边带分离型超导SIS接收机本振耦合噪声研究

超导SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor)接收机因极低的接收机噪声温度成为毫米波和亚毫米波段射电天文观测的首选.本振系统耦合噪声也是接收机噪声的一部分,在多年的天文观测中,发现本振耦合噪声无法完全忽略,对天文观测的灵敏度有一定影响.采用两个不同种类的信号发生器作为本振系统初级信号源,测试了超导SIS接收机的噪声温度,发现信号发生器输出的基底噪声能够耦合到接收机内部,从而增加接收机噪声强度.分析研究了本振系统热噪声和信号发生器基底噪声对接收机噪声的影响.通过在信号发生器输入端加入窄带滤波器滤除其基底噪声,消除了信号发生器基底噪声引入的接收机噪声,降低了接收机的整体噪声,提高了望远镜的灵敏度.     

德令哈13.7m望远镜谱线OTF观测系统

紫金山天文台研制的毫米波段多波束超导成像频谱接收机(简称超导成像频谱仪)于2010年底安装到13.7 m望远镜上.为发挥超导成像频谱仪的观测能力,紫金山天文台研发了基于多波束接收机的快速高效巡天的OTF(On-The-Fly)观测方法,在国际上首次提出并运用了"隔行扫描"的OTF扫描方法,对该方法进行了系统的测试和验证,并做了观测参数的优化.研发了"OTF观测星表生成器"软件,该软件提供参考点查找、观测时间估算、rms(root mean square)估算、最佳观测时段选择等功能.研发了OTF数据预处理软件,该软件具有坏数据剔除、数据修正功能,并能够结合GILDS软件完成数据网格化(Gridding)处理.通过实际观测测试,观测结果与美国五大学射电天文台(Five College Radio Astronomy Observatory,FCRAO)观测相符.该系统2011年用于13.7 m望远镜谱线成图观测,在银河画卷项目观测和其他课题成图观测中得到广泛的应用,取得了很好的观测结果,验证了该系统的有效性.     

阵列接收系统的噪声温度分析

针对射电天文抗干扰技术对于射电天文观测设备灵敏度的影响,分析了评估自适应波束形成技术对阵列接收系统的噪声温度影响.首先通过噪声信号模型,获取了影响系统噪声温度变化的参数,并在此基础上研究了天线增益、接收机增益和耦合性等系统参数的不确定性对于噪声温度的影响,最后利用仿真实验分析了理想系统条件下当前主要的自适应波束形成算法对于系统噪声温度的影响.结果表明基于自适应波束形成的抗干扰方法在天文信号源和干扰信号源重合的情况下已不再适用.     

德令哈13.7m望远镜接收机抗射频干扰研究

在天文观测中,射频干扰会造成假谱,降低数据的可靠性和有效性.射频干扰消减旨在减少干扰信号对射电天文观测的影响,包含器件方面的技术革新和数据处理领域的方法研究.针对德令哈13.7 m望远镜接收机中频部分引入的射频干扰,通过优化中频器件的抗射频干扰能力,提高了接收机的整体抗射频干扰能力,以主动消除方法来减少射频干扰耦合到接收机内部.分析了接收机干扰的传输路径,提出了器件射频干扰的直接耦合系数和器件射频干扰的系统耦合系数的概念,为定位干扰敏感器件并量化干扰引入比重提供了基础.经过抗射频干扰优化后,接收机抗干扰能力改善30 dB左右,望远镜的天文观测效率提高10%以上.     

S波段双极化低噪声接收机的设计与制作

所述的S波段双极化低噪声接收机是乌鲁木齐天文站根据天文观测研究的需要而设计制作的,接收机采用超外差式结构,设计中对接收机的噪声参数进行了细致地分析和合理地分配,分析选择了符合设计要求的接收机器件,制作中采取有效方法,改善接收机的噪声特性和阻抗匹配,并采用多种测试方法对接收机进行了测试,实测结果与设计分析的指标非常吻合,说明接收机的设计与制作都很成功,接收机噪声温度小于50K,达到国际同类接收机的水平.     

