundred Meters Aperture Spherical Telescope)和中國新疆110 m全可動射電望遠鏡[11-15]等. 該電波環境測試方法對于射電天文臺站前期選址及電波環境綜合評估具有一定的優勢,但針對正在建設和正在運行的天文臺站進行電波環境測試,缺乏信號的實時性信息．而現有射電望遠鏡在前期設計和建設階段缺乏電磁兼容性設計及屏蔽防護,臺址自身設備及外在無線通信業務對射電天文觀測影響越來越大. 綜上所述,需要研究適應于現有射電天文臺站的電波環境測試方法,本文提出一種準實時電波環境測試方法及數據處理方法,能夠分析電波環境頻譜隨時間變化趨勢,為現有射電天文臺站干擾緩解策略提供重要依據.

1 測試系統

1.1 系統組成

測試系統由對稱周期天線、前置放大器、濾波器、信號分析儀和計算機組成,測試原理框圖如圖1所示．系統中使用高通濾波器有效減小低頻信號對測試結果的影響,濾波器前后各加3 dB衰減器減小微波鏈路駐波,提高系統測試精度. 采用標準噪聲源[16]346C對測試系統進行校準,數據處理后,獲得測試系統噪聲溫度和系統增益;通過系統增益對測試數據進行校準,獲得測試天線口面處輻射功率.

圖1 測試系統原理圖

1.2 測試系統校準

系統校準采用Y因子法[2,7],超噪比REN定義為噪聲源開關之間的溫度差與標準溫度的比值:

(1)

式中:標準溫度T0為290 K;Toff為噪聲源關閉狀態時溫度;Ton為噪聲源工作狀態時溫度.Y因子定義為標準噪聲源開與關時器件的輸出功率比:

(2)

式中:Pon為噪聲源打開時測試儀輸出功率;Poff為噪聲源關閉時輸出功率．噪聲系數FN通過公式(3)進行計算:

(3)

噪聲溫度TR為

(4)

系統增益GR按照公式(5)進行計算:

(5)

式中:k為玻爾茲曼常數;B為帶寬.

按照系統原理框圖連接噪聲源和測試系統,通過計算機控制頻譜儀28DV電源開關,獲得開關狀態下的典型頻點功率,依據標準噪聲源346C超噪比,按照式(3)和式(5)計算系統噪聲系數和系統增益. 獲得的系統增益用于校準測試數據,通過系統噪聲系數查驗系統性能是否正常,以提高測試數據的可靠性. 對實際測試系統進行校準,測試結果如圖2所示.

圖2 系統校準結果

1.3 測量不確定度分析

由式(5)確定的系統增益GRdB為

GRdB=Pon-10lg(Ton+TR)-

10lg(B)-10lg(k)-30,

(6)

Ton=T0(REN-1)．

(7)

從式(4)、(6)、(7)可以看出,系統增益與REN的關系主要體現在

10lg(Ton+TR)

(8)

式(8)的推導結果表明,系統增益不確定度由標準噪聲源REN不確定度決定.

1)標準噪聲源346C的超噪比REN不確定度小于0.22 dB(150 MHz～7 GHz)[16];另外,校準時REN隨溫度變化為0.01 dB/(°)[16],假設1天溫差為15°,REN隨溫度變化不確定度為0.15 dB;其次,REN隨供電電壓變化不確定度為小于0.02 dB. 所以,系統校準時,系統增益不確定度為0.39 dB.

2)測試系統使用的信號分析儀為R&S FSW26,此信號分析儀8 GHz以下頻段,總測試不確定度為0.4 dB[17]．

綜上分析,采用標準噪聲源校準獲得系統鏈路的增益,系統增益不確定度為0.39 dB,校準時,信號分析儀的測量不確定度為0.4 dB．另外,運用信號分析儀進行電波環境測量時,測試不確定度為0.4 dB．所以,總的測試不確定度為1.19 dB.

