云南天文台40米射电望远镜S波段总流量观测系统研制和测试*

刘丽佳，刘 彬，董 亮，彭 勃

(1. 中国科学院国家天文台，北京 100012；2. 中国科学院射电天文重点实验室，北京 100012；3. 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011)

近年我国射电天文发展迅速，已建成多架单天线射电望远镜。在射电天文设备蓬勃发展的背景下，开发天线后端设备，提高天线性能，积累观测经验显得尤为重要。目前，国内高效开展天文研究的射电天文设备仅有新疆天文台南山观测站的25 m望远镜。为满足射电天文研究对望远镜的迫切需求，考察云南天文台40 m天线系统性能，研制新设备，解决系统不稳定及射频干扰(Radio Frequency Interference, RFI)问题，以提高其观测性能等工作具有积极意义。

1 40m射电望远镜简介

云南天文台40 m射电望远镜建于2006年，是转台式卡塞格林型天线[1]，位于东经102.8°，北纬25.0°，海拔高度1 960 m。目前工作于S、X两个频段，承担嫦娥工程数据接收任务，参与中国甚长基线干涉测量技术(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)网观测[2]。表1给出了40 m射电望远镜的主要数据资料[2]。

表1 昆明40 m射电望远镜参数

该望远镜理论上具有观测弱射电源的能力，但现有实测结果不理想[3]。射电源试观测结果显示流量曲线漂移严重，导致实测灵敏度与理论值相差较大。射频干扰测试发现S波段射电干扰严重影响了正常的射电天文观测，X波段状况稍好，先期重点解决S波段问题。

2 设备研制

针对S波段现有问题，建立新观测系统需要研制的设备包括：(1)抗干扰射频系统，以消除或抑制S波段干扰；(2)K因子辐射计，提高系统稳定性，解决信号传输过程中设备增益漂移等问题；(3)观测软件。

2.1 抗干扰射频模块

根据已得到的S波段频谱干扰情况，在不改动天线系统原有设备的前提下，研制新的抗干扰射频模块，代替原中频箱，目的是在恶劣的电磁环境下尽量抑制干扰，提高望远镜观测弱信号的能力。新研制的抗干扰射频模块主要思想是采用本振频率为2 142 MHz和中频通带为100～400 MHz的新中频系统，较方便地抑制2 142 MHz干扰；同时采用良好的镜像滤波器，可抑制1 844 MHz干扰。

如图1，S波段经2 020 MHz混频得到中频频谱，其中最严重干扰为122 MHz，对应射频频率为2 142 MHz[3]。在2 142 MHz频点上很难实现衰减达30dB的窄带陷波器。设计混频器采用2 142 MHz本振，2 142 MHz干扰频率混频后变为零中频，后采用中频滤波器抑制它的调制干扰。新射频模块前串入原陷波器，2 142 MHz干扰可被抑制50 dB以上。原来存在的另一个176 MHz中频强干扰是1 844 MHz高频干扰变频后产生的。采用2 142 MHz本振后选用100 MHz到400 MHz的中频。高频滤波器的带通范围为2 242 MHz～2 542 MHz。1 844 MHz与2 242 MHz之间的频率间隔近400 MHz，此时可保证带外较大衰减。射频模块工作原理见图2。原中频箱仅为高放供电，K因子辐射计可调制噪声源由新中频箱驱动。

图1 S波段中频频谱图。横轴为频率 (MHz)，纵轴为功率 (dBm)。图中字母标出了已知干扰及其频率值

Fig.1 Observed spectrum of the S band. The X axis is for the frequency range in MHz and the Y axis is for power in dBm.The capital letters from A to J are for the identified radio frequency interferences

2.2 K因子辐射计

云南天文台40 m望远镜原有系统后端采用传统辐射计，无法通过注入调制信号、解调等方法对包括传输线路等系统各部分增益稳定性进行校准。考虑到系统设备的增益漂移会导致射电源流量曲线严重失真，新建系统决定采用K因子辐射计以解决此问题。

图2 抗干扰射频模块原理图

Fig.2 Block diagram of the counter-interference module

K因子辐射计的基本设计思想为：在天线系统前端注入方波调制的白噪声信号，与观测信号耦合后同时输入低噪声放大器，经过同样的传输路线到K因子辐射计。辐射计内部对信号进行交直流分流，交流通路为噪声源校准信号，直流通路为包含流量信息的强度信号；最终通过二者的比值，扣除天线设备增益漂移因素，并给出射电源相对强度信息。原理示意图见图3。

