王錦清12趙融冰12 虞林峰12 殷海玲3 勞保強(qiáng)14吳亞軍12 李 斌12 董 健12 蔣甬斌12 夏 博12 左秀婷12茍 偉12 郭 文12 伍筱聰12 陸雪江12 劉慶會(huì)12 范慶元12蔣棟榮12 錢(qián)志瀚12

(1中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)上海200030)

(2中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210008)

(3上海新竹園中學(xué)上海200122)

(4桂林電子科技大學(xué)桂林541004)

TM65m射電望遠(yuǎn)鏡L、S、C、X頻段天線(xiàn)性能測(cè)量?

王錦清1,2?趙融冰1,2 虞林峰1,2 殷海玲3 勞保強(qiáng)1,4吳亞軍1,2 李 斌1,2 董 健1,2 蔣甬斌1,2 夏 博1,2 左秀婷1,2茍 偉1,2 郭 文1,2 伍筱聰1,2 陸雪江1,2 劉慶會(huì)1,2 范慶元1,2蔣棟榮1,2 錢(qián)志瀚1,2

(1中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)上海200030)

(2中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210008)

(3上海新竹園中學(xué)上海200122)

(4桂林電子科技大學(xué)桂林541004)

報(bào)告了上海天馬65 m射電望遠(yuǎn)鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)TM65m)4個(gè)低頻(L、S、C、X)段的天線(xiàn)效率、靈敏度以及系統(tǒng)噪聲溫度的性能測(cè)試情況.首先介紹了射電天文接收系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo),接著對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行了論述,并對(duì)誤差進(jìn)行了評(píng)估.最后給出了TM65m上4個(gè)低頻段的天線(xiàn)效率、靈敏度以及系統(tǒng)噪聲溫度的測(cè)試情況,測(cè)試結(jié)果表明:在C和X波段,副面位置固定時(shí),在高低俯仰角上效率和靈敏度下降劇烈,當(dāng)啟動(dòng)副面(隨動(dòng))模型后,在全仰角范圍內(nèi),效率可以控制到60%以上.系統(tǒng)噪聲溫度與副面模型無(wú)關(guān),在4個(gè)波段中C波段的靈敏度和系統(tǒng)噪聲溫度最佳.

大氣效應(yīng),技術(shù):雷達(dá)天文,宇宙背景輻射

1 概述

上海TM65m是目前國(guó)內(nèi)口徑最大的實(shí)面射電望遠(yuǎn)鏡,其工作波段覆蓋L、S、C、X、Ku、K、Ka、Q 8個(gè)波段,是目前國(guó)內(nèi)波段最全的射電望遠(yuǎn)鏡.該射電望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林式天線(xiàn)結(jié)構(gòu),主面直徑65 m,具有主動(dòng)面機(jī)構(gòu),用于高頻觀測(cè)時(shí)補(bǔ)償主面面形的重力變形.副面直徑6.5 m,安裝于一個(gè)6桿機(jī)構(gòu)平臺(tái)上,可以根據(jù)不同的俯仰角度調(diào)整副面姿態(tài)(即啟動(dòng)副面隨動(dòng)模型),以補(bǔ)償由于重力和撐腿形變導(dǎo)致的副面相對(duì)主面的位姿變化.當(dāng)前該天線(xiàn)已經(jīng)配備了L、S、C、X低頻波段4套接收機(jī),其中S/X為雙頻饋源,其余均為單頻饋源.

天線(xiàn)效率、系統(tǒng)噪聲溫度以及靈敏度是射電望遠(yuǎn)鏡的3項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo).影響拋物面天線(xiàn)效率的關(guān)鍵因素主要有:天線(xiàn)口面的照明設(shè)計(jì)、天線(xiàn)面精度、副面和撐腿等遮擋、天線(xiàn)的指向誤差、天線(xiàn)面的歐姆損耗以及周?chē)脑肼暻闆r.射電望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)噪聲溫度除了包含天饋部分和接收機(jī)的噪聲外,還包含天空大氣輻射噪聲以及地面輻射泄漏噪聲.一般情況下,天線(xiàn)面、饋源、極化器和接收機(jī)4者的噪聲級(jí)聯(lián)總和可以用來(lái)評(píng)估天線(xiàn)微波系統(tǒng)的噪聲性能,因?yàn)橹吕涞驮肼暦糯笃?Low Noise Ampli fi er,LNA)的增益通?？蛇_(dá)30 dB以上,后級(jí)鏈路的噪聲將被弱化至1/1000左右,因此后級(jí)鏈路的影響可以忽略.在射電天文領(lǐng)域,天線(xiàn)的靈敏度通常采用系統(tǒng)等效流量密度(System Equivalent Flux Density,SEFD)來(lái)衡量,定義為系統(tǒng)噪聲溫度和單位流量天線(xiàn)溫度(Degrees Per Flux Unit,DPFU)的比值.因此,靈敏度的提高可以通過(guò)降低系統(tǒng)噪聲溫度來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以通過(guò)提高單位流量天線(xiàn)溫度來(lái)達(dá)到目的.

