基于相關測量MUSER饋源軸比的方法研究

蘇 倉,王 威,顏毅華

(1.中國科學院國家天文臺,北京 100012;2.中國科學院研究生院,北京 100049;3.中國科學院太陽活動重點實驗室,北京 100012)

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基于相關測量MUSER饋源軸比的方法研究

蘇 倉1,2,3,王 威1,3,顏毅華1,3

(1.中國科學院國家天文臺,北京 100012;2.中國科學院研究生院,北京 100049;3.中國科學院太陽活動重點實驗室,北京 100012)

明安圖射電頻譜日像儀是新一代太陽專用射電成像望遠鏡,超寬帶雙圓極化接收饋源是其關鍵技術之一.軸比是反映雙圓極化饋源性能的重要指標,單天線測量軸比的傳統方法需要標準天線輔助,本文采用基于相關測量干涉陣饋源軸比的方法,針對MUSER天線數目多,且為戶外環境,根據天文觀測的需求須經常測試天線的性能的特點,簡化了干涉陣望遠鏡測量軸比的過程,且能夠高效的得到準確的測量結果.文中對該方法的測量過程做了詳細的說明,給出了部分天線的測試結果,結果同時反映了饋源的良好特性.

綜合孔徑;明安圖射電頻譜日像儀;圓極化;軸比

1 引言

極化是天線的一項重要性能,所謂波的極化是指在垂直于波的傳播方向的平面內電場矢量變化一周端點所描繪的軌跡,如圖1(a)所示.如果這個軌跡是圓,則稱為圓極化;如果是直線,則稱為線極化;如果是橢圓,則是橢圓極化,如圖1(b,c,d)所示.橢圓極化按照電場矢量旋轉方向不同,可以分為左旋圓極化和右旋圓極化.軸比是衡量天線圓極化性能的一個重要參數,可以定義為極化橢圓長軸與短軸之比,用AR(Axis Ratio)表示.AR的取值范圍為1≤AR≤∞,當AR=1時為圓極化,當AR=∞時為線極化.通常理想的圓極化天線工程中比較難以實現,一般都表現為橢圓極化[1].

太陽射電觀測科學目標要求天線具有雙圓極化接收能力,雖然干涉陣天線增加了天線的數目,但是也只能改善圖像的信噪比和動態范圍,不能改善天線的

極化性能,為保證正確測量快變信號的極化特性,所以要求單天線具有很高的極化性能.在圓極化天線測試中需要測試天線的軸比,以驗證天線的極化性能.單天線軸比測試方法(極化圖法、線分量法、圓分量法、綜合法等)都需要標準天線輔助測試[2～6],如圖2所示.

對于單天線軸比測量,除了滿足天線測量的一些共同要求外,還要求極化參數必須在一定坐標系中定義并且要求在無反射條件下進行,另外除三天線絕對法外,所有極化測量方法都要求事先提供一副或者多副已知極化參數的輔助天線來作為基準,因此選擇基準天線及對基準天線的極化參數進行校準是測量的必備條件之一.此外在測試設備方面要求轉臺要有三個自由度,即除方位、俯仰可以自由旋轉且有精確刻度外,還要求天線能繞本身的機械軸旋轉,且附有精確刻度[7].MUSER天線陣位于內蒙古大草原上,其為野外環境,并且天線數目眾多,根據天文觀測的需求須經常測試天線的性能,希望能夠快速準確的得到天線的相關參數.但是標準寬帶天線很難實現,而且干涉陣天線眾多實施困難、周期長.對于干涉陣天線,Perley(2009)給出了軸比與相關量的關系[8],但是需要轉動其中一個天線的饋源90°.對于EVLA這樣的通用型干涉陣望遠鏡主要觀測其他天體源,這些天體源極化特性不應顯著變化,對時間分辨率要求低,可以通過逐次測量平行相關(RR、LL)和交叉相關(RL、LR)四個相關量,計算得到Stokes 參數(I、Q、U、V).但是MUSER主要測量快變太陽活動信號,對時間分辨率要求高,實際觀測中只有平行相關量(RR、LL),所以為了正確得到信號的極化特性MUSER必須具有很好的軸比性能.本文根據MUSER采用了基于相關測量干涉陣天線軸比的方法,即由干涉陣的相關輸出直接計算得到天線的軸比,并可見其滿足系統要求.

2 MUSER介紹

明安圖射電頻譜日像儀(Mingantu SpEctral Radioheliograph,MUSER)是一臺在厘米-分米波段同時以高時間、高空間、高頻率分辨率對太陽進行成像觀測的專用射電望遠鏡[9].

MUSER根據綜合孔徑的原理,由低頻陣(MUSER-I,40面4.5米天線)和高頻陣(MUSER-II,60面2米天線)兩部分組成,本文主要針對低頻陣進行測試分析.如圖3所示,高低頻天線分別接收頻率為400MHz～2GHz和2GHz～15GHz的太陽射電信號,然后通過等長的光纖傳送到室內模擬接收機部分和通過數字接收機的數字化處理到達復相關器件,對所有通道進行復相關計算得到復可見度函數,最后經過成像處理得到太陽圖像[10].

由于MUSER需要接受超寬帶雙圓極化的太陽射電信號,所以天線采用末端加3dB電橋形成接收雙圓極化信號的Eleven形式的饋源.在工程上通常雙圓極化饋源可以由性能良好的雙線極化通過圓極化合成網絡合成[11].

