射电天文台站准实时电波环境测量方法

刘奇 王娜 王玥 刘晔 刘烽 陈卯蒸

(1.中国科学院新疆天文台,乌鲁木齐 830011;2.中国科学院射电天文重点实验室,南京 210008; 3.中国科学院大学,北京 100049)

引 言

射电望远镜具有极高的系统灵敏度,例如,目前L、 S、C波段的系统噪声温度只有几十K,而现有射电望远镜建设过程中,容易忽视系统电磁兼容性设计及电磁防护[1]. 随着空间无线电技术的发展及台站内电子设备的不断增多,电磁环境变得尤为复杂[2], 台址内外电磁干扰通过天线旁瓣进入接收系统[3],降低系统信噪比,恶化观测数据,也加大了处理数据的复杂性[4-5].

平方千米阵列(Square Kilometer Array,SKA)国际工程小组认识到台址干扰监测与评估的重要性,2003年制定了SKA选址射频干扰测试协议[6],该电波环境测试方法在国际射电望远镜选址中得到较多应用,如澳大利亚ASKAP和南非SKA[7-8],荷兰WAST和LOFAR[9-10],中国FAST(Five hundred Meters Aperture Spherical Telescope)和中国新疆110 m全可动射电望远镜[11-15]等. 该电波环境测试方法对于射电天文台站前期选址及电波环境综合评估具有一定的优势,但针对正在建设和正在运行的天文台站进行电波环境测试,缺乏信号的实时性信息．而现有射电望远镜在前期设计和建设阶段缺乏电磁兼容性设计及屏蔽防护,台址自身设备及外在无线通信业务对射电天文观测影响越来越大. 综上所述,需要研究适应于现有射电天文台站的电波环境测试方法,本文提出一种准实时电波环境测试方法及数据处理方法,能够分析电波环境频谱随时间变化趋势,为现有射电天文台站干扰缓解策略提供重要依据.

1 测试系统

1.1 系统组成

测试系统由对称周期天线、前置放大器、滤波器、信号分析仪和计算机组成,测试原理框图如图1所示．系统中使用高通滤波器有效减小低频信号对测试结果的影响,滤波器前后各加3 dB衰减器减小微波链路驻波,提高系统测试精度. 采用标准噪声源[16]346C对测试系统进行校准,数据处理后,获得测试系统噪声温度和系统增益;通过系统增益对测试数据进行校准,获得测试天线口面处辐射功率.

图1 测试系统原理图

1.2 测试系统校准

系统校准采用Y因子法[2,7],超噪比REN定义为噪声源开关之间的温度差与标准温度的比值:

(1)

式中:标准温度T0为290 K;Toff为噪声源关闭状态时温度;Ton为噪声源工作状态时温度.Y因子定义为标准噪声源开与关时器件的输出功率比:

(2)

式中:Pon为噪声源打开时测试仪输出功率;Poff为噪声源关闭时输出功率．噪声系数FN通过公式(3)进行计算:

(3)

噪声温度TR为

(4)

系统增益GR按照公式(5)进行计算:

(5)

式中:k为玻尔兹曼常数;B为带宽.

按照系统原理框图连接噪声源和测试系统,通过计算机控制频谱仪28DV电源开关,获得开关状态下的典型频点功率,依据标准噪声源346C超噪比,按照式(3)和式(5)计算系统噪声系数和系统增益. 获得的系统增益用于校准测试数据,通过系统噪声系数查验系统性能是否正常,以提高测试数据的可靠性. 对实际测试系统进行校准,测试结果如图2所示.

图2 系统校准结果

1.3 测量不确定度分析

由式(5)确定的系统增益GRdB为

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

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

(6)

Ton=T0(REN-1)．

(7)

从式(4)、(6)、(7)可以看出,系统增益与REN的关系主要体现在

10lg(Ton+TR)

(8)

式(8)的推导结果表明,系统增益不确定度由标准噪声源REN不确定度决定.