本文先論述了射電法測(cè)試天線(xiàn)效率的方法,然后對(duì)效率、系統(tǒng)噪聲溫度以及靈敏度測(cè)試過(guò)程中的若干注意點(diǎn)進(jìn)行了闡述,最后給出了TM65m射電望遠(yuǎn)鏡低頻段的實(shí)際測(cè)試情況,同時(shí)測(cè)試了副面隨動(dòng)模型啟動(dòng)情況下C和X波段的性能,并對(duì)測(cè)量的性能進(jìn)行了一定的分析.

2 天線(xiàn)效率測(cè)試方法

為了測(cè)量射電望遠(yuǎn)鏡的效率,可以采用流量已知的射電源[1],對(duì)天線(xiàn)接收到的功率進(jìn)行測(cè)量,然后與理想的拋物面收到的功率作比較,用比值表示為η(φ),其中φ為天線(xiàn)俯仰角.

式中各參數(shù)的定義如下:k為波爾茲曼常數(shù)(1.38065×10?23J/K);Tas為射電源引起的天線(xiàn)噪聲溫度(單位為K);S為某一歷元的射電源流量密度(單位為Jy);K1為大氣吸收改正因子,通過(guò)計(jì)算,其中V為常數(shù),可由大氣吸收衰減曲線(xiàn)查得,K1值是大氣模型計(jì)算得到的大氣吸收衰減值;K2為射電源角擴(kuò)展修正因子,點(diǎn)源情況下,可以令K2=1; K3為射電源流量隨時(shí)間變化的修正因子,當(dāng)流量隨時(shí)間恒定時(shí),K2=1;K4為射電源的流量密度隨頻率變化的修正因子,當(dāng)流量隨頻率恒定時(shí),K4=1,否則代入修正曲線(xiàn)或查表;K5為射電源的偏振修正因子,偏振流量可以忽略時(shí),K5=1;Ag為天線(xiàn)的幾何面積(單位為m2).上式在使用過(guò)程中,包含了多種誤差需要考慮,對(duì)于65 m量級(jí)的大口徑射電望遠(yuǎn)鏡,其波束角度范圍(X波段8.4 GHz時(shí)為140′′)十分窄,比某些射電源的角徑要小,以致天線(xiàn)波束對(duì)上這些源時(shí),只收集了部分源流量,上述角擴(kuò)展修正因子K2就是為補(bǔ)償這個(gè)因素導(dǎo)致的損失,然而K2的確定本身有一定的誤差,而且是修正項(xiàng)中最大的誤差項(xiàng)[2?4],因此測(cè)量中盡量采用點(diǎn)源觀測(cè),以避免修正因子的影響.另外K1是跟大氣、仰角相關(guān)的修正量,一般采用模型計(jì)算或查表獲得,這也會(huì)貢獻(xiàn)誤差.上式使用時(shí),假設(shè)天線(xiàn)具有理想的指向性能,在實(shí)際工作時(shí),需要確認(rèn)天線(xiàn)的指向誤差,或者考慮因?yàn)橹赶蚱顚?dǎo)致的效率損失.另外,源流量偏差也是導(dǎo)致測(cè)量誤差的一個(gè)因素[1].表1給出了4個(gè)低頻段效率的設(shè)計(jì)指標(biāo).

表1 低頻段效率設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 The design indexes in lower frequency bands

3 系統(tǒng)噪聲溫度測(cè)試方法[5]

系統(tǒng)噪聲溫度為整個(gè)鏈路中各部件等效噪聲溫度的級(jí)聯(lián),簡(jiǎn)易表示如下式:

其中Tsys為整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)噪聲溫度;Tfeed為常溫下饋源網(wǎng)絡(luò)(包含極化器)插入損耗對(duì)應(yīng)的等效噪聲溫度;TR為致冷接收機(jī)噪聲溫度;Tsky為來(lái)自天空的噪聲溫度,主要從天線(xiàn)方向圖的主瓣進(jìn)入鏈路;Tgnd為地面輻射泄漏,主要從天線(xiàn)方向圖的旁瓣和后瓣進(jìn)入鏈路;Tant為天線(xiàn)歐姆損耗,主要由天線(xiàn)反射面損耗導(dǎo)致.需要指出的是,上述(2)式的表達(dá)方式并非嚴(yán)格,因?yàn)椴⑽纯紤]級(jí)聯(lián)問(wèn)題,這只有當(dāng)級(jí)聯(lián)部件的插入損耗小于0.1 dB時(shí)可以近似使用,現(xiàn)有的測(cè)量資料表明這種近似算法帶來(lái)的Tsys誤差約為0.035 K左右.

