大型射电望远镜电磁环境频谱监测

李建斌彭 勃刘东亮

大型射电望远镜电磁环境频谱监测

李建斌1，2彭 勃1，2刘东亮1

（1.中国科学院国家天文台，北京100012；2.中国科学院射电天文重点实验室，江苏南京210008）

射电天文的发展需要更宽的观测频率，但是随着通讯的不断发展，射频无线电干扰（Radio Frequency Interference，RFI）对射电观测的影响日益加重，射电望远镜需要选择电磁环境优良的站址并进行保护.文中描述了目前国内在建和预研阶段的望远镜的电磁环境的测试过程，阐述了数据分析和处理方法.通过对我国射电望远镜台址选择和保护进行的电磁环境测试，优选出适合建立大型射电望远镜的台址.

射电望远镜；电磁环境；频谱监测；选址

引 言

射电天文的发展规律是追求探测更深、成像更清晰以拓展新的发现机遇.射电天文学发展的动力，一方面来自对基本问题的好奇，另一方面依赖于技术发展和方法创新.射电信号处理的带宽和频谱分辨率将有望得到持续提高.在建和计划建设的射电天文设备灵敏度远高于目前的设备.无线电广播电视，移动电话、集群对讲等无线通信系统和雷达、无线电信标等使用人造发射源的业务称为主动业务.目前，各种主动业务发射的信号占用越来越宽的频段，对射电天文的频率保护变得越来越困难.在国际电联的《无线电规则》和《中华人民共和国无线电频率划分规定》中，给出了射电天文业务的频率划分，总带宽约35GHz，在275GHz以下约占总带宽的12.5%，包括63条谱线和23个连续谱观测频带［1］.随着射电天文的发展，检测到更多新的谱线不在被分配的射电天文频段内，在河外星系中，谱线红移到已分配的频带之外.为了避免主动业务对射电天文业务无线电干扰，保护射电天文台的电磁环境，须对台址的电磁环境进行精心测量，得到详实科学的数据，优选出最好的台址并作为以后进行射电天文观测和保护电磁环境的依据，延长射电望远镜的科学寿命［2］.

1 监测系统

1.1系统组成

站址电磁环境频谱监测系统由硬件和软件（包括测试规范等）组成，对每一个站址都使用同一套监测系统进行测试，获得站址电磁环境的基本情况，便于数据分析和比较.

图1给出了监测系统的简要框图：天线通过射频开关连接到滤波器和低噪声放大器，使用数字频谱仪后端将信号数字化并转化为频谱，并通过射频开关接入噪声源作为校准使用.

图1 频谱监测系统简要框图

1.2测试规划

监测系统的频率范围为80MHz～13GHz.为覆盖方位360°的范围，在测试天线的半功率角度范围内需进行一次频谱数据采集［3］.监测系统使用的是罗德施瓦茨（RS）公司的HL033和HL050天线，HL033在360°范围内需要改变指向4次；HL050在360°范围内需要改变指向6次.所有的测量频段覆盖4个或6个方向和两个极化.对于每一个指向、极化、频段，扫描时间为400ms，重复次数为5 000次.每次更换频段或天线极化进行噪声源开、关、接入天线三步测量校准［4］.包括校准和准备阶段，一次完整监测过程需要4.3d.若要在测试中得到更大灵敏度，可在每段测试设置中增加积分时间，但受限于每次监测能得到的有效工作时间［5］.

2 数据校准

描述了在频谱监测中用到的校准方法和主要的信号处理过程，包括系统增益、噪声温度、天线增益等的校准方法和有关说明.

2.1增益校准

监测系统的增益可以用噪声源接入监测系统进行开／关测试得到，该过程需要3步：1）关噪声源进行一次测量；2）开噪声源进行一次测量；3）将天线连入射频链路进行一次测量.这个过程需要知道噪声源的输出功率，该功率是噪声源的校准数据，以超噪比（REN）的形式给出，由设备制造商在出厂时标定给出.噪声源的REN表示为