2 測試方法

2.1 測試要求

1) 確保測試系統具有較高的靈敏度,實現臺站弱信號的測試．實際測量時,由于測量系統通常為超寬帶,且測試天線波束較寬,若前置放大器增益太高,容易受到環境固定、瞬態強信號的影響,降低器件性能;建議系統噪聲溫度小于2 000 K、系統增益小于40 dB.

2) 測試系統安裝在射電望遠鏡上,高度接近射電望遠鏡饋源口面,此位置測試獲得的功率可近似認為是射電望遠鏡饋源口面處的功率,測試數據可直接用于分析射頻干擾對射電天文觀測的影響,忽略電波傳播路徑影響.

3) 設置射電望遠鏡俯仰為20°或更小,保證測試天線口面無遮擋,提高測試數據精度.

4) 電波環境測試之前需運用標準噪聲源對測試系統進行校準,獲得系統噪聲和系統增益．通過系統噪聲確定系統性能是否正常,系統增益用于數據校準,提高測試數據的可靠性.

5) 電波環境測試包含水平極化測試和垂直極化測試. 測試天線每次測試范圍為測試天線3 dB波束寬度,通過轉動望遠鏡改變測試天線方位,多次測試覆蓋360°,例如,測試天線3 dB波束寬度為60°,需要測試6次,滿足全方位測試.

2.2 信號分析儀關鍵參數分析

商用信號分析儀采用掃頻模式,合理設置分辨率帶寬WRB、視頻濾波器帶寬WVB、單屏測試帶寬SPAN、掃描時間tsweet、檢波方式等可提高信號分析儀的掃描速度和測試精度;另外,對于高精度自動化電波環境測試,需要依據信號分析儀掃描時間安排測試時間,從而實現自動化測試.

1)WRB、WVB、SPAN、tsweet等參數分析

WRB通過中頻濾波器進行設置．中頻濾波器有模擬濾波器、數字濾波器和快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)濾波器,其響應時間tresp通過公式(9)進行計算:

(9)

式中,k為濾波器的比例系數[18]. 選擇不同類型濾波器需匹配不同的比例系數,確保測量偏差不大于 0.15 dB[20].

圖3[20]給出了最小掃描時間、WRB、中頻濾波器類型的相互關系．從關系圖可以看出,需要依據WRB選擇合適濾波器類型及比例系數,從而優化頻譜分析的掃描時間.

圖3 WRB、濾波器類型與最少掃描時間關系曲線[20]

信號分析儀掃描帶寬為Δf時,掃描時間理論上通過式(10)進行計算,而對于實際的測試,需要考慮WVB響應時間的影響,所以,實際測試時,掃描時間運用式(11)進行計算.

(10)

(11)

每個分辨率帶寬內采集10個點,便于分辨率帶寬內的數據統計,則單屏測試帶寬SPAN按照式(12)進行計算:

(12)

式中,Cpoints為每屏測試帶寬采樣點數.

2) 掃頻模式及檢波器選取

射電望遠鏡系統靈敏度按照式(13)進行計算:

(13)

式中:Tsys為系統噪聲溫度;B為接收機帶寬;τ為積分時間. 從式(13)可以看出,在系統溫度和帶寬確定的情況下,增加積分時間可提高系統靈敏度.

我們將此方法應用到電波環境測試中,主要體現在對信號分析儀的控制上,即在分辨率帶寬和掃描時間確定的情況下,通過對單屏測試帶寬多次掃描,每次掃描頻譜與前一次掃描頻譜進行線性平均的方法降低系統噪聲,提高信噪比,從而提高對微弱信號的分辨能力. 這是因為測試系統噪聲符合高斯分布,通過線性平均可降低系統噪聲,而相對固定的信號平均后并不受影響.