1)标准噪声源346C的超噪比REN不确定度小于0.22 dB(150 MHz～7 GHz)[16];另外,校准时REN随温度变化为0.01 dB/(°)[16],假设1天温差为15°,REN随温度变化不确定度为0.15 dB;其次,REN随供电电压变化不确定度为小于0.02 dB. 所以,系统校准时,系统增益不确定度为0.39 dB.

2)测试系统使用的信号分析仪为R&S FSW26,此信号分析仪8 GHz以下频段,总测试不确定度为0.4 dB[17]．

综上分析,采用标准噪声源校准获得系统链路的增益,系统增益不确定度为0.39 dB,校准时,信号分析仪的测量不确定度为0.4 dB．另外,运用信号分析仪进行电波环境测量时,测试不确定度为0.4 dB．所以,总的测试不确定度为1.19 dB.

2 测试方法

2.1 测试要求

1) 确保测试系统具有较高的灵敏度,实现台站弱信号的测试．实际测量时,由于测量系统通常为超宽带,且测试天线波束较宽,若前置放大器增益太高,容易受到环境固定、瞬态强信号的影响,降低器件性能;建议系统噪声温度小于2 000 K、系统增益小于40 dB.

2) 测试系统安装在射电望远镜上,高度接近射电望远镜馈源口面,此位置测试获得的功率可近似认为是射电望远镜馈源口面处的功率,测试数据可直接用于分析射频干扰对射电天文观测的影响,忽略电波传播路径影响.

3) 设置射电望远镜俯仰为20°或更小,保证测试天线口面无遮挡,提高测试数据精度.

4) 电波环境测试之前需运用标准噪声源对测试系统进行校准,获得系统噪声和系统增益．通过系统噪声确定系统性能是否正常,系统增益用于数据校准,提高测试数据的可靠性.

5) 电波环境测试包含水平极化测试和垂直极化测试. 测试天线每次测试范围为测试天线3 dB波束宽度,通过转动望远镜改变测试天线方位,多次测试覆盖360°,例如,测试天线3 dB波束宽度为60°,需要测试6次,满足全方位测试.

2.2 信号分析仪关键参数分析

商用信号分析仪采用扫频模式,合理设置分辨率带宽WRB、视频滤波器带宽WVB、单屏测试带宽SPAN、扫描时间tsweet、检波方式等可提高信号分析仪的扫描速度和测试精度;另外,对于高精度自动化电波环境测试,需要依据信号分析仪扫描时间安排测试时间,从而实现自动化测试.

1)WRB、WVB、SPAN、tsweet等参数分析

WRB通过中频滤波器进行设置．中频滤波器有模拟滤波器、数字滤波器和快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)滤波器,其响应时间tresp通过公式(9)进行计算:

(9)

式中,k为滤波器的比例系数[18]. 选择不同类型滤波器需匹配不同的比例系数,确保测量偏差不大于 0.15 dB[20].

图3[20]给出了最小扫描时间、WRB、中频滤波器类型的相互关系．从关系图可以看出,需要依据WRB选择合适滤波器类型及比例系数,从而优化频谱分析的扫描时间.

图3 WRB、滤波器类型与最少扫描时间关系曲线[20]

信号分析仪扫描带宽为Δf时,扫描时间理论上通过式(10)进行计算,而对于实际的测试,需要考虑WVB响应时间的影响,所以,实际测试时,扫描时间运用式(11)进行计算.

(10)

(11)

每个分辨率带宽内采集10个点,便于分辨率带宽内的数据统计,则单屏测试带宽SPAN按照式(12)进行计算:

(12)

式中,Cpoints为每屏测试带宽采样点数.

2) 扫频模式及检波器选取

射电望远镜系统灵敏度按照式(13)进行计算:

(13)

式中:Tsys为系统噪声温度;B为接收机带宽;τ为积分时间. 从式(13)可以看出,在系统温度和带宽确定的情况下,增加积分时间可提高系统灵敏度.