在cm波段測(cè)量天線(xiàn)的系統(tǒng)噪聲溫度通常采用Y因子法,即先對(duì)系統(tǒng)輸入一個(gè)已知噪聲溫度的白噪聲信號(hào),得到一個(gè)輸出功率;再讓系統(tǒng)對(duì)向冷空,得到第2個(gè)輸出功率;兩者的比值為Y因子,通過(guò)Y因子可以計(jì)算出系統(tǒng)噪聲溫度.但是對(duì)于cm波段,以TM65m為例,L、C、S、X的饋源口面直徑尺寸依次為:1.6 m、0.66 m、0.91 m、0.91 m,常規(guī)黑體尺寸通常在0.5 m左右,在常溫下可以通過(guò)多塊拼接的方式進(jìn)行覆蓋,這在天線(xiàn)天頂方向可以人工操作,而在天線(xiàn)工作仰角上,則無(wú)法人工覆蓋.對(duì)于不同的輸入信號(hào),實(shí)現(xiàn)手段上有所不同,當(dāng)前主要采用冷熱負(fù)載、空間亮溫恒定區(qū)域以及定標(biāo)噪聲源等作為已知輸入亮溫進(jìn)行測(cè)試.目前我們采用了定標(biāo)噪聲源法,一般通過(guò)在接收機(jī)LNA前端耦合入一個(gè)已知噪聲溫度為T(mén)cal的噪聲信號(hào),然后再通過(guò)如下(3)式的比例式可以計(jì)算出系統(tǒng)噪聲溫度值:

其中Pb為天線(xiàn)指向天空背景時(shí)的功率讀數(shù);P0為接收系統(tǒng)零點(diǎn)功率讀數(shù);Pn為天線(xiàn)指向天空背景時(shí)開(kāi)啟噪聲源后的功率讀數(shù),等式右側(cè)比例項(xiàng)即為1/Y.

采用該方法的最大優(yōu)勢(shì)是可以在任意俯仰角位置上實(shí)時(shí)測(cè)量Y因子,進(jìn)而解算得到包含大氣在內(nèi)的系統(tǒng)噪聲溫度,而不利之處是噪聲源定標(biāo)值存在一定的偏差.通常定標(biāo)值是在實(shí)驗(yàn)室采用冷(液氮溫度77 K)熱(常溫300 K)負(fù)載法標(biāo)定的,即噪聲源注入關(guān)閉狀態(tài)下,在饋源口分別提供常溫300 K(T300)和液氮溫度77 K(T77)負(fù)載.這可以通過(guò)把黑體分別置于常溫和液氮中來(lái)實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)溫度負(fù)載,記錄兩個(gè)物理溫度輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出功率的比,得到Y(jié)因子測(cè)量值如下:

由此可以計(jì)算得到TR+Tfeed,然后把噪聲源注入開(kāi)啟,重復(fù)上述測(cè)量,可以得到另外一個(gè)Y因子,并計(jì)算得到新的TR+Tfeed,讓其與前面噪聲源注入關(guān)閉時(shí)得到的TR+Tfeed作差,即得到了噪聲注入的定標(biāo)值.這種標(biāo)定方法的偏差約1～2 K,而且噪聲源的定標(biāo)值隨著溫度變化會(huì)有所變化,這在高頻段的噪聲源會(huì)更加明顯.為了更準(zhǔn)確地確定噪聲定標(biāo)值,可以在接收機(jī)安裝到天線(xiàn)上后,采用冷空和常溫負(fù)載構(gòu)成的Y因子法校核實(shí)驗(yàn)室的噪聲定標(biāo)值,由于冷空的溫度比77 K更低,因此該Y因子比實(shí)驗(yàn)室采用液氮冷負(fù)載定標(biāo)時(shí)的Y因子更大,普遍可以達(dá)到10 dB左右,因此標(biāo)定誤差更小些.圖1給出了C波段左旋噪聲定標(biāo)值實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和天線(xiàn)標(biāo)定的偏差情況,可以看到在4.5 GHz以下,兩種標(biāo)定結(jié)果符合度更好些,隨著頻率的升高,標(biāo)定偏差逐漸增大,在6.5 GHz以后約有1 K左右的恒定偏差,而且隨頻率的變化趨勢(shì)完全一致,C波段上我們采用了兩檔噪聲注入,分別約為50%和5%.圖中LCP-High-Tcal和LCP-Low-Tcal分別為左旋高、低噪聲注入現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)值(即采用冷空和常溫負(fù)載構(gòu)成的Y因子法),LCP-High-Tcal-Lab和LCP-Low-Tcal-Lab為實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)Tcal(即采用液氮溫度77 K和常溫300 K負(fù)載構(gòu)成的Y因子法).在4.2～4.4 GHz以及5.7～5.8 GHz處由于外界存在強(qiáng)干擾信號(hào),因此采用冷空和常溫負(fù)載構(gòu)成的Y因子法時(shí)出現(xiàn)了異常,其余頻段與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量趨勢(shì)一致.

