測量接收機(jī)在全息測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡阿麗

(中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所通信部，陜西西安 710065)

1 測量原理

1.1 基本原理

全息法測量天線面表面精度的基本原理是:通過測量復(fù)數(shù)平面內(nèi)天線輻射的振幅和相位得到天線口經(jīng)場的振幅和相位分布，從而了解天線表面面型偏離拋物面的情況，以此對偏離面調(diào)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)。其依據(jù)的幾何事實(shí)是:如果天線面是理想拋物面，在焦點(diǎn)上的發(fā)射源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過拋物面反射，那么在口徑場上的波前相位值應(yīng)處處相等，由于現(xiàn)實(shí)天線面不是理想拋物面，所以口徑場上的相位也必然不等，其變化情況主要包含了天線面與理想拋物面偏離的信息。在信號(hào)源已知的情況下，通過檢測相位差的變化，從理論上即可確定天線面與理想拋物面之間的微小差別[1]。遠(yuǎn)場與口徑場的相位、幅度關(guān)系如式(1)和圖1所示。

1.2 原理分析

圖1 遠(yuǎn)場與口徑場的相位、幅度關(guān)系

如圖2所示，將天線視為發(fā)射天線，天線的口徑場函數(shù)可以表示為 F(ξ，η)=A(ξ，η)e-jω(ξ，η)，其中，A(ξ，η)為口徑場振幅;ω(ξ，η)為口徑場相位;ξ，η 為口徑平面內(nèi)坐標(biāo)變量。該口徑場在空間遠(yuǎn)場上點(diǎn)P(r，θ，φ)處的衍射場強(qiáng)表示為

在測得E(θ，φ)的情況下，可通過傅里葉變換求得F(ξ，η)，從而得到口徑場振幅和相位，通過口徑場的振幅和相位的傅里葉變換得到能量分布和面型分布。

在實(shí)際的測量過程中把式(2)表示為極坐標(biāo)形式，并通過u/v平面把坐標(biāo)量轉(zhuǎn)換為天線的方位和俯仰角。

圖2 口徑場在空間的衍射

其中，Aa，Ea為指向信號(hào)源時(shí)天線的方位和俯仰角;A，E為實(shí)際信號(hào)方向，這樣u，v就反映了天線光軸和信號(hào)源實(shí)際方向在空間的角度差[2]。

微波全息測量有兩種類型，即相位恢復(fù)法(Phase Retrieve)和相位相關(guān)法(Phase Correlate)，上海佘山25 m射電望遠(yuǎn)鏡采用相位相關(guān)法進(jìn)行全息測量。相位相關(guān)法需要一面參考天線用于跟蹤信號(hào)源的變化，用互相關(guān)的處理手段獲取相位信息。

2 佘山站25 m拋物面天線全息測量

2.1 系統(tǒng)組成

利用全息法測量上海佘山站25 m射電望遠(yuǎn)鏡，主要采用鑫諾1號(hào)12.26 GHz信標(biāo)作為信號(hào)源，用到的設(shè)備有被測天線25 m，參考天線1.8 m，兩部LNA，兩部測量接收機(jī)，兩通道相關(guān)機(jī)，一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)。各個(gè)部分在測量過程中的連接如圖3所示。

圖3 全息測量系統(tǒng)框圖

如圖3所示，參考天線和主天線的接收信號(hào)經(jīng)過一次放大混頻濾波后由Ku波段變?yōu)長波段，經(jīng)過全息測量接收機(jī)后得到0～15 MHz的中頻信號(hào)，進(jìn)入了相關(guān)機(jī)，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，相關(guān)機(jī)輸出被測天線、參考天線的自相關(guān)相位和幅度以及它們之間的互相關(guān)相位和幅度;最后再經(jīng)一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，以1 s間隔扇出數(shù)據(jù)，獲得天線面的平整情況。

