射电日像仪系统增益校准方法研究

李沙等

摘 要： 提出了一种基于[Y]因子法对射电日像仪低频阵天线进行系统增益校准实验，并对校准的基本方法及构架进行了详细介绍，给出了射电日像仪低频阵和高频阵天线阵列的UV覆盖图，并利用宁静太阳作为校准源，采用标校源测试方法，对低频阵天线增益进行了测试标校，并给出了初步结果，同时用数据分析其可行性及校准误差。

关键词： 幅度校准； 幅度一致性； 幅度稳定度； 幅度误差

中图分类号： TN82?34； P111.44 文献标识码： A 文章编号： 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?分米波射电日像仪”（Chinese Spectral Radio Heliograph，CSRH）是观测太阳专用的射电望远镜，通过观测太阳，对日面进行多层次观测，并根据观测太阳活动的动力学性质，探测日冕大气[1]，从而了解日冕大气的动力学过程。具体的科学目标包括：瞬变高能现象，日冕磁场，太阳大气结构，太阳耀斑和日冕物质抛射的源区特性。为实现观测太阳成像的高空间分辨率，采用综合孔径成像技术[2]对源进行观测。

1 CSRH日像仪介绍

CSRH日像仪系统由100面抛物面天线组成[3]， CSRH一期工程（CSRH?Ⅰ）是由40面口径为4.5 m，0.4～2 GHz抛物面天线组成，CSRH二期工程（CSRH?Ⅱ）是由60面口径为2 m，2～15 GHz抛物面天线组成。中心天线编号IA0，其余99面天线以每臂33面天线成3臂螺旋形排布[4]，天线采用抛物面主焦式天线接收太阳信号。CSRH?Ⅰ阵列和CSRH?Ⅱ阵列UV覆盖图如图1所示，图1中[U]和[V]表示的是成图坐标系下的频率分量。从图像后处理和去卷积的角度考虑，螺旋臂形式的UV覆盖方位分布均匀，径向密度成高斯分布，能得到较好的源图像。

2 综合孔径合成原理简介

综合孔径射电望远镜（Aperture Synthesis Radiotelescope）是一种运用综合孔镜成像原理将观测源成像的射电源望远镜[5]。从1954年布莱思按照赖尔提出的方案，建造了第一台综合孔径射电望远镜到现在，综合孔径成像已经发展了半个多世纪。CSRH系统采用综合孔径成像技术，它是在干涉仪的基础上，把多个口径比较小的望远镜综合成一架大的望远镜，利用傅里叶变换原理正确成像[6]。傅里叶级数各项值分别表示源亮度在不同方向、不同空间频率上的成分。根据干涉原理，空间频率直接取决于基线长度，方向取决于基线方向，因此使用不同基线观测同一个源，每条基线测出某方向、某频率上的一个成分，将各天线信号做互相关并积分即可测到复可见函数，通过傅里叶反变换，最后得到源的亮度分布，也就是等于进行了成像观测[7]。空间亮度分布可以是傅里叶变换，称为可见度函数，为空间方向的空间频率。所以，只要测到含所有空间频率分量的可见度函数，经傅里叶变换关系后可恢复并得到天体的图像。图2所示是双天线干涉仪的系统框图，信号通过A，B两天线进入到接收机系统，两通道信号相干后，输入到成图软件，对数据进行后期处理。

图2中所示的两天线，观测时间为本地时间正中午时，A，B两天线同时接收太阳信号，两路输出信号无时延差、相位差。但是由于地球自转，太阳偏西时，A天线接收到的太阳信号比B天线接收到的同一波前的信号时间滞后[τg，]相位滞后[2πfRFτg，]这是由路程差[Δl]引起而产生的时间差、相位差[8]。同一波前信号入射到干涉仪两支路天线反射面后，经天线，光纤传输线，接收机到达相关器。由于光纤传输线不能绝对等长，接收机器件性能不能完全一致，引起两支路信号幅度、相位及时延差异，故对每一通道进来的信号都需要进行校准。

本文提及的增益校准，就是对两支路信号幅度进行测量，并用硬软件方法将接收信号的通道补偿到一致。增益校准主要指设备段幅度测量及校准。对于太阳射电观测，太阳射电图像结构可能在非常短的尺度上变化，所以要求系统幅度稳定度高，因此要周期性做幅相校准，以消除系统幅相不稳定误差。CSRH?I指标要求动态范围[9][D>]25 dB。则有：