13mm低温制冷谱线接收系统和星际水分子观测研究

为了开拓短厘米波单天线星际分子的观测和研究,在乌鲁木齐天文站２５ｍ射电望远镜１３ｍｍ低温制冷接收机的基础上,配置了声表面波频谱仪和谱线数据采集系统,组成了１３ｍｍ低温致冷谱线接收机．接收机前端是一个工作在低温２０Ｋ的低噪声放大器,本振是２２ＧＨｚ的锁相源．接收机的平均噪声温度为５０Ｋ．后端是一个宽带的（４０ＭＨｚ）高分辨率（４０ｋＨｚ）的声表波频谱仪．利用这套系统观测了一批已知的水脉泽源,观测系统正常,结果合理．观测结果表明,乌鲁木齐天文站良好的站址和２５ｍ射电望远镜给厘米波段星际分子谱线观测提供了一个很好的条件．     

应用于射电天文的低噪声温度测量方法

噪声温度是接收机和低噪声放大器最重要的性能指标,是了解设备性能好坏的关键因素。随着电子技术的快速发展,接收机和低噪声放大器的噪声温度变得越来越低,准确而快速地测量接收机和低噪声放大器的噪声温度变得非常困难。介绍了6种在射电天文中经常使用的测量低噪声温度的方法,这些测量方法具有准确可靠、简单易行的优点。叙述了测量原理并给出了一些测量方法的测量结果,对影响测量噪声温度精度并且易被忽视的因素也做了详细讨论。     

数字边带分离校准研究

边带分离(Sideband-separating, 2SB)接收可实现上边带(Upper Sideband, USB)和下边带(Lower Sideband, LSB)信号同时观测,观测效率高且上、下两边带不会出现混叠.因此在射电天文观测应用中越来越受到重视.由于全模拟边带分离接收机存在难以克服的幅度和相位误差,导致了边带抑制率较低,影响了系统的性能.数字边带分离接收机可通过数字信号处理方法,有效改善系统边带抑制率.在3–18 GHz频段构建数字边带分离接收机原理实验,并基于边带分离理论和数字校准方法,实现实验系统的边带不平衡度校准,大大改善了系统的边带抑制率.     

幸运成像技术在天文观测中的应用

由于大气湍流的影响,传统地基望远镜难以获得高空间分辨率的图像。天文学家为了在天文成像、测光观测、天体测量等领域的研究中得到更好的结果,不断追求克服地球大气的影响,获得更高空间分辨率的方法。幸运成像技术是一种能够使地面望远镜获得接近其衍射极限分辨能力的技术方案,具有成本低、设备简单的优点。介绍了幸运成像技术的发展趋势和基本原理,总结了国际上目前在用的幸运成像系统及其设备参数。结合幸运成像技术在国际上成功应用实例,综述了含系外行星多恒星系统的观测研究、双星系统轨道测量、球状星团中变星搜寻等天文观测获得的大量研究成果。随着新数据处理方法的应用,近年来蓬勃发展的幸运成像与自适应光学复合技术,将进一步拓展幸运成像技术的应用前景。     

18个电离氢区的2.5cm射电连续谱观测

十八个致密电离氢区的2.5cm连续谱观测在上海天文台佘山站25m望远镜上于1990年8月完成.望远镜指向精度为20〃,在该波段当仰角为77°时效率为68％,空间分辨率为4.′2.所用接收机中心频率为11.95GHz,带宽为500MHz,系统噪声温度平均为130K.经校准的噪声管用于定标,每次观测同时测量.观测采用等待式或位置调制,所有源在测量时仰角在28°以上,系统误差在10％以内.观测结果经大气吸收改正转换为流量密度.结合Parkes 64m望远镜在6cm的观测结果和气体星云中射电连续谱的一般规律,对结果作了初步分析.     