图3 K因子辐射计原理示意图

Fig.3 Block diagram of the radiometer for K-factor measurement

天线输入信号包括天线温度Ta、系统噪声温度Tr和方波调制的噪声温度ΔT，其中直流分量包括Ta、Tr、ΔT；交流分量包括ΔT。假设K因子辐射计内部直流、交流通路增益相等，为Kc，即：Kd=Ka=Kc。

辐射计输出电压直流分量：Vd=aKoKc(Tr+Ta+ΔT)

(1)

交流分量：Va=aKoKcΔT

(2)

式中，a为比例常数。直流、交流之比K：

K=Vd/Va=(Tr+Ta+ΔT)/ΔT

(3)

射电源流量观测采用ON/OFF模式，天线指向背景时，

Koff=(Tr+Tb+ΔT)/ΔT

(4)

式中，Tb为天空背景温度。天线指向射电源时：

Kon=(Tr+Ts+Tb+ΔT)/ΔT

(5)

式中，Ts为射电源温度。

射电源亮温度：Ts=ΔT(Kon-Koff)

(6)

上式中，ΔT是已知可设参量。所以，可以由辐射计输出的直、交流电压之比得到因子K，用ON、OFF观测周期的K因子之差(Kon-Koff)表征射电源的相对强度。比例因子K的引入，即通过观测信号与校准信号比值的方式，排除了信号传输过程中各设备的不稳定增益漂移情况，从而可以获得较真实的射电源流量及其变化信息。获得射电源真实流量，可通过已知强度校准源进行流量相对定标。

2.3 观测软件

为配合新研制的K因子辐射计的工作特点，需开发专用的观测软件。功能包括：单片机通讯和数据采集模块、数据预处理和记录模块。软件界面如图4，该软件人机交互界面友好、易于操作，长期测试表明具有较高稳定性。

2.3.1 单片机通讯和数据采集

获得观测数据是软件的基本功能，故单片机通讯和数据采集是软件开发的首要任务和基本目标。K因子辐射计包含模数转换的数据采集芯片，由单片机控制并通过串口协议将数据发送给计算机。

实现硬件接口选择串口R232，传输速度为28 800 bps，此速度可满足5 ms采样率的数据传输。对单片机与计算机传输数据协议格式进行定义，主要包括辐射计状态命令、三路电压数据、ONOK/OFFOK指示信号以及Vos偏置电压信号。

图4 观测软件界面

Fig.4 The interface of the observation software

软件按协议规定，对串口接收的命令包进行信息读取，并通过软件内部模块之间接口，将数据传递给数据预处理及记录和人机交互模块。

2.3.2 数据预处理和记录

数据预处理模块接收采集的数据，进行初步处理，功能有：

(1)数据记录：VAC、VDC、VS、KS； 其中，KS=VS/VAC实时计算储存；

(2)OFF/ON半周期数据处理：计算VAC、VDC、KSoff、KSon的平均值、方差，并剔除干扰数据；

数据记录包括原始数据、干扰剔除数据和预处理结果3部分。原始数据和干扰剔除数据记录为ASCII码的二维表格结构。数据预处理结果直接写入日志文件，包含观测时间、输出电压的平均值、均方根、K因子、数据信噪比以及射电源流量。

3 观测系统测试

3.1 实验室测试

K因子辐射计和抗干扰射频模块研制完成后(设备照片见图5)，首先对其进行实验室仿真模拟测试，以考察新研制设备的实际工作性能和稳定性。由噪声源NS1和精密衰减器连接，用于模拟射电源信号，交流方波调制噪声源通过定向耦合器，注入交变噪声信号后接放大器模拟低噪声放大器，然后接通中频箱和K因子辐射计。通过开/关噪声源NS1，模拟ON/OFF观测模式，进行射电源的仿真观测。使用精密衰减器调节噪声信号强度，模拟不同强度射电源的观测性能。同时考察观测软件的数据采集和处理情况。实验室调试结果表明系统工作正常。仿真系统的唯一不足是所有设备工作在常温条件下，无法模拟使用制冷接收机时的天线系统温度。

图5 新研制天线后端设备照片。(a)K因子辐射计;(b)抗干扰射频模块;(c)恒温噪声源

Fig.5 Pictures of the newly developed backend devices of the telescope.(a) Radiometer for K-factor measurement; (b) Counter-interference module; and (c) Noise Generator

