李沙等

摘 要： 提出了一種基于[Y]因子法對射電日像儀低頻陣天線進行系統(tǒng)增益校準實驗，并對校準的基本方法及構架進行了詳細介紹，給出了射電日像儀低頻陣和高頻陣天線陣列的UV覆蓋圖，并利用寧靜太陽作為校準源，采用標校源測試方法，對低頻陣天線增益進行了測試標校，并給出了初步結果，同時用數(shù)據(jù)分析其可行性及校準誤差。

關鍵詞： 幅度校準； 幅度一致性； 幅度穩(wěn)定度； 幅度誤差

中圖分類號： TN82?34； P111.44 文獻標識碼： A 文章編號： 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?分米波射電日像儀”（Chinese Spectral Radio Heliograph，CSRH）是觀測太陽專用的射電望遠鏡，通過觀測太陽，對日面進行多層次觀測，并根據(jù)觀測太陽活動的動力學性質，探測日冕大氣[1]，從而了解日冕大氣的動力學過程。具體的科學目標包括：瞬變高能現(xiàn)象，日冕磁場，太陽大氣結構，太陽耀斑和日冕物質拋射的源區(qū)特性。為實現(xiàn)觀測太陽成像的高空間分辨率，采用綜合孔徑成像技術[2]對源進行觀測。

1 CSRH日像儀介紹

CSRH日像儀系統(tǒng)由100面拋物面天線組成[3]， CSRH一期工程（CSRH?Ⅰ）是由40面口徑為4.5 m，0.4～2 GHz拋物面天線組成，CSRH二期工程（CSRH?Ⅱ）是由60面口徑為2 m，2～15 GHz拋物面天線組成。中心天線編號IA0，其余99面天線以每臂33面天線成3臂螺旋形排布[4]，天線采用拋物面主焦式天線接收太陽信號。CSRH?Ⅰ陣列和CSRH?Ⅱ陣列UV覆蓋圖如圖1所示，圖1中[U]和[V]表示的是成圖坐標系下的頻率分量。從圖像后處理和去卷積的角度考慮，螺旋臂形式的UV覆蓋方位分布均勻，徑向密度成高斯分布，能得到較好的源圖像。

2 綜合孔徑合成原理簡介

綜合孔徑射電望遠鏡（Aperture Synthesis Radiotelescope）是一種運用綜合孔鏡成像原理將觀測源成像的射電源望遠鏡[5]。從1954年布萊思按照賴爾提出的方案，建造了第一臺綜合孔徑射電望遠鏡到現(xiàn)在，綜合孔徑成像已經(jīng)發(fā)展了半個多世紀。CSRH系統(tǒng)采用綜合孔徑成像技術，它是在干涉儀的基礎上，把多個口徑比較小的望遠鏡綜合成一架大的望遠鏡，利用傅里葉變換原理正確成像[6]。傅里葉級數(shù)各項值分別表示源亮度在不同方向、不同空間頻率上的成分。根據(jù)干涉原理，空間頻率直接取決于基線長度，方向取決于基線方向，因此使用不同基線觀測同一個源，每條基線測出某方向、某頻率上的一個成分，將各天線信號做互相關并積分即可測到復可見函數(shù)，通過傅里葉反變換，最后得到源的亮度分布，也就是等于進行了成像觀測[7]。空間亮度分布可以是傅里葉變換，稱為可見度函數(shù)，為空間方向的空間頻率。所以，只要測到含所有空間頻率分量的可見度函數(shù)，經(jīng)傅里葉變換關系后可恢復并得到天體的圖像。圖2所示是雙天線干涉儀的系統(tǒng)框圖，信號通過A，B兩天線進入到接收機系統(tǒng)，兩通道信號相干后，輸入到成圖軟件，對數(shù)據(jù)進行后期處理。

圖2中所示的兩天線，觀測時間為本地時間正中午時，A，B兩天線同時接收太陽信號，兩路輸出信號無時延差、相位差。但是由于地球自轉，太陽偏西時，A天線接收到的太陽信號比B天線接收到的同一波前的信號時間滯后[τg，]相位滯后[2πfRFτg，]這是由路程差[Δl]引起而產(chǎn)生的時間差、相位差[8]。同一波前信號入射到干涉儀兩支路天線反射面后，經(jīng)天線，光纖傳輸線，接收機到達相關器。由于光纖傳輸線不能絕對等長，接收機器件性能不能完全一致，引起兩支路信號幅度、相位及時延差異，故對每一通道進來的信號都需要進行校準。