圖1 Tcal實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定Fig.1 Tcalcalibrated in laboratory and fi eld

采用常溫T300和冷空負(fù)載兩個(gè)負(fù)載獲得Y因子后,包含大氣的系統(tǒng)噪聲溫度可以表示如下:

其中T300為常溫負(fù)載的物理溫度,TR+Tfeed為接收機(jī)和饋源實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值,允許帶有一定的誤差.圖2給出了Y因子為9.5 dB、10 dB以及10.5 dB的情況下,TR+Tfeed有一定偏差時(shí)對(duì)Tsys值的影響,可以看到,在Y因子一定時(shí),TR+Tfeed實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值即使有9 K的偏差,對(duì)最終的Tsys影響也只有1 K.通常實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)定誤差為1～2 K左右,T300值是黑體的物理溫度,采用溫度計(jì)測(cè)量普遍可以精確到0.5°C以?xún)?nèi),由此可以估算Tsys的實(shí)際測(cè)量偏差大約只有0.2 K左右,因此采用常溫和冷空Y因子法測(cè)量系統(tǒng)噪聲溫度具有很高的準(zhǔn)確度(關(guān)于系統(tǒng)噪聲溫度更為詳細(xì)的研究和測(cè)量工作已經(jīng)在文獻(xiàn)[5]中展開(kāi)).

圖2 接收機(jī)噪聲(饋源和接收機(jī)噪聲)和系統(tǒng)噪聲溫度Fig.2 The receiver noises(feed and receiver noises)and system noise temperature

4 靈敏度測(cè)試方法

射電天文經(jīng)常使用系統(tǒng)等效流量密度SEFD作為靈敏度的評(píng)估指標(biāo),該量為系統(tǒng)噪聲溫度Tsys與單位流量天線(xiàn)溫度(DPFU)的比值,這個(gè)值越小表明靈敏度越高.設(shè)天線(xiàn)直徑為D,效率為η,DPFU和SEFD的計(jì)算公式如下:

其中Ae是天線(xiàn)有效面積,SU=1 Jy,為單位流量密度.由(7)式可知,當(dāng)系統(tǒng)噪聲溫度和天線(xiàn)效率確定后,SEFD也就確定了.射電望遠(yuǎn)鏡可以檢測(cè)到的最小天線(xiàn)溫度或流量密度可以用以下公式表示[6]:

其中?f為有效帶寬;t為積分時(shí)間;G為接收機(jī)增益,?G為增益變化量.從該式可以大致看出,接收機(jī)的增益穩(wěn)定性對(duì)最小可檢測(cè)流量密度影響很大,因?yàn)橥ㄟ^(guò)寬帶觀測(cè)和加長(zhǎng)積分時(shí)間實(shí)現(xiàn),項(xiàng)可以非常小,但是做到1/1000已經(jīng)不易.目前可以通過(guò)注入周期噪聲的方法,把短時(shí)的增益變化扣除,當(dāng)然這對(duì)數(shù)據(jù)同步和解算增加了一定的工作量.

5 實(shí)際測(cè)試誤差分析

5.1 理論分析

在測(cè)試過(guò)程中需要確定射電源流量導(dǎo)致的天線(xiàn)噪聲溫度Tas,這里采用定標(biāo)噪聲源來(lái)測(cè)量,測(cè)量步驟如下:

(a)天線(xiàn)指向冷空時(shí),功率讀數(shù)為Rb,對(duì)應(yīng)噪聲溫度為T(mén)Re+Tb,TRe為接收系統(tǒng)等效噪聲溫度,Tb為天空背景噪聲;則系統(tǒng)噪聲溫度其中R0為前端信號(hào)不接入時(shí),終端的零點(diǎn)功率讀數(shù);RN為噪聲源開(kāi)啟后,由終端讀取的功率讀數(shù).

(b)天線(xiàn)指向射電源時(shí),功率讀數(shù)RS,對(duì)應(yīng)噪聲溫度為T(mén)Re+Tb+Tas.如果噪聲源在寬帶的各個(gè)頻率點(diǎn)都定標(biāo)準(zhǔn)確,則可以通過(guò)噪聲定標(biāo)源來(lái)計(jì)算,如下在(a)的基礎(chǔ)上開(kāi)啟噪聲管,功率讀數(shù)RN,對(duì)應(yīng)噪聲溫度為T(mén)Re+Tb+Tcal.利用功率讀數(shù)與輸入功率的線(xiàn)性關(guān)系,有

式中M為常數(shù),則

(c)測(cè)量RS、Rb、RN代入上式即可算出Tas.