3.2 系统安装及调试

经实验室调试后，在40 m望远镜上进行实际安装调试，自带设备包括K因子辐射计、抗干扰射频模块和恒温噪声源。设备安装示意图见图6，抗干扰射频模块安装在天线馈源舱，即高频室单元，K因子辐射计安装于观测室内，为室内机箱。室内机箱通过同轴电缆2，驱动高频室单元，并为噪声源提供方波调制信号；噪声源直接连接天线制冷高放；高放信号接入高频室单元，后经同轴电缆1传入室内机箱。

图6 新设备安装示意图

Fig.6 Block diagram showing the installation of the new devices

新设备安装后，S波段频谱测试见图7，与图2相比，带内干扰情况明显改善。2 142 MHz强干扰被抑制，但弱干扰出现，2 400 MHz附近出现新干扰，怀疑为WIFI无线路由所致。为改善数据质量，进一步选择中心频率为2 342 MHz的30 MHz通带滤波，带内频谱见图8。频谱效果较好，无明显干扰。

图7 S波段频谱测试图

图8 S波段30 MHz带通频谱图

3.3 射电源试观测

设备安装调试完成后，对射电源进行了流量试观测，以考察新系统的实际性能。被测源选择一级校准源3C295，其S波段流量强度约为14.06 Jy。观测带宽30 MHz，中心频率2 342 MHz，积分时间1 s。数据处理方法参考文[3]，观测得到的ON、OFF序列，计算两序列平均值之差，即为源的相对流量，单位为mV：

SF=SON-SOFF.

(7)

为便于区分射电源绝对流量与相对流量，设SF为观测所得相对流量，Sf为射电源绝对流量。观测数据信噪比SNR：

SNR=SF/σ.

(8)

校准源3C295绝对流量Sf由已知星表得到。计算望远镜实测灵敏度(或最小可测绝对流量)：

(9)

图9(a)-(d)展示了使用旧系统4次不同观测所得校准源3C295流量曲线，横轴为时间，纵轴为相对强度。积分时间10 s，带宽200 MHz，在此条件下，系统灵敏度的理论值约为0.02 Jy。根据(8)和(9)式，实测数据处理结果见表2。图10(a)-(d)为新系统观测3C295流量曲线，横轴为时间，纵轴为相对强度。积分时间1 s，观测带宽30 MHz，在此观测条件下，系统灵敏度的理论值约为0.17 Jy。根据(8)和(9)式，实测数据处理结果见表3。对比可见，旧系统在带宽、积分时间均有优势的条件下，实测灵敏度远差与理论值相差较多，而新系统实测灵敏度与理论值相差不大。新设备观测，使得数据质量有了较大改善。

图9 3C295 S波段ON/OFF流量曲线-旧系统

Fig.9 The ON/OFF S-band flux curves for 3C295 with the old system

图10 3C295 S波段ON/OFF流量曲线-新系统

Fig.10 The ON/OFF S-band flux curves of 3C295 with the new system

表2 旧系统测试结果

表3 新系统测试结果

4 总结及展望

本文介绍了基于云南天文台40 m射电望远镜开展射电源流量观测系统的建立工作。综合考虑流量观测和干扰测试的结果之后，为提高系统的弱源观测能力，新研制了天线后端设备。主要包括抗干扰射频模块、K因子辐射计以及观测和数据处理软件。通过新设备的研制，给天线实际观测性能带来了明显改进，使得该天线在S波段初步具备了进行射电源流量天文观测的能力。

需要指出的是，射电源试观测表明系统灵敏度问题基本解决，但较长时间的系统稳定性问题还需要更多的测试和数据进行评估。

致谢：感谢设备设计、研发阶段紫金山天文台徐之材先生的悉心指教和帮助。设备安装、调试以及试观测过程中云南天文台汪敏、施硕彪老师给予的指导，以及董江、李志玄、徐永华等的大力协助与配合。

[1]40 m X/S双频段天线系统技术指标要求[S]. 中国科学院国家天文台, 2004.

[2]张洪波, 毛佩锋, 汪敏等. 40 m口径射电望远镜[J]. 天文研究与技术——国家天文台台刊, 2008, 5(2): 187-191.

Zhang Hongbo, Mao Peifeng, Wang Min, et al. The 40m radio telescope[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2008, 5(2): 187-191.

[3]刘彬, 李建斌, 董亮, 等. 云南天文台40 m射电望远镜河外射电源观测[J]. 天文研究与技术——国家天文台台刊, 2012, 9(1): 7-13.

Liu Bin, Li Jianbin, Dong Liang, et al. Observations of extragalactic radio sources with the 40m radio telescope of the Yunnan Observatory[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2012, 9(1): 7-13.