阅读说明：本技术 一种太阳射电辐射计及频谱观测系统与控制方法 (Solar radio radiometer and spectrum observation system and control method ) 是由 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 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses a solar radio radiometer and a spectrum observation system and a control method, and the technical scheme is as follows: the device comprises a change-over switch, an amplifier I, a filter I, a mixer, an amplifier II, a filter II, an analog-digital converter, an FPGA signal processing module and an upper computer which are connected in sequence; the switch is connected with the antenna and adjusts the output frequency or the duty ratio of the antenna and the reference source according to balance judgment. Aiming at the conditions that the sensitivity is reduced due to the structural gain of a solar radiometer observation system in radio astronomy and the time resolution is reduced due to integration, the invention provides an improved zero-balance Dick type observation structure which can be used as a spectrum observation device and can be used for radiometer observation, provides a calibration principle and a calibration process, can flexibly adjust the integration bandwidth, and simultaneously adopts a sliding integration mode to ensure the time resolution of the spectrum and the radiometer original data.)

一种太阳射电辐射计及频谱观测系统与控制方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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T_a"等于T_ref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，发明人发现，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(T_c，T_h)越接近输入信号的亮温(T_a)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。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明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，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明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，本发明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。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明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)本发明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)本发明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)本发明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

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

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是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；

图5是本发明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是本发明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是本发明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技术领域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：T_a为天线输出噪声温度，T_r为接收机系统噪声温度，T_ref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)，τ为系统预积分时间。

全功率型辐射计如图1所示，该系统结构由天线、视频放大器、混频器、中频放大器、平方律检波器、低通滤波器、ADC等组成。平方律检波器将中频放大器输出的射频功率信号转化为电压信号。该装置结构简单，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。迪克型辐射计如图2所示，该结构优点是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，如图3所示，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T_a"等于T_ref消除了非平衡式中增益带来的影响，从而减小增益的影响。

虽然上述辐射计具有一定有点，但是，只能观测辐射流量，不能对太阳频谱及射电辐射流量进行同时观测，且定标过程需要辅助外部定标源。

本实施例的系统结构如图4所示，包括依次连接切换开关、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；所述混频器接入本振。

其中，切换开关具有四个接口，接口1连接参考负载1，接口2连接天线，接口3连接参考负载2，接口4连接放大器I。所述FPGA信号处理模块通过开关驱动连接切换开关，FPGA信号处理模块包括方波发生器及同步模块。本实施例利用开关切换采用零平衡计算，消除增益影响，同时采用两个不同的参考负载提供亮温标定。

本实施例不再如传统平衡结构中平均分配开关接天线与参考源的时间，而是根据平衡判断调整天线与参考源的输出频率或占空比；简化了传统平衡控制的时序控制要求，减弱了时序控制难度，只需通过方波发生器及同步模块同步标记出输出为天线还是为参考源即可，定标过程也不在需要外部定标源。

实施例二：

本实施例提供了一种太阳射电辐射计及频谱观测控制方法，采用实施例一所述的太阳射电辐射计及频谱观测系统，控制过程如图8所示：

(1)上位机下发参数控制方波发生器及同步模块，从而控制系统积分时间τ，积分带宽B。

(2)方波发生器及同步模块根据系统要求总积分时间根据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。

积分时间τ＝τ₂₁+τ₁，τ＝τ₂₃+τ₃，

其中，τ为系统积分时间，τ₂₁为开关脉冲位于天线跟参考负载T_ref1之间时天线的接通时间，τ₁为参考负载T_ref1的接通时间。

开关在天线与参考负载2时同理。

(3)平衡计算：

V_a21＝GkB(T_a+T_rec)*τ₂₁；

V_ref1＝GkB(T_ref1+T_rec)*τ₁；

τ＝τ₂₁+τ₁；

V_OUT＝V_a21-V_ref1；

当V_OUT为零时实现平衡，因此，通过判断调节天线与参考负载接通时间占空比，从而实现系统零平衡。

同理可以得开关在参考负载2与天线时：

V_a23＝GkB(T_a+T_rec)*τ₂₃；

V_ref2＝GkB(T_ref2+T_rec)*τ₃；

τ＝τ₂₃+τ₃。

由上述公式与已知τ₂₁、τ₂₃、τ₁、τ₃可以计算出T_a：

(5)在观测辐射计同时进行太阳频谱观测，通过方波发生器及同步模块，分离出频谱数据，在FPGA内部进行预积分，然后再在上位机进行滑动积分，在保持高时间分辨率的情况下，获得更为稳定频谱图形。

传统辐射计结构由于检波器前的输入信号带宽固定为B，输出为带宽B内功率对应的电压值，决定灵敏度计算公式中的带宽B，其带宽B固定。通过低通滤波器进行预积分后再在上位机进行数字积分，如图7所示，每间隔时间τ输出计算的积分值，此种固定时间内数据积分方式与滑动积分带宽B和积分时间τ相同时具有相同的灵敏度。但此方式积分带宽B固定，滑动形式可以根据需要进行上位机调节带宽B，从而提高或者降低灵敏度。且此种方式不具有滑动积分形式下的较高的原始数据时间分辨率。

本实施例采用滑动积分保持更高的原始数据的时间分辨率，滑动积分及积分带宽B更改过程：

1)频谱观测积分时间τ＝τ₁+τ₂，τ1为FPGA内进行的预积分时间，τ2为上位机进行的积分时间。需要进行一个积分时间权衡的问题，在太阳射电频谱观测通常要求尽可能高的时间分辨率又希望频谱尽量高的灵敏度，在对频谱观测需要合理分配FPGA内部预积分时间(决定频谱观测原始数据的时间分辨率)及上位机积分时间。

在FPGA内部预积分时间τ1越长，频谱观测时间分辨率越低(即时间间隔越长)，为提高频谱观测时间分辨率，尽可能缩短FPGA积分时间τ1(决定原始频谱数据时间分辨率)，增大τ2，采用对上传至上位机的数进行滑动积分。如图5所示，上位机保持对一定时间τ2内数据进行滑动累加，进一个数，出一个数，重新计算积分值，这样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。

2)对于辐射流量观测过程，通过上位机对FPGA上传的数据进行灵活的调节积分带宽B(几十MHz至几百MHz带宽，远大于传统两种结构的检波前十几MHz带宽)的大小，同时控制积分时间τ，从而提高系统灵敏度。如图6所示，保持对一定时间τ内数据进行滑动累加，进一个数，出一个数，重新计算积分值，这样射电辐射强度的原始数据的时间分辨率由每次重新记一次滑动时间决定，对固定时间τ内的数据决定射电辐射强度的灵敏度。

本实施例通过滑动形式既保证了频谱观测原始数据时间分辨率，也保证了辐射流量观测的原始数据时间分辨率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。