2.2 測量過程

將參考天線對準(zhǔn)信號(hào)源，而被測天線則圍繞信號(hào)源的方向以不同的方式對其進(jìn)行網(wǎng)格式掃描。這時(shí)隨著掃描角度的變化，被測天線輸出的信號(hào)相位與參考天線的相位就會(huì)產(chǎn)生差異。在數(shù)據(jù)處理時(shí)對此相位進(jìn)行補(bǔ)償，可得到真實(shí)的被測天線相位和振幅。為此，上海佘山站的王錦清等提出了比較精確尋找衛(wèi)星的方法，十字掃描法，為確認(rèn)指向的正確性，提出了5點(diǎn)掃描法，實(shí)際測量中，又提出了碟形掃描法[3]。

3 測量接收機(jī)

在本系統(tǒng)中，接收部分包括兩部LNB和一套全息測量接收機(jī)。測量接收機(jī)接收LNB變頻后的L波段信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波、混頻后輸出數(shù)據(jù)(0～15 MHz)，同時(shí)向LNB提供+15 V電壓以及提供10 MHz源。測量接收機(jī)的框圖如圖4所示。其中，頻率綜合器0.5～1 GHz，步進(jìn)1 MHz;電調(diào)衰減器0～30 dB，衰減1 dB。

在全息測量接收系統(tǒng)中，對于信號(hào)傳輸方式，采用復(fù)用技術(shù)。“復(fù)用”是通信技術(shù)中常用的名詞，是指能在同一傳輸媒質(zhì)中同時(shí)傳輸多路信號(hào)的技術(shù)，用以提高通信線路的利用率。頻分復(fù)用是指頻率上嚴(yán)格分割，時(shí)間和空間是可以重疊的復(fù)用技術(shù)。如圖5所示，信號(hào)傳輸，L波段(下行)、10 MHz(上行)、和+15 V(上行)三路復(fù)用，與一般復(fù)用不同，此處三路頻率相隔很遠(yuǎn)，是不用經(jīng)過正交載波調(diào)制和解調(diào)的頻分復(fù)用。采用此技術(shù)是因?yàn)閺闹行耐ǖ澜邮諜C(jī)的距離較遠(yuǎn)，在傳輸之前合成，而在傳輸后功分，利于信號(hào)傳輸，簡化了通信接口，提高了系統(tǒng)可操作性。

圖4 測量接收機(jī)框圖

圖5 3路復(fù)用框圖

以頻分復(fù)用這種方式進(jìn)行信號(hào)傳輸優(yōu)點(diǎn)明顯，但傳輸前和傳輸后的濾波器、隔離器增加了系統(tǒng)成本。對一般的頻分復(fù)用，增加的是傳輸或數(shù)據(jù)處理之前和之后的調(diào)制、解調(diào)器。費(fèi)用增加，濾波器也會(huì)使帶內(nèi)幅度有所衰減，一般為0.5 dB，但這個(gè)數(shù)值較小是可以補(bǔ)償?shù)摹＞C合復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在此系統(tǒng)中利用頻分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，具有很好的實(shí)用性。

4 測量結(jié)果

對此系統(tǒng)做了3次測量，每次測量2 h，測量結(jié)果證明接收機(jī)性能正常。對整個(gè)天線面形的分布情況，如圖6所示，可以看出整個(gè)口面在邊緣和撐腿處效果較差，這是光照不足造成的。天線面4個(gè)扇區(qū)的調(diào)整量輸出如圖7所示。在整個(gè)測量過程中信標(biāo)信號(hào)的互相關(guān)相位、自相關(guān)幅度隨時(shí)間抽取結(jié)果如圖8所示。

圖6 天線面面板平整情況

[1]程景全.天文望遠(yuǎn)鏡原理和設(shè)計(jì)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[2]Australia Telescope National Facility.2121 National radio astronomy observatory[S].Australia:CSIRO，PO Box76，Epping，NSW，2010.

[3]王錦清，余宏.全息法測量天線面表面精度[J].中國科學(xué)院上海天文臺(tái)年刊，2007，28:109-118.