我们将此方法应用到电波环境测试中,主要体现在对信号分析仪的控制上,即在分辨率带宽和扫描时间确定的情况下,通过对单屏测试带宽多次扫描,每次扫描频谱与前一次扫描频谱进行线性平均的方法降低系统噪声,提高信噪比,从而提高对微弱信号的分辨能力. 这是因为测试系统噪声符合高斯分布,通过线性平均可降低系统噪声,而相对固定的信号平均后并不受影响.

综上分析,采用线性平均模式进行测试. 另外,采样检波能够更好地体现信号波动的随机性,信号真实性较高,故选用采样检波器. 图4 给出了不同平均次数下信号分析仪的显示噪声,从频谱图可以看出平均次数越多,噪声动态范围越小,对微弱信号的探测能力越强. 需要注意的是,平均到一定次数,噪声的动态范围不再变化,这是因为式(13)中Tsys为整个系统噪声,包含来自接收机、大气、地面电磁辐射等噪声[19]．另外,系统灵敏度测定也受商用频谱仪模拟器件固有噪声的限制,系统噪声平均到一定次数,噪声动态范围不再下降,即系统灵敏度不再提高.

图4 不同平均次数下的信号分析仪噪声

3) 关键参数确定

依据射电天文业务的无线电频率划分,并结合射电天文观测频段,我们将电波环境测试带宽划分为5个频段.电波环境测试时,为有效辨别不同频段的射频信号,给出了不同频段测试时对应的WRB和WVB;并依据图 3 选取不同频段内WRB对应的滤波器类型和比例系数;按照式(11)计算出分辨率带宽内理论扫描时间,见表1.

由于信号分析仪性能具有一定的差异性,且测试时,信号分析仪在单屏测试带宽SPAN内执行多次线性平均,而实际测试所用时间偏多,这是因为平均运算过程需消耗时间,且低频测试时硬件处理速度较慢. 所以,需要针对实际使用的信号分析仪进行测试,确定信号分析仪实际的测试执行时间.

表1 不同频段的信号分析仪参数

单个频率通道的总扫描时间通过式(14)进行计算;由于每个分辨率带宽内采集10个点,故单屏测试带宽SPAN内总的测试时间通过式(15)进行计算:

tint=N×tsweet;

(14)

(15)

式中:tsweet为分辨率带宽内扫描时间;N为扫描次数.

2.3 准实时测量方法

综上所述,准实时测量方法需保证测量系统的灵敏度和测试数据的精确性;其次,保证单次测量时间的准确性,并依据实际测量需求,规划实际测量时间,通过数据处理分析频谱随时间的变化．其技术难点及解决思路如下:

1)保证测试系统灵敏度:基于大量的实测及工程经验,建议系统噪声温度小于2 000 K、系统增益小于40 dB,确保微弱信号的测量能力.

2)保证测试数据精度及可靠性:采用Y因子法对测量系统进行校准,获取系统链路增益,用于校准测量数据,并进行测量不确定度分析,确保测试数据精度及可靠性.

3)单次测量时间的确定:结合信号分析仪原理,深入分析信号分析仪关键参数的配置方法,确定了不同频段测量时间的计算方法.

4)准实时测量时间规划:依据实际的测量需求,结合单次测试时间、测试天线方向性信息,规划实际测试时间,满足单一方向测试时间的连续性,并保证测试方向覆盖360°.

5)数据处理:提出数据处理和成图方法,实现单一方向频谱、频率占用度随时间变化的有效分析.

3 测试实例及分析

3.1 测试实例

运用此方法对南山25 m射电望远镜台站电波环境进行测试,测试带宽为950～2 650 MHz,包含了受地面干扰影响较大的天文观测频段. 选用R&S FSW13高性能信号分析仪,依据表1给出的分析及测试结果,信号分析仪检波器设置为采样检波器,中频滤波器带宽WRB为30 kHz,视频滤波器带宽WVB为300 kHz．分辨率带宽内采集10个点,结合理论分析与实际测试,确定分辨率带宽内扫描时间为100 μs,平均次数200次;按照式(10)计算出分辨率带宽内积分时间为20 ms,而 SKA 选址 RFI 测试协议中单个频率通道的停留时间为10 ms[4],故满足测试灵敏度要求. 设置信号分析仪单屏测试带宽SPAN内采样点数为10 000,由于分辨率带宽内采集10个点,则单屏测试带宽为(10000/10)×30 kHz=30 MHz,故总测试带宽内测试时间为(2650 MHz-950 MHz)/30 MHz]×20 ms≈19 min,考虑到转动望远镜方位时间及软件调试时间,确定一个方向总测试时间约为22 min.