綜上分析,采用線性平均模式進行測試. 另外,采樣檢波能夠更好地體現信號波動的隨機性,信號真實性較高,故選用采樣檢波器. 圖4 給出了不同平均次數下信號分析儀的顯示噪聲,從頻譜圖可以看出平均次數越多,噪聲動態范圍越小,對微弱信號的探測能力越強. 需要注意的是,平均到一定次數,噪聲的動態范圍不再變化,這是因為式(13)中Tsys為整個系統噪聲,包含來自接收機、大氣、地面電磁輻射等噪聲[19]．另外,系統靈敏度測定也受商用頻譜儀模擬器件固有噪聲的限制,系統噪聲平均到一定次數,噪聲動態范圍不再下降,即系統靈敏度不再提高.

圖4 不同平均次數下的信號分析儀噪聲

3) 關鍵參數確定

依據射電天文業務的無線電頻率劃分,并結合射電天文觀測頻段,我們將電波環境測試帶寬劃分為5個頻段.電波環境測試時,為有效辨別不同頻段的射頻信號,給出了不同頻段測試時對應的WRB和WVB;并依據圖 3 選取不同頻段內WRB對應的濾波器類型和比例系數;按照式(11)計算出分辨率帶寬內理論掃描時間,見表1.

由于信號分析儀性能具有一定的差異性,且測試時,信號分析儀在單屏測試帶寬SPAN內執行多次線性平均,而實際測試所用時間偏多,這是因為平均運算過程需消耗時間,且低頻測試時硬件處理速度較慢. 所以,需要針對實際使用的信號分析儀進行測試,確定信號分析儀實際的測試執行時間.

表1 不同頻段的信號分析儀參數

單個頻率通道的總掃描時間通過式(14)進行計算;由于每個分辨率帶寬內采集10個點,故單屏測試帶寬SPAN內總的測試時間通過式(15)進行計算:

tint=N×tsweet;

(14)

(15)

式中:tsweet為分辨率帶寬內掃描時間;N為掃描次數.

2.3 準實時測量方法

綜上所述,準實時測量方法需保證測量系統的靈敏度和測試數據的精確性;其次,保證單次測量時間的準確性,并依據實際測量需求,規劃實際測量時間,通過數據處理分析頻譜隨時間的變化．其技術難點及解決思路如下:

1)保證測試系統靈敏度:基于大量的實測及工程經驗,建議系統噪聲溫度小于2 000 K、系統增益小于40 dB,確保微弱信號的測量能力.

2)保證測試數據精度及可靠性:采用Y因子法對測量系統進行校準,獲取系統鏈路增益,用于校準測量數據,并進行測量不確定度分析,確保測試數據精度及可靠性.

3)單次測量時間的確定:結合信號分析儀原理,深入分析信號分析儀關鍵參數的配置方法,確定了不同頻段測量時間的計算方法.

4)準實時測量時間規劃:依據實際的測量需求,結合單次測試時間、測試天線方向性信息,規劃實際測試時間,滿足單一方向測試時間的連續性,并保證測試方向覆蓋360°.

5)數據處理:提出數據處理和成圖方法,實現單一方向頻譜、頻率占用度隨時間變化的有效分析.

3 測試實例及分析

3.1 測試實例

運用此方法對南山25 m射電望遠鏡臺站電波環境進行測試,測試帶寬為950～2 650 MHz,包含了受地面干擾影響較大的天文觀測頻段. 選用R&S FSW13高性能信號分析儀,依據表1給出的分析及測試結果,信號分析儀檢波器設置為采樣檢波器,中頻濾波器帶寬WRB為30 kHz,視頻濾波器帶寬WVB為300 kHz．分辨率帶寬內采集10個點,結合理論分析與實際測試,確定分辨率帶寬內掃描時間為100 μs,平均次數200次;按照式(10)計算出分辨率帶寬內積分時間為20 ms,而 SKA 選址 RFI 測試協議中單個頻率通道的停留時間為10 ms[4],故滿足測試靈敏度要求. 設置信號分析儀單屏測試帶寬SPAN內采樣點數為10 000,由于分辨率帶寬內采集10個點,則單屏測試帶寬為(10000/10)×30 kHz=30 MHz,故總測試帶寬內測試時間為(2650 MHz-950 MHz)/30 MHz]×20 ms≈19 min,考慮到轉動望遠鏡方位時間及軟件調試時間,確定一個方向總測試時間約為22 min.