The Operation of Multi-beam Receiver of Delingha 13.7 m Telescope

Delingha 13.7 m telescope is one of the most important radio telescopes in China. Since installing the superconducting spectroscopic array receiver (SSAR) and adopting the On The Fly (OTF) observation mode, the telescope has operated for nearly 10 years. During this period, a large number of astronomical observation projects have been carried out and completed, a large amount of astronomical data have been accumulated, and a series of important scientific results have been achieved. This paper introduces the operating status of SSAR in astronomical observations, the problems in operations, as well as the fault phenomena and solutions. The performance test and performance analysis of SSAR are described in detail, including the receiver noise temperature and telescope system noise temperature, image rejection ratio (IRR), receiver stability, beam performance and so on. The updating and development of SSAR are listed, including the automatic adjustment of LO (Local Oscillator) power, the updating of pre-amplification circuits of the sideband separation superconducting mixer, and the optimization of control program, etc. This paper summarizes the experiences and rules, and connects the past with the future, for applying the experiences of the maintenance and operation of SSAR to the next-generation large-scale receiver system.     

Investigation of LO-Coupled Noise for a Sideband Separation Superconducting SIS Receiver

The Superconducting Superconductor-Insulator-Superconductor (SIS) receivers have become the preferred method for (sub)millimeter-wave radio astronomical observations due to the extremely low receiver noise temperature. The coupling noise of the local oscillator (LO) system is also a part of the receiver noise. In many years of astronomical observations, it is found that the LO-coupled noise cannot be completely ignored, which has a certain impact on the sensitivity of astronomical observations. The noise temperature of the superconducting SIS receiver was tested using two different kinds of signal generators as the primary signal source of the LO system. It is found that the base noise output by the signal generator can be coupled into the receiver to increase the receiver noise. By adding a narrow band filter to the output of the signal generator, the base noise of the signal generator can be filtered out, and this part noise of the receiver can be eliminated, the overall noise of the receiver is reduced, and the sensitivity of the telescope is improved.     

Research on Receiver Anti-RFI of Delingha 13.7 m Telescope

In astronomical observations, the radio frequency interference (RFI) will cause pseudo spectra and reduce the reliability and validity of observational data. The RFI mitigation, which includes many technical innovations of devices and the method studies of data processing, aims at reducing the influence of RFI on the radio astronomical observation. Various efforts were made to improve the anti-RFI capability of the multi-beam receiver (Superconducting Spectroscopic Array Receiver, SSAR) of the Delingha 13.7 m telescope. The interference transmission path was analyzed. The concepts of the device RFI direct coupling coefficient and the device RFI system coupling coefficient were proposed. The proportions of interference introduced in the receiver system by the different devices were quantified, and the interference-susceptible devices in the system were located. After the anti-RFI treatment of the interference-susceptible devices, the anti-RFI capability of the receiver system is improved by 30 dB in average, and the astronomical observation efficiency of the telescope is increased by more than 10%.     

射电望远镜远场区域强干扰源规避方法研究

随着频率使用率的提高, 射电天文台址地面或空间存在强电磁干扰致使望远镜接收机系统处于非线性状态. 为减少强电磁干扰的影响、提高天文观测效率, 提出了一种基于望远镜远场区域的强干扰源规避方法. 首先, 通过仿真分析确定的射电望远镜远场方向图, 结合望远镜与干扰源之间的位置关系, 分析了强电磁干扰到达射电望远镜焦点处的功率响应, 并依据接收机第2阶中频放大器性能参数, 确定射电望远镜处于非饱和状态的规避角度计算方法. 其次, 采用该方法计算分析了民航飞机对射电望远镜的影响, 若民航飞机上有主动发射的干扰源, 且不经过反射等传播现象, 当射电望远镜主波束轴偏开一定方向后, 可有效降低对射电望远镜的干扰强度.     

基于自适应滤波的干扰消除方法研究

射电天文信号非常微弱,电磁环境对射电望远镜观测至关重要,通常可以利用地形、建立无线电宁静区、进行电磁屏蔽与防护等手段来减小电磁干扰.然而,仍有一些干扰难以屏蔽.故提出了一种基于自适应滤波的干扰消除方法,可用于复杂噪声环境中天文信号的提取.该方法借助自适应横向滤波器,采用最小均方(Least Mean Square, LMS)误差算法,以系统误差和收敛性为评判标准,通过改变步长与阶数对滤波效果进行优化,仿真结果显示该滤波器能在保证算法收敛的前提下有效提取信号.为了检验该算法的有效性,选取了新疆天文台南山26 m射电望远镜和Parkes 64 m射电望远镜记录的观测数据,采用设计的滤波器分别对不同的实测数据进行测试,验证了该滤波器的有效性.理论分析与实验结果一致表明该方法能有效消除天文观测中的干扰信号,具有一定的实用性.     