式中：F是噪声系数；Y称为Y因子，是噪声源开时的频谱仪得到的测量值Pon和噪声源关闭时的频谱仪得到的测量值Poff之比：

噪声源的噪声温度为

式中：Thot是噪声源的噪声温度（以K为单位，下同）；Tamb是环境温度.给定环境温度，知道REN的值，测量可得Y，由公式（1）、（2）、（3）得到Thot

Trec表示包括射频开关、滤波器、低噪声放大器、频谱仪等部件且不含天线的接收部分总噪声温度，Thot是噪声源开的噪声源温度，Tcold是噪声源关的噪声源温度，Tant为天线温度，Tsys是监测系统包括天线的整体温度.天线接入测试系统时，频谱仪上得到的功率谱密度用Psys表示.当噪声源关闭接入系统时，频谱仪得到的功率谱密度用Pcold表示；噪声源开接入系统时，频谱仪得到的功率谱密度用Phot表示.Ge为不包括天线的系统电增益，波尔兹曼常数k＝1.38×10－23JK－1.则通过三步校准测试得到以下关系式：

Phot、Pcold、Psys在实际测量中得到，噪声源的Tcold就是其所处的环境温度，由公式（5）、（6）、（7）可推知Ge、Tant和Trec.由公式（5）、（6）可得到系统电增益Ge为

2.2系统噪声温度校准

通过校准得到系统增益和噪声温度的过程也可对射频链路的工作状态进行检查.由测试校准可推知系统温度Tsys、接收部分温度Trec和天线温度Tant.系统温度包括天线温度和接收部分温度为

公式（8）得到增益Ge，由测量得到Psys，Tcold为环境温度，使用公式（5）可以得到接收机温度Trec

由式（7）、（9）可得系统温度为

使用式（7）、（10）得到天线温度为

无线电干扰信号会影响噪声温度估算，因为干扰信号将使测试到的Psys在干扰频率上出现增高的情况，使用合适的滤波器或在屏蔽室内进行可以使校准更加准确.

2.3天线增益

各向同性天线有效面积（m2）由下式给出

λ（m）是观测频段的波长，入射电磁波的场强与线天线的电压之比定义为天线因子［6］.线天线的天线因子如下定义

式中：z0为空间阻抗120π；z是线天线的阻抗；D是天线的方向因子.实际使用中，常将天线因子AF用对数形式给出：

监测系统使用RS公司的HL033和HL050天线，均为对数周期天线.80MHz～1.26GHz频段使用HL033天线，1.26～13GHz频段使用HL050天线.天线HL033有6～7dBi的增益，HL050有7～8.5dBi的增益，频段中间各频点的天线增益以内插的方法得到.天线的有效面积Aeff（m2）由下式确定［7］

式中：λ是各测量频率的波长；Gant为天线增益.

2.4流量较准

Psys（W／Hz）是频谱仪监测的功率谱密度，k为波尔兹曼常数

亦可以用天线有效口径面积Aeff和功率谱流量密度Ψsys（W／m2Hz）表示Psys

由式（17）、（18）可推出

联立公式（11）和（19），功率谱流量密度Ψsys可以由下式给出

一个完整的测试和数据处理流程：设置各频段任务，测试各频段的仪表响应是否正确；对每一频段任务进行噪声源的开关和接入天线测试各5min，并考虑分辨率带宽设置在频谱仪上得到Psys、Phot、Pcold，结合噪声源的超噪比，由公式（8）得到系统增益Ge；对每一频段任务进行测试，频谱仪得到各频点的功率谱密度Psys；根据天线的增益由公式（16）按频率内插得到各频点天线有效面积Aeff；由公式（20）计算得到每一频点的谱流量密度Ψsys，并将其转化为对数.

3 测试点基本情况

本轮选址历时两年多，进行了多次监测任务.为预研阶段的CHINA－ART的80m口径射电望远镜阵列的候选台址和立项阶段的新疆110m射电望远镜候选台址进行电磁环境测试，数据处理后形成选址报告，为科学选址、保护射电天文业务提供科学依据.

下面给出了3个典型的候选台址测试点的部分电波环境数据.3个台址分别位于新疆（站址1，测试时间2012年9月）、吉林（站址2，测试时间2011年11月）和云南（站址3，测试时间2013年12月），均为四面环山且远离城市的台址.

4 测试结果与分析

垂直轴作图［8］.为了显示方便，下面各图只将各频段的最差情况表示出来.