(d)通過(guò)測(cè)出的Tas值,根據(jù)(1)式即可算出天線(xiàn)效率.如果采用點(diǎn)源進(jìn)行效率測(cè)量,則誤差的主要來(lái)源為天線(xiàn)溫度的測(cè)試誤差、源流量誤差、噪聲源定標(biāo)誤差以及大氣改正因子K1誤差,可表示為

若以圖3中右旋為例,Rb=8830,?Rb=6,RN=15350,?RN=9,RS=9580,?RS=8,噪聲管定標(biāo)誤差假設(shè)為

圖3 3C286在8.4 GHz處帶寬為20 MHz的測(cè)試記錄Fig.3 The testing record of 3C286 at 8.4 GHz with 20 MHz bandwidth

5.2 天線(xiàn)性能測(cè)試

為了盡量避免溫度等環(huán)境因素對(duì)天線(xiàn)性能測(cè)量的影響,我們選擇在晴朗的夜晚,采用3C286、3C123等校準(zhǔn)射電源作為測(cè)量目標(biāo),射電源的流量[7]曲線(xiàn)見(jiàn)圖4.在整個(gè)俯仰角范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)波段接收系統(tǒng)的左右旋接收鏈路進(jìn)行了天線(xiàn)效率、系統(tǒng)噪聲溫度和靈敏度測(cè)量,連續(xù)測(cè)量帶寬為512 MHz,譜分辨率1 MHz,一般情況下功率檢波帶寬采用20 MHz,積分時(shí)間1 s,而對(duì)于干擾較多的L和S波段則采用5 MHz或更窄的帶寬.對(duì)于X和C波段,在整個(gè)俯仰角的多個(gè)測(cè)量角度上,分別進(jìn)行副面隨動(dòng)和固定兩種情況的測(cè)量.在每種情況下進(jìn)行測(cè)量時(shí),先采用了十字掃描法進(jìn)行指向精度修正,以糾正全天區(qū)指向模型的殘余誤差,保證測(cè)量過(guò)程中指向誤差在1/10波束寬度以?xún)?nèi),然后控制天線(xiàn)指向射電源、偏開(kāi)射電源、開(kāi)啟噪聲源,此時(shí)積分后的功率值隨時(shí)間變化類(lèi)似于圖3.此外,對(duì)于C波段4～8 GHz的寬帶接收機(jī),我們分別測(cè)試了3個(gè)頻點(diǎn)上的性能,以便于天文觀測(cè)時(shí)效率曲線(xiàn)的修正.對(duì)于副面隨動(dòng),我們采用的模型控制如(11)～(12)式,分別為副面重力Y方向控制模型和聚焦Z方向的控制模型,模型的仿真、實(shí)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖5～6,其中仿真模型采用了中電五十四所的有限元仿真模型,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用了射電源方法[8].

其中A、B、C、D為擬合系數(shù).