考慮以新疆作息時間為例,測試時間確定為北京時間10:00—22:00,包含了人們的主要活動時間．所使用的測試天線3 dB波束寬度為45°,故一個測試方向覆蓋45°范圍,8個方向測試覆蓋360°. 由于每個方向測試時間約為22 min,1.5 h完成4個方向測試,8個時間段測試覆蓋整個白天. 第一天完成4個方向測試,第二天完成另外4個方向測試,測試方向及時間安排如圖5所示. 另外,電波環境測試包含水平極化和垂直極化測試,共計測試時間為4天.

圖5 測試方向及測試時間安排

3.2 數據處理及分析

1) 數據統計:測試時每個分辨率帶寬內采集10 個點,即每 30 kHz 帶寬內采集 10 個點;統計出每 10 個點的平均值作為每 30 kHz頻點對應的功率值,提高數據的準確性.

2) 數據校準:按照式(16)對測試數據進行校準,獲得測試天線口面處功率;按照公式(17)將功率(單位為 dBm)轉換為場強(單位為 dBμV/m):

P=PSA-GA-GS;

(16)

E=P+FA+107．

(17)

式中:PSA為頻譜儀顯示功率;GA為測試天線增益,GS為測試系統增益;FA為天線因子.

3) 準實時頻譜分析:本文僅給出1 000～2 000 MHz典型的測試頻譜圖,如圖 6 所示. 從圖6(a)、(b)可以看出:隨著時間的變化,1 850 MHz 處的3G信號幅度隨著時間的變化不大,而1 150 MHz、1 600 MHz、1 750 MHz處干擾信號僅在單一的時間段出現,對臺站安排觀測任務起到一定作用;1 950 MHz 處干擾時有時無,時強時弱,經過長時間測量及診斷,確定為手機發射信號.

(a) 某方向測試頻譜

(b) 某方向干擾信號統計頻譜圖6 某方向準實時測試頻譜

4) 準實時頻率占用度統計:針對電磁干擾對脈沖星觀測影響較大,故對脈沖星觀測頻段1 380～1 700 MHz 頻率占用度進行統計. 圖7為不同方向(縱向)、不同時間段(橫向)的頻率占用度統計圖. 從統計結果可以看出,同一方向不同時間段頻率占用度具有差異性,表明瞬態干擾信號對電波環境頻譜的影響較大,如90°方向變化比較明顯,在13:00—14:30時間段頻率占用度高達18.564%,分析確定為臺站外部的氣象通信業務.

綜上分析,射電天文臺站準實時電波環境測試方法能夠有效分析單一方向頻譜瞬態信號及頻率占用度隨時間的變化趨勢,為臺址頻譜分析、干擾查找、消干擾策略提供了重要依據.

圖7 脈沖星觀測頻段頻率占用度統計

4 結 論

本文提出一種準實時電波環境測量方法,該方法應用于新疆天文臺南山臺站,頻譜分析及頻率占用度統計表明:1)準實時電波環境測量方法能夠有效分析電磁干擾隨時間變化;2)瞬態信號對射電天文觀測影響極大．該測量方法在保證測量精度和系統靈敏度的同時,依據實際測量頻段,合理配置測量參數,科學規劃測量時間,能夠有效分析射電天文臺址電磁干擾特征,為干擾緩解策略提供依據．但是,隨著數字技術的發展及我國頻率使用率的不斷提高,電磁干擾的種類異常繁多、信號特征極其復雜,準實時電波環境測量并不能有效分析高時間分辨率瞬態信號特征.所以,寬帶、實時頻譜監測、信號統計與識別、高效數據管理是我們現在及未來研究工作的重點．

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