基于ASCOM标准的天文电动调焦器设计

随着天文技术的不断发展,远程观测和自主观测逐渐成为天文观测的主流趋势,自动调焦技术也越来越受到重视。电动调焦器是天文望远镜不可或缺的附属设备,是实现自动调焦的关键设备。为实现云南天文台丽江观测站10英寸米德望远镜的自动调焦,自行研发了一套天文电动调焦器,设计相关控制电路,制定串口通信协议,并编写了一套开源天文公共对象模型(Astronomy Common Object Model,ASCOM)驱动程序SS Focuser,详细介绍了该电动调焦器的结构原理和实现方法,实测结果表明,电动调焦器具有很好的稳定性,完全满足设计要求,为天文电动调焦器设计提供了可借鉴的经验和方法。     

大口径射电望远镜电磁兼容评估技术研究

电磁兼容性是设备或系统的重要性能指标, 也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素. 大口径射电望远镜运行阶段, 台址周围无线电业务及内部潜在的电磁干扰会降低观测系统灵敏度、影响天文观测的质量. 本论文针对拟建的新疆110 m全向可动射电望远镜(Qi Tai raido Telescope, QTT)开展了系统电磁兼容评估技术及控制方法研究, 具有重要的工程应用价值. 首先, 依据现有电波环境测量方法的不足, 深入分析了仪器设备的关键参数配置方法及测量时间计算方法, 采用Y因子法校准测量数据, 提出一种准实时电波环境测量方法. 面向高重复性宽带频谱, 分析了宽带频谱信号和噪声特征, 结合标准差理论, 提出一种基于邻值比较的信噪分离方法, 并采用邻值统计方法优化关键参数, 提高信噪分离精度. 针对QTT台址, 开发了自动化电波环境监测系统, 该系统6 GHz以下频段系统增益大于40 dB, 系统噪声系数小于2 dB, 测量不确定度小于1.49 dB, 具有极高的系统灵敏度和测量精度; 分析了频谱监测数据流, 设计了基于HDF5 (Hierarchical Data Format version 5)的数据存储格式, 开发了自动化电波环境测量和监控软件及数据处理软件. 依据QTT台址长期监测数据, 评估分析了台址电磁环境、主要干扰源特征及其影响. 其次, 提出大口径射电望远镜馈源口面干扰电平限值量化方法, 建立了基于台址地形的电波传播模型, 分析了现有电波传播模型的优缺点及适应性, 结合QTT台址实际地形及地质特征, 采用Longley-Rice和Two-Ray电波传播模型, 预测分析了QTT台址潜在干扰区域电磁干扰达到射电望远镜的电波路径衰减, 结合大口径射电望远镜天线增益量化方法, 提出设备所在位置干扰电平限值量化方法, 运用该方法对QTT台址潜在干扰区域的干扰电平限值进行量化. 依据设备所在位置干扰电平限值, 调研分析了国内外军用、民用电磁兼容测量标准, 结合电磁干扰对射电天文观测的影响, 提出一种大口径射电望远镜电磁兼容控制方法, 解决了现有电波暗室测量系统无法直接测量评估电子设备电磁兼容的问题, 该电磁兼容控制方法计划应用于QTT建设及运行阶段, 确保系统拥有良好的电磁兼容性. 最后, 依据QTT台址潜在干扰区域干扰电平限值, 结合典型电子设备电磁辐射频谱, 分析了QTT电磁兼容设计需求, 提出电磁兼容设计初步方案. 另外, 针对台址建筑设施内的中低电磁辐射干扰源, 提出一种低成本建筑屏蔽方法, 应用于QTT台址现有建筑.