圖4 校準(zhǔn)射電源流量密度Fig.4 The fl ux densities of the calibrated radio sources

圖5 Y方向副面調(diào)整模型Fig.5 The adjusted model for the sub re fl ector inYdirection

圖6 Z方向副面調(diào)整模型Fig.6 The adjusted model for the sub re fl ector inZdirection

5.2.1 天線(xiàn)效率測(cè)量

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中我們選用3C48、3C147、3C286、3C295、3C138等校準(zhǔn)射電源,這些源在L、C、S、X波段的流量密度都在3 Jy以上,致密、角徑小、流量穩(wěn)定且可以精確計(jì)算.為了得到整個(gè)俯仰角范圍內(nèi)的效率(靈敏度和系統(tǒng)噪聲溫度亦然),需要在多個(gè)仰角位置進(jìn)行多次測(cè)量.表2給出了副面固定時(shí),4個(gè)頻段歸一化效率曲線(xiàn)隨俯仰角的擬合因子,表3給出了副面隨動(dòng)情況下C和X兩個(gè)波段的歸一化效率曲線(xiàn)的擬合因子以及最佳效率值和俯仰角.圖7～12分別給出了4個(gè)波段的效率隨仰角的變化情況,圖7中VP為垂直極化,HP為水平極化.可以看出,L和S波段天線(xiàn)效率隨仰角的變化不明顯,而在X波段則十分明顯,這主要是因?yàn)楦泵嬷蔚淖冃螌?duì)高頻段影響更劇烈,見(jiàn)圖9,其中LCP為左旋,RCP為右旋,LCP-SR為副面隨動(dòng)情況下的左旋,RCP-SR為副面隨動(dòng)情況下的右旋.可以看到在副面固定時(shí),高低仰角上效率下降十分劇烈,10°和85°俯仰角時(shí)效率下降25%左右,而副面隨動(dòng)后,天線(xiàn)效率在整個(gè)俯仰角上可以控制到60%以上.圖10～12給出C波段不同頻率上效率曲線(xiàn)的測(cè)試情況,在高低仰角處天線(xiàn)效率下降明顯,圖13～14則給出了副面隨動(dòng)前后效率曲線(xiàn)的擬合情況.需要說(shuō)明的一點(diǎn)是,理論上左右旋的效率曲線(xiàn)應(yīng)當(dāng)是相同的,而實(shí)際測(cè)量時(shí)由于噪聲源定標(biāo)的誤差導(dǎo)致了效率曲線(xiàn)的差異.從圖13～14中可以看到,差異最大的是7.5 GHz處左右旋的效率曲線(xiàn),約有4%的差別,從3.1節(jié)分析可知,對(duì)應(yīng)的定標(biāo)誤差約0.5 K(在噪聲定標(biāo)10 K時(shí),相對(duì)定標(biāo)誤差5%),而其余兩個(gè)頻點(diǎn)上的效率曲線(xiàn)左右旋符合都較好,效率偏差低于1%,由此估算定標(biāo)偏差好于0.13 K(在噪聲定標(biāo)10 K時(shí),相對(duì)定標(biāo)誤差好于2%),并且左右旋效率曲線(xiàn)隨仰角的趨勢(shì)變化完全相同,這可以從圖13～14中得到驗(yàn)證.

表2 4個(gè)頻段在副面固定時(shí)效率曲線(xiàn)的測(cè)試Table 2 The tested efficiency curves in four frequency bands for a fi xed position of sub re fl ector

表3 C、X波段副面隨動(dòng)時(shí)效率曲線(xiàn)的測(cè)試Table 3 The tested efficiency curves in C and X frequency bands for a moving position of sub re fl ector

5.2.2 靈敏度測(cè)量

圖15～18給出了4個(gè)波段的SEFD測(cè)試情況,在低仰角處,由于系統(tǒng)溫度的上升, SEFD將變大(即靈敏度下降);而在高仰角處,由于效率下降,同樣導(dǎo)致了SEFD將變大.

由于SEFD的測(cè)試誤差并不受制于噪聲源定標(biāo)誤差,因此,對(duì)于頻帶覆蓋較寬的波段,研究不同頻率上的靈敏度是有必要的.圖19給出了C波段3個(gè)頻點(diǎn)4 800 MHz、6 425MHz、7 780 MHz上的右旋靈敏度情況,可以看到,隨著頻率的上升,在每個(gè)俯仰角上對(duì)應(yīng)的靈敏度呈下降趨勢(shì),而在最佳仰角55°上SEFD則相同,都為27 Jy左右.在副面隨動(dòng)時(shí),由圖20可知,3個(gè)頻點(diǎn)上靈敏度與俯仰具有一致的變化規(guī)律.在副面隨動(dòng)情況下,圖20～21給出了C和X兩個(gè)波段的SEFD值隨俯仰角的變化情況,可以看到,在高低俯仰角上副面隨動(dòng)后SEFD有較大的改善,X波段基本改善一倍,C波段有1/3左右的改善.

圖7 3C123在1.488 GHz處帶寬為2 MHz的L波段效率測(cè)試Fig.7 The measurement of L band efficiency of 3C123 at 1.488 GHz with 2 MHz bandwidth

圖8 3C123在2.2 GHz處帶寬為20 MHz的S波段右旋效率測(cè)試Fig.8 The measurement of S band RCP efficiency of 3C123 at 2.2 GHz with 20 MHz bandwidth

圖9 3C286在8.4 GHz處帶寬為20 MHz的X波段左右旋效率測(cè)試Fig.9The measurement of X band LCP&RCP efficiencies of 3C286 at 8.4 GHz with 20 MHz bandwidth

圖10 3C286和3C123在4.8 GHz處帶寬為20 MHz的C波段左右旋效率測(cè)試Fig.10The measurement of C band LCP&RCP efficiencies of 3C286&3C123 at 4.8 GHz with 20 MHz bandwidth

圖11 3C286和3C123在6.425 GHz處帶寬為20 MHz的C波段左右旋效率測(cè)試Fig.11The measurement of C band LCP&RCP efficiencies of 3C286&3C123 at 6.425 GHz with 20 MHz bandwidth

圖12 3C286和3C123在7.5 GHz處帶寬為20 MHz的C波段左右旋效率測(cè)試Fig.12The measurement of C band LCP&RCP efficiencies of 3C286&3C123 at 7.5 GHz with 20 MHz bandwidth

圖13 副面固定時(shí)C波段左右旋效率曲線(xiàn)Fig.13 The curves of C band LCP&RCP efficiencies for a fi xed position of sub re fl ector