3 基于[Y]因子法测试天线增益

3.1 校准方法研究

增益校准有标校源法、射电星法、自校准法等多种方法，根据测试环路的不同，可分为“开路校准”和“闭路校准”两大类。采用“开路校准”时，测试信号由各通道天线向空间辐射，经无线信道传输后由测试设备接收，测试距离可以是远场，也可以是近场；采用“闭合校准”时，测试信号由发射通道取样输出，经校准网络有线连接直接馈入测试设备接收。“闭路校准”也称为实时校准，是指系统正常工作阶段所采取的通道校准措施，通过运用此方法，可以补偿各发射通道信号之间幅度的不一致性，同时还可以在线检测各通道的物理故障。由于各标准支路之间也存在着幅度差异，在测试中需考虑设备的检测精度。运用“开路校准”法对天线的增益进行测试，并用矢量网络分析仪（含光纤传输）对系统进行幅度测试，方案如图3所示。

此时计算待测天线与比对天线的传输程差[ΔS2=S2-S1，]从而相差是[ΔΦ2=360°×ΔS2λ，]进行校准时，喇叭天线至每个天线传播距离不同，也会导致幅度差。空间自由传播损耗[L]为[L=（4πSλ）2，]则由程差引起的幅度差为[（S1S2）2]。

3.2 增益测试结果和讨论

在对CSRH?I阵列天线进行增益测试时，选取了以宁静太阳作为射电源，并对CSRH?I所有天线进行了增益校准测试。日像仪接收机系统前端可选择连接固态宽带噪声源、50 Ω标准终端电阻、天线，采用Y系数法可测试系统噪声温度，系统增益和信噪比指标，天线接收到的太阳功率密度Psun 可根据公式（4）计算：

在进行系统增益测试时，天馈系统选定的频率是610 MHz和1 415 MHz，对应的射频频段分别为400～800 MHz，1 200～1 600 MHz，整个链路测试增益结果如图4所示。图4分别表示的是610 MHz和1 415 MHz低频阵天线40单元的系统增益图，横轴表示40面天线的序号，纵轴表示系统增益值，由上述测试数据表明：当频率在610 MHz时，均方根误差是1.601 dB；当频率在1 415 MHz时，均方根误差是1.769 dB，各子系统在同频率测试系统增益时，有细微的跳变。可用射电星法将所有频点的支路系统增益测量出来，计算每个支路与标准支路的增益差，并在成图时进行校正。

4 结 论

本文从日像仪成像的基本原理出发，给出了阵列的UV覆盖，分析了日像仪天线与标准天线的增益比对值，同时列举了测试日像仪天线的幅度值方法和考虑的问题，并对误差进行了简单分析，运用卫星源校准方法对天线增益和接收机增益进行了测试，测试结果满足日像仪的成像观测需求。

参考文献

[1] PICK M D. Solar radio observations and development of coronal mass ejections [J]. Advances in Space Research， 2003， 32（4）： 467?472.

[2] TAYLOR G B. Synthesis imaging in radio astronomy [M]. San Francisco： Astronomical Society of the Pacific， 1999.

[3] YAN Y， ZHANG J， WANG W， et al. The chinese spectral radioheliograph?CSRH [J]. Earth， Moon， and Planets， 2008， 104（3）： 97?100.

[4] 王威，颜毅华，张坚，等.CSRH阵列设计研究及馈源设计的初步考虑[J].天文研究与技术：国家天文台台刊，2006，3（2）：128?134.

[5] 罗尔夫斯，威尔逊.射电天文工具[M].姜碧沩，译.北京：北京师范大学出版社，2008.

[6] 刘东浩，颜毅华，赵岸，等.新一代厘米：分米波射电日像仪系统延时校准方法研究[J].电子学报，2013，41（3）：570?574.

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[8] YANG J， CHEN X， WADEFALK N， et al. Design and realization of a linearly polarized eleven feed for 1～10 GHz [J]. IEEE Antennas Wireless Propagation， 2009， 8： 64?68.

[9] 姬国枢，王威，何俊波.世界各国日像仪主要性能比较[J].天文研究与技术，2010，7（2）：95?105.