[实用新型]基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统

说明书

本实用新型公开了一种基于捷变收发器的射电天文谱线观测系统，其包括捷变收发器、二功分器、计算机；或者包括捷变收发器、无线电监测天线、无线电监测接收机、计算机；在捷变收发器中形成观测采集通道和无线电环境监测通道；本实用新型系统采用捷变收发器对射电天文谱线进行观测，首先利用了捷变收发器的宽带输入和56MHz通带可任意选通，实现对谱线的高频谱分辨率观测；同时由于集成了程控本振和下变频的功能，可以实现频率切换定标，减少了传统的天线指向定标中，天线指向角度特别是俯仰角变化给天线性能带来的改变；另外，采用无线电环境监测通道监测并选取无干扰频带作为定标频带的办法，可以有效规避无线电干扰信号。

技术领域

本实用新型适用于射电天文窄带、高谱分辨率的谱线观测领域，采用频率切换定标(frequency switching)和无线电环境监测规避无线电干扰，实现快速高分辨率观测和定标。

背景技术

微波谱线在射电天文观测中具有举足轻重的地位，可用于诊断相关天体的基本物理及化学条件，如激发温度、粒子密度、物质运动区的速度场、磁感应强度及各种元素的化学丰度等。通过观测获得分子云及恒星形成区的谱线数据后，可以通过适当的近似方法来求解统计平衡辐射转移方程，从而获得天体的各种信息。

通过对分子谱线的观测，将使得我们能够研究包括恒星形成区早期、恒星演化晚期、超新星爆炸(超新星遗迹)、行星状星云、彗星、河外星系等一系列的天文学现象。对它们在C波段谱线的观测研究，关联了很多研究内容，例如：(1)基于6.7GHz甲醇脉泽相关的研究，6.7GHz甲醇脉泽由于其辐射流量大、致密(角大小约4毫角秒，线大小约几个天文单位)、寿命长(约4年)、普遍存在(银河系内探测到1000多个源)以及非常小的内部固有运动等特点成为天文学和天体测量学中的一大热点。它们不仅被用来开展与大质量恒星形成有关的一系列研究，而且通过对它们视差的精确测量可以精确确定银河系的一些关键参数(如旋臂结构，这是迄今为止最高精度的测量方法)，是银河系研究中的一个重点；(2)基于羟基和甲醛谱线的研究，也是近来受到广泛关注的热点领域，包含甲醛样本搜寻以及他们的辐射特性、羟基脉泽的搜寻以及通过羟基偏振观测来研究磁场等一些研究内容；(3)另外还有很多研究内容：比如C波段的分子谱线搜寻等，此处不在一一例举。

高频谱分辨率的谱线观测可以为研究者们带来所研究目标天体内部更细节的信息，它们通常可以使我们追踪到更小尺度的结构以及其中更详细的动力学特征等。又如在某些高精度的谱线观测中需要极高的频率分辨率，例如对塞曼效应的观测中：采用中性氢HI观测，每微高斯磁场产生的频率移动2.8Hz；如采用OH的基态，每微高斯磁场在1.665GHz谱线上产生的频率移动只有3.27Hz，而在1.667GHz谱线上产生的频率移动是1.96Hz。然而，由于目前传统采用的射电天文终端设备是对射电天文模拟信号的高速ADC过采样原理实现的：采样率为f_sample的ADC大约能覆盖f_sample/2带宽的信号目前增加采样率似乎成为解决大带宽数据采集，实现宽频带同时观测的唯一途径。

而在该原理下由于采样率f_sample、FFT点数N和频谱分辨率Δf三者的满足以下关系：故在传统采样原理下，做谱线的高精度轮廓结构观测是非常困难的。因为在采样率一定的情况下，如果要得到更高的频谱分辨率就必须增加FFT变换点数N，这就需要耗费处理器内部乘法器、累加器以及存储单元等资源，这样大大增加了冗余数据量，对无信号频带也需要同时进行分析。

目前，各大芯片公司和模块化仪器公司都相继在进行更高速更高带宽的数据采集芯片和设备设计开发，多种高速数据采集设备已经应用于部分天文观测。例如:Acqiris公司开发的高速数据采集卡AC240，其带宽为1GHz@8bit，已经应用于多台射电望远镜，包括德令哈的13.7米毫米波望远镜，KOSMA毫米波亚毫米波望远镜；2014年8月，HOMIN JIANG等人公布了采样速率达到5Gsps@8bits的高速采集系统及B.Klien等人研发的FFTS数据采集终端均是目前采样速度最快的射电天文终端。