[发明专利]一种射电天文望远镜系统

说明书

技术领域

本发明属于射电天文观测领域，针对目前日益增加的无线电对射电天文观测数据的干扰影响，提出的一种有效的干扰抑制技术。

背景技术

随着电子技术的发展，射电天文设备中的模拟终端逐渐被数字终端取代，这不仅在很大程度上提升射电天文观测的效率，也极大地拓宽了射电观测的频段范围，使得几乎整个无线电频段都纳入了射电天文观测范畴。

与此同时，伴随着无线通信技术，如Wlan、个人移动通信等的发展，无线电频率资源被广泛使用。弥漫在空间中的无线电信号，不可避免地经射电天文望远镜进入射电天文观测设备，形成噪声并干扰天文观测。目前，无线电干扰（RFI）已成为困扰射电天文观测的重要因素。

无线电干扰主要在以下几个方面影响射电天文观测：

1、造成接收机饱和，如果RFI在观测频段上过强，超过模拟接收机任何一级元件的最大输入电平就会造成接收机饱和；在该种情况下，射电接收机无法接收到任何天文信号；

2、由于模数转换器（Analog to digital converter, ADC）的无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic Range, SFDR）参数的存在，RFI过强时会导致假谱出现；

3、由于FFT算法自身的一些缺陷，RFI信号的频谱会与通过窗函数和天文信号频谱发生谱间干涉现象，最终形成假谱；并且会导致噪底不平坦，从而影响射电天文信号的相对定标；

4、多RFI通过在传输介质中的相互作用产生令人无法确定频率的交调干扰，这种干扰非常难预料并很难通过传统的方法滤除；

5、在接收机内部，混频时（包括模拟和数字混频两种）RFI信号和本振信号产生的调制频率，也很容易落到感兴趣的射电天文观测频带中，影响到正常的天文信号的恢复与分析。

干扰消除已经成为刻不容缓解决的重要问题，目前采用规避RFI的方法主要有以下几种：

1、”弃”(blanking)，可以分为两种，一是放弃RFI过强的频段，带来的好处是从模拟接收机至数字处理器均无干扰信号注入，二是放弃干扰较强时刻的观测数据，特别是针对脉冲型的干扰（pulse-type signal）可以有效滤除；

2、“阻”(shielding)，通过在接收机链路上相应的无线电干扰频点设置陷波器（notch filter）的办法可以”阻击”RFI，这样做的好处是观测带宽损失较少，并且价格低廉，如果陷波器设置合理则有可能获得“纯净”的频段；

3、采用空间波束形成方法(spatial beam forming techniques ) ：包括后处理旁瓣干扰消除技术（post processing techniques sidelobe-beam nulling）和主动空间波束形成技术( adaptive beam-forming techniques)避开无线电干扰；

4、数字匹配滤波技术（digital matched filter techniques），利用数字滤波器良好的性能，使滤波器趋近于维纳解（wiener solution）可以达到很好的矩形系数，达到滤除无线电干扰的目的；

5、“躲”，选择良好无线电环境的台址。例如，FAST等一些大型的射电望远镜通过选择优良的台址并且采用无线电频段保护实现了干扰的规避。这样可以避开地面RFI。

上述传统消除干扰的方法均存在问题：（1）“弃”方法减少带宽和积分时间，降低观测灵敏度，需要在后期处理中大量采用信号识别技术，增加处理难度；（2）“躲”受地域、经济等诸多因素局限，在通信技术大规模应用的今天，通过选址来规避RFI 干扰愈加困难；（3）“阻”方法需预知RFI 信号频点，对新增和快速变化的RFI 信号无效；同时，增加模拟滤波器导致整个接收机链路的噪声温度升高；（4）空间波束成形法需预知RFI 信号的方向，对快速闪变干扰源无效。最重要的是，上述方法均不能解决强RFI 干扰问题，如遇WiFi、CDMA 或3G 等强信号时，干扰信号直接造成低噪放饱和，接收机无法对整个频段进行观测；而强无线电干扰频段往往是天文上脉冲星、总流量观测等的重要频段。

近年来，超材料（Metamaterial）由于具有不同寻常的电磁特性，是当前国际电磁学研究的前沿课题之一。目前，超材料广泛应用于微波技术、应用光学以及THz 等领域，用来改善微波、光学器件的性能。将微波超材料用于射电天文望远镜系统未见报道，该系统一方面可以有效地去除较强、带宽较窄的无线电干扰；另一方面可以无损耗地反射传输有用的射电观测信号。

发明内容