水平轴为频率，以每个测试角度的积分后的干扰信号的功率谱流量密度Ψsys（dBW／m2Hz）的值为

图2 三站址在300～620MHz频段上的比较

图3 三站址在620～940MHz频段上的比较

图4 三站址在1 260～1 580MHz频段上的比较

图5 三站址在1 580～1 900MHz频段上的比较

考虑到各站址处于大山深处，无线电业务本身很少，超过1 900MHz的干扰亦较少.所以重点比较1 900MHz以下主要射电业务所在频段的干扰情况，从测试得到结果来看：三个站址均拥有较为优良的电磁环境，相比较而言站址3更为优良，尤其是在当前已大不如昔的低频频段，且该站址位于大山深处，目前已建立自然保护区，容易建立射电宁静保护区.

［1］ ITU－R.R769.2Protection Criteria Used for Radio Astronomical［S］，2003.

［2］ 李建斌，彭 勃.一万个科学难题天文卷：射电望远镜干扰免疫技术［M］.北京：科学出版社，2010：923－926.

［3］ Netherlands Institute for Radio Astronomy.SKA Spectrum Monitoring Plan for Candidate Sites［R］.Dwingeloo：Astron，2004.

［4］ Netherlands Institute for Radio Astronomy.RFI Measurement Protocol for Candidate SKA Sites［R］.Dwingeloo：Astron，2003.

［5］ National Astronomical Observatories of China.SKA Site Spectrum Monitoring（Sssm）Data Summary Report［R］.Beijing：NAOC，2005.

［6］ KRAUS J D，MARHEFKA R J.天线（上册）［M］.章文勋，译.3版.北京：电子工业出版社，2004：322－325.

［7］ ROHLFS K，WILSON T L.射电天文工具［M］.姜碧沩，译.北京：北京师范大学出版社，2008：115－117.

［8］ 李建斌，彭 勃，孙建民，等.射电天文站电磁环境测量方法及分析［J］.电波科学学报，2009，24（3）：523－528.

LI Jianbin，PENG Bo，SUN Jianmin，et al.Measurement method and analysis of electromagnetic environment in radio astronomic observatories［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（3）：523－528.（in Chinese）

［9］ 王绶琯，吴盛殷，崔振兴，等.射电天文方法［M］.北京：科学出版社，1988.

Site spectrum monitoring of electromagnetic environment for large radio telescopes

LI Jianbin1，2PENG Bo1，2LIU Dongliang1
（1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing100012，China；2.Key Laboratory of Radio Astronomy，Chinese Academy of Sciences，Nanjing Jiangsu 210008，China）

The development of radio astronomic observations requires increasingly wide frequency band.However，with the continuous development of radio communication system，the radio frequency interference（RFI）has also become a curial factor which requires the sites for radio telescopes to be checked carefully for the RFI.In this paper，a method of data analysis and processing for the electromagnetic environments test is built，with which the results are presented for those telescopes that are under construction and those are in the preparatory phase.Lots of campaigns have been carried out to find excellent electromagnetic environment for the telescope site，it concludes that those sites with good electromagnetic environment conditions should be well protected.

radio telescope；electromagnetic environment；spectrum monitoring；candi－date site

X837；P161.4

A

1005－0388（2015）02－0378－05

李建斌（1971－），男，陕西人，中国科学院国家天文台高级工程师，中国通信学会电磁兼容分会委员，主要从事系统间电磁干扰分析、电波监测、自动控制的研究.

彭 勃（1964－），男，湖南人，中国科学院国家天文台研究员，博士，中国电子学会射电分会主任委员，主要从事射电变源的研究.

刘东亮（1983－），男，河北人，中国科学院国家天文台高级工程师，博士，主要从事射电接收机的研究.

李建斌，彭 勃，刘东亮.大型射电望远镜电磁环境频谱监测［J］.电波科学学报，2015，30（2）：378－382.

10.13443／j.cjors.2014050501 LI Jianbin，PENG Bo，LIU Dongliang.Site spectrum monitoring of electromagnetic environment for large radio telescope［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：378－382.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014050501

2014－05－05

国家自然科学基金（No.11073027，No.11261140641）；国家重点基础研究发展规划项目计划（No.2013CB837900）；中国科学院重点部署项目（KJZD－EW－T01）

联系人：李建斌E－mail：lijb＠bao.ac.cn