考虑以新疆作息时间为例,测试时间确定为北京时间10:00—22:00,包含了人们的主要活动时间．所使用的测试天线3 dB波束宽度为45°,故一个测试方向覆盖45°范围,8个方向测试覆盖360°. 由于每个方向测试时间约为22 min,1.5 h完成4个方向测试,8个时间段测试覆盖整个白天. 第一天完成4个方向测试,第二天完成另外4个方向测试,测试方向及时间安排如图5所示. 另外,电波环境测试包含水平极化和垂直极化测试,共计测试时间为4天.

图5 测试方向及测试时间安排

3.2 数据处理及分析

1) 数据统计:测试时每个分辨率带宽内采集10 个点,即每 30 kHz 带宽内采集 10 个点;统计出每 10 个点的平均值作为每 30 kHz频点对应的功率值,提高数据的准确性.

2) 数据校准:按照式(16)对测试数据进行校准,获得测试天线口面处功率;按照公式(17)将功率(单位为 dBm)转换为场强(单位为 dBμV/m):

P=PSA-GA-GS;

(16)

E=P+FA+107．

(17)

式中:PSA为频谱仪显示功率;GA为测试天线增益,GS为测试系统增益;FA为天线因子.

3) 准实时频谱分析:本文仅给出1 000～2 000 MHz典型的测试频谱图,如图 6 所示. 从图6(a)、(b)可以看出:随着时间的变化,1 850 MHz 处的3G信号幅度随着时间的变化不大,而1 150 MHz、1 600 MHz、1 750 MHz处干扰信号仅在单一的时间段出现,对台站安排观测任务起到一定作用;1 950 MHz 处干扰时有时无,时强时弱,经过长时间测量及诊断,确定为手机发射信号.

(a) 某方向测试频谱

(b) 某方向干扰信号统计频谱图6 某方向准实时测试频谱

4) 准实时频率占用度统计:针对电磁干扰对脉冲星观测影响较大,故对脉冲星观测频段1 380～1 700 MHz 频率占用度进行统计. 图7为不同方向(纵向)、不同时间段(横向)的频率占用度统计图. 从统计结果可以看出,同一方向不同时间段频率占用度具有差异性,表明瞬态干扰信号对电波环境频谱的影响较大,如90°方向变化比较明显,在13:00—14:30时间段频率占用度高达18.564%,分析确定为台站外部的气象通信业务.

综上分析,射电天文台站准实时电波环境测试方法能够有效分析单一方向频谱瞬态信号及频率占用度随时间的变化趋势,为台址频谱分析、干扰查找、消干扰策略提供了重要依据.

图7 脉冲星观测频段频率占用度统计

4 结 论

本文提出一种准实时电波环境测量方法,该方法应用于新疆天文台南山台站,频谱分析及频率占用度统计表明:1)准实时电波环境测量方法能够有效分析电磁干扰随时间变化;2)瞬态信号对射电天文观测影响极大．该测量方法在保证测量精度和系统灵敏度的同时,依据实际测量频段,合理配置测量参数,科学规划测量时间,能够有效分析射电天文台址电磁干扰特征,为干扰缓解策略提供依据．但是,随着数字技术的发展及我国频率使用率的不断提高,电磁干扰的种类异常繁多、信号特征极其复杂,准实时电波环境测量并不能有效分析高时间分辨率瞬态信号特征.所以,宽带、实时频谱监测、信号统计与识别、高效数据管理是我们现在及未来研究工作的重点．

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