圖14 副面隨動(dòng)時(shí)C波段左右旋效率曲線(xiàn)Fig.14 The curves of C band LCP&RCP efficiencies for a moving position of sub re fl ector

圖15 3C123在1.488 GHz處帶寬為2 MHz的L波段SEFD測(cè)試Fig.15 The measurement of L band SEFD of 3C123 at 1.488 GHz with 2 MHz bandwidth

圖16 3C123在2.2 GHz處帶寬為20 MHz的S波段右旋SEFD測(cè)試Fig.16 The measurement of S band RCP SEFD of 3C123 at 2.2 GHz with 20 MHz bandwidth

圖17 3C286在4.8 GHz處帶寬為20 MHz的C波段左右旋SEFD測(cè)試Fig.17 The measurement of C band LCP&RCP SEFDs of 3C286 at 4.8 GHz with 20 MHz bandwidth

圖18 3C286在8.4 GHz處帶寬為20 MHz的X波段左右旋SEFD測(cè)試Fig.18 The measurement of X band LCP&RCP SEFDs of 3C286 at 8.4 GHz with 20 MHz bandwidth

圖19 C波段3個(gè)頻點(diǎn)上右旋SEFD隨俯仰變化Fig.19 The C band RCP SEFDs changing with elevation measured at 3 frequencies

圖20 副面隨動(dòng)時(shí)C波段3個(gè)頻點(diǎn)上右旋SEFD隨俯仰變化Fig.20The C band RCP SEFDs changing with elevation measured at 3 frequencies for a moving position of sub re fl ector

圖21 副面隨動(dòng)時(shí)X波段左右旋SEFD隨俯仰變化Fig.21 The X band LCP&RCP SEFDs changing with elevation for a moving position of sub re fl ector

5.2.3 系統(tǒng)噪聲溫度測(cè)量

圖22給出了4個(gè)頻段右旋系統(tǒng)噪聲的測(cè)試情況(L波段為水平極化),X波段在高仰角上的系統(tǒng)噪聲溫度約31 K、C波段為20 K、S波段為55 K左右、L波段為25 K,S波段的系統(tǒng)噪聲偏大主要是由于在該頻段,TM65m天線(xiàn)所在電磁環(huán)境異常惡劣、天空噪聲總體抬升導(dǎo)致.

圖23給出了副面隨動(dòng)前后C波段7.5 GHz頻率處的系統(tǒng)噪聲曲線(xiàn),兩次測(cè)試天氣都為多云天氣,從中可以知道,副面隨動(dòng)對(duì)系統(tǒng)噪聲影響不明顯.圖24為X波段8.4 GHz處副面隨動(dòng)前后系統(tǒng)噪聲溫度的測(cè)試情況,兩次測(cè)量時(shí)天氣差異較大,副面固定時(shí)觀測(cè)為陰天,隨動(dòng)后觀測(cè)時(shí)段為晴朗天氣,可以看到兩次測(cè)量有約2.5 K的系統(tǒng)偏差,這應(yīng)當(dāng)歸因于大氣條件的差異,但是左右旋之間的相對(duì)偏差依舊保持良好,相差3 K左右.由于系統(tǒng)噪聲溫度的測(cè)試與大氣有較大關(guān)系,這里我們可以取同時(shí)測(cè)量的不同頻率上的測(cè)量數(shù)據(jù)作比較,由于目前我們采用的數(shù)據(jù)采集終端最大帶寬為500MHz,圖25給出了連續(xù)500MHz帶寬上,3個(gè)抽取頻率點(diǎn)的系統(tǒng)噪聲溫度曲線(xiàn),可以看到隨著頻率的上升,系統(tǒng)噪聲溫度也隨著上升,并且系統(tǒng)噪聲溫度的抬升量與頻率間隔基本呈線(xiàn)性比例(注意:圖25中俯仰83°左右的測(cè)量點(diǎn)為測(cè)量異常點(diǎn),此時(shí)天線(xiàn)掃描速度未設(shè)置良好導(dǎo)致,之后調(diào)整天線(xiàn)掃描速度到正常速度,此后84°～86°為正常數(shù)據(jù)).