本文提及的增益校準，就是對兩支路信號幅度進行測量，并用硬軟件方法將接收信號的通道補償?shù)揭恢?。增益校準主要指設備段幅度測量及校準。對于太陽射電觀測，太陽射電圖像結構可能在非常短的尺度上變化，所以要求系統(tǒng)幅度穩(wěn)定度高，因此要周期性做幅相校準，以消除系統(tǒng)幅相不穩(wěn)定誤差。CSRH?I指標要求動態(tài)范圍[9][D>]25 dB。則有：

3 基于[Y]因子法測試天線增益

3.1 校準方法研究

增益校準有標校源法、射電星法、自校準法等多種方法，根據(jù)測試環(huán)路的不同，可分為“開路校準”和“閉路校準”兩大類。采用“開路校準”時，測試信號由各通道天線向空間輻射，經(jīng)無線信道傳輸后由測試設備接收，測試距離可以是遠場，也可以是近場；采用“閉合校準”時，測試信號由發(fā)射通道取樣輸出，經(jīng)校準網(wǎng)絡有線連接直接饋入測試設備接收?！伴]路校準”也稱為實時校準，是指系統(tǒng)正常工作階段所采取的通道校準措施，通過運用此方法，可以補償各發(fā)射通道信號之間幅度的不一致性，同時還可以在線檢測各通道的物理故障。由于各標準支路之間也存在著幅度差異，在測試中需考慮設備的檢測精度。運用“開路校準”法對天線的增益進行測試，并用矢量網(wǎng)絡分析儀（含光纖傳輸）對系統(tǒng)進行幅度測試，方案如圖3所示。

此時計算待測天線與比對天線的傳輸程差[ΔS2=S2-S1，]從而相差是[ΔΦ2=360°×ΔS2λ，]進行校準時，喇叭天線至每個天線傳播距離不同，也會導致幅度差?？臻g自由傳播損耗[L]為[L=（4πSλ）2，]則由程差引起的幅度差為[（S1S2）2]。

3.2 增益測試結果和討論

在對CSRH?I陣列天線進行增益測試時，選取了以寧靜太陽作為射電源，并對CSRH?I所有天線進行了增益校準測試。日像儀接收機系統(tǒng)前端可選擇連接固態(tài)寬帶噪聲源、50 Ω標準終端電阻、天線，采用Y系數(shù)法可測試系統(tǒng)噪聲溫度，系統(tǒng)增益和信噪比指標，天線接收到的太陽功率密度Psun 可根據(jù)公式（4）計算：

在進行系統(tǒng)增益測試時，天饋系統(tǒng)選定的頻率是610 MHz和1 415 MHz，對應的射頻頻段分別為400～800 MHz，1 200～1 600 MHz，整個鏈路測試增益結果如圖4所示。圖4分別表示的是610 MHz和1 415 MHz低頻陣天線40單元的系統(tǒng)增益圖，橫軸表示40面天線的序號，縱軸表示系統(tǒng)增益值，由上述測試數(shù)據(jù)表明：當頻率在610 MHz時，均方根誤差是1.601 dB；當頻率在1 415 MHz時，均方根誤差是1.769 dB，各子系統(tǒng)在同頻率測試系統(tǒng)增益時，有細微的跳變?？捎蒙潆娦欠▽⑺蓄l點的支路系統(tǒng)增益測量出來，計算每個支路與標準支路的增益差，并在成圖時進行校正。

4 結 論

本文從日像儀成像的基本原理出發(fā)，給出了陣列的UV覆蓋，分析了日像儀天線與標準天線的增益比對值，同時列舉了測試日像儀天線的幅度值方法和考慮的問題，并對誤差進行了簡單分析，運用衛(wèi)星源校準方法對天線增益和接收機增益進行了測試，測試結果滿足日像儀的成像觀測需求。

參考文獻

[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，顏毅華，張堅，等.CSRH陣列設計研究及饋源設計的初步考慮[J].天文研究與技術：國家天文臺臺刊，2006，3（2）：128?134.

[5] 羅爾夫斯，威爾遜.射電天文工具[M].姜碧溈，譯.北京：北京師范大學出版社，2008.

[6] 劉東浩，顏毅華，趙岸，等.新一代厘米：分米波射電日像儀系統(tǒng)延時校準方法研究[J].電子學報，2013，41（3）：570?574.

[7] 褚慶昕，藺煒，林偉鑫，等.具有緊湊饋電網(wǎng)絡的寬帶四臂螺旋天線[J].電子學報，2013，41（4）：722?726.

[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] 姬國樞，王威，何俊波.世界各國日像儀主要性能比較[J].天文研究與技術，2010，7（2）：95?105.