圖22 4個(gè)波段系統(tǒng)噪聲溫度Fig.22 The system noise temperatures in 4 bands

圖23 C波段(7.5 GHz)副面隨動(dòng)前后系統(tǒng)噪聲溫度Fig.23 The C band(7.5 GHz)system noise temperature for fi xed and moving positions of sub re fl ector

圖24 X波段(8.4 GHz)副面隨動(dòng)前后系統(tǒng)噪聲溫度Fig.24 The C band(8.4 GHz)system noise temperature for fi xed and moving positions of sub re fl ector

圖25 C波段右旋同次測(cè)量3個(gè)頻點(diǎn)上的系統(tǒng)噪聲溫度Fig.25 The C band RCP system noise temperature at 3 frequencies in the same measurement

6 總結(jié)

本文重點(diǎn)討論了TM65m射電望遠(yuǎn)鏡上4個(gè)低頻接收系統(tǒng)的性能測(cè)試情況,對(duì)于副面隨動(dòng)的情況給出了C和X兩個(gè)波段的測(cè)試結(jié)果.測(cè)試結(jié)果表明,在最佳仰角上L、S、C、X 4個(gè)波段的效率均可以達(dá)到60%以上,靈敏度SEFD分別為30 Jy、83 Jy、25 Jy、40 Jy左右,在副面隨動(dòng)模型啟動(dòng)后,C和X兩個(gè)波段的效率在全部俯仰角上均可以達(dá)到60%以上,SEFD在高低俯仰角上約有2倍的改善;4個(gè)波段在最佳俯仰角上系統(tǒng)噪聲溫度分別約為26 K、57 K、20 K以及32 K,并且在C和X兩個(gè)波段上副面隨動(dòng)模型的啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)噪聲溫度的影響不明顯.

目前導(dǎo)致效率測(cè)量不確定度的關(guān)鍵因素還是噪聲源定標(biāo)有一定的誤差,當(dāng)前的定標(biāo)誤差約為2%,個(gè)別頻率點(diǎn)上定標(biāo)誤差可能達(dá)到5%,但這已經(jīng)比實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)誤差提高了2倍以上.為了提高效率和系統(tǒng)噪聲溫度測(cè)量不確定度,下面3項(xiàng)將是值得嘗試的工作:

(1)在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn),隨著天線(xiàn)俯仰角的變化,尤其在高低俯仰角時(shí),方向圖畸變明顯,這導(dǎo)致了旁瓣能量的升高,主瓣能量的下降,最后表現(xiàn)出天線(xiàn)效率測(cè)量值的下降.因此需要建立方向圖特征與俯仰角的關(guān)系[9];

(2)對(duì)噪聲源進(jìn)行良好的溫度控制,以期改善噪聲源的穩(wěn)定度和定標(biāo)偏差;

(3)面源的流量強(qiáng)度很大,可以有效抑制噪聲,在短時(shí)間內(nèi)積分就可以獲得良好的信噪比,因此對(duì)測(cè)量十分有利,但是面源的波束修正因子誤差比較大,從而導(dǎo)致的不確定度也增加.這可以通過(guò)掃描2維方向圖,對(duì)整個(gè)方向圖內(nèi)的功率積分,并用積分后功率進(jìn)行性能解算,從而避開(kāi)面源的修正因子問(wèn)題.

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[4]Ulich B L,Haas R W.ApJS,1976,30:247

[5]王錦清,虞林峰,趙融冰,等.天文學(xué)報(bào),2015,56:63

[6]錢(qián)志翰,李金嶺.甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量技術(shù)在深空探測(cè)中的應(yīng)用.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2014:33

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[9]Smith P.ITAP,1966,14:6

Antenna Performance Measurements in L,S,C,and X Bands for TM65m Radio Telescope

WANG Jin-qing1,2ZHAO Rong-bing1,2YU Lin-feng1,2YIN Hai-ling3LAO Bao-qiang1,4WU Ya-jun1,2LI Bin1,2DONG Jian1,2JIANG Yong-bin1,2XIA Bo1,2ZUO Xiu-ting1,2GOU Wei1,2GUO Wen1,2WU Xiao-cong1,2LU Xue-jiang1,2LIU Qing-hui1,2FAN Qing-yuan1,2JIANG Dong-rong1,2QIAN Zhi-han1,2
(1 Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030)
(2 Key Laboratory of Radio Astronomy,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008)
(3 Shanghai XinZhuYuan Middle School,Shanghai 200122)
(4 Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004)

The measured results of the antenna efficiency,sensitivity,and system noise temperature for TM65m telescope are reported in this paper.The key parameters describing a radio astronomy receiving system are introduced fi rstly.Then the measurement methods are discussed,and the errors are assessed.Finally,the measurements of the antenna efficiency,sensitivity,and system temperature performances are given.The results show that the efficiency and SEFD(System Equivalent Flux Density)decrease dramatically at both low and high elevations when the position of the sub-re fl ector is fi xed.The antenna efficiency in C and X bands reaches more than 60% over the entire elevation range if a sub-re fl ector model is applied.The system noise temperatures are independent of the sub-re fl ector model.The sensitivity and system noise temperature of the C band has the best performance among the four bands.

atmospheric e ff ects,techniques:radar astronomy,cosmic background radiation

P111;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.03.008

2014-09-24收到原稿,2014-11-28收到修改稿?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11303076)資助

?jqwang@shao.ac.cn