(1)

(2)

但是在實際工程應用中無法做到兩個線極化信號的絕對正交,所以合成的圓極化信號也非絕對的圓極化信號而是橢圓極化信號,從而造成饋源的軸比不為1,所以接收到的左旋圓極化信號中有右旋圓極化信號的影響(或者在右旋圓極化信號中有左旋圓極化信號的影響).這種影響在成圖觀測中會使非極化的源出現極化特性、改變源的結構,從而造成圖像靈敏度和動態范圍的下降.

3 測量原理

極化橢圓參數位置角ψ和軸比AR(Axis Ratio)是表征極化特性的常用表示方式如圖5(a)所示[13].

對于任意的平面電磁波可以表示為正交的兩個線極化分量,如下述式子所示:

Ex(t)=εx(t)ej[2π?t+δx(t)]

Ey(t)=εy(t)ej[2π?t+δy(t)]

(3)

因此根據圖5(a)所示,在x′和y′方向得到的電壓分量為:

Ex′(t)=

[εx(t)ejδx(t)cosψ+εy(t)ejδy(t)sinψ]ej2πvt

(4)

Ey′(t)=

[-εx(t)ejδx(t)sinψ+εy(t)ejδy(t)cosψ]ej2πvt

(5)

如圖5(b)所示,在A端得到的電壓為:

v′=Ex′cosχ-jEy′sinχ

(6)

對于右旋圓極化天線,假設天線接收的為右旋圓極化信號,則Ex相位領先Ey相位π/2,

即Ex=jEy,根據式(4)(5)得:

Ex′=Excosφ+Eysinφ=Ex(cosφ-jsinφ)

(7)

Ey′=-Exsinφ+Eycosφ

=-Ex(sinφ+jcosφ)

(8)

(9)

同理可以得到接收左旋圓極化信號時,

(10)

交叉極化是用來表征工程應用中天線對正交于天線極化方向信號的反應,在射電天文也被稱為D參數[8],

(11)

根據綜合孔徑的原理,如果用一對雙圓極化的天線觀測時,會得到四個相關量[1](Vrr、Vll、Vrl、Vlr).

因此,兩天線相關測量輸出和交叉極化項的關系可以表示為[8，14]:

(12)

(13)

(14)

(15)

其中V′為實際觀測中得到的相關量,V為理想饋源情況下的相關量,g為復增益項.對于無明顯極化成分的處于相位中心的源,如果兩天線具有相似的特性,根據式(11)、(12)、(13)、(14)可得到:

(16)

4 測試結果與分析

選取天線IB1和IC1為一對基線,根據式(11)(16)可得到天線IC1的軸比如圖6所示.

其中紅色“+”為射頻干擾頻段,黑色直線為軸比AR=1.2,黑色圓點為用標準天線輔助測試值(數據采自4.5米天線測試報告).從測試結果可以看出,在大部分頻點測得了和單天線測試方法相當的軸比值.這也不排除是單天線方法測試帶來的誤差,包括極化標準的校準誤差、基準天線的極化誤差、基準天線的對準誤差和轉臺系統帶來的誤差等.而基于相關的測試方法對于干涉陣天線不但不會帶來上述誤差而且更具有可操作性和可重復操作性,因為其不用考慮標準天線的擺放位置和配置.并且只要有合適的天文源就很容易得到全頻段需要的數值,而不受標準天線的限制只能得到數個頻點或者窄帶上數值.

由圖6可知,在400MHz～800MHz頻段內96.5%的頻點軸比小于1.2;在800MHz～1200MHz頻段內86.9%的頻點軸比小于1.2;;在1200MHz～1600MHz頻段內84.4%的頻點軸比小于1.2;在1600MHz～2000MHz的所有頻點均小于1.2.并且在400MHz～2000MHz的頻率范圍內有97.2%的頻點軸比小于1.26.此結果驗證了MUSER具有較高性能的雙圓極化饋源,為雙圓極化的成像提供了保障.

5 總結

本文通過對MUSER雙圓極化天線饋源軸比與D參數和互相關函數之間的關系的理論分析和推導,采用基于相關測量饋源軸比的方法,并在相關測試中得到驗證.該方法適合于對綜合孔徑望遠鏡陣列饋源軸比的測量,可以根據陣列的相關輸出直接測量軸比,不但簡化了軸比的測量過程,縮短了測試周期,而且減少了標準天線等相關外界條件帶來的誤差.同時該方法也不僅限于干涉陣望遠鏡的軸比測試,只要有滿足相似條件的雙天線就可以測量天線的軸比,比如批量生產的天線,也可以提供借鑒.并且從結果可以看出MUSER雙圓極化天線饋源做到了很好的軸比特性,可以滿足其對太陽雙圓極化成像的要求.

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蘇 倉 男,1987年二月出生于山東省菏澤市.2009年畢業于桂林電子科技大學,2010年進入中科院國家天文臺太陽射電研究團組.現為博士生,從事太陽射電圖像處理及校準方面的研究.

E-mail:csu@nao.cas.cn

王 威 男,1979年9月出生,遼寧鐵嶺人.高級工程師,碩士生導師,中國電子學會會員,天線分會委員.2002年,2007年分別在杭州電子工業學院和中國科學院研究所院獲得工學學士、理學博士學位.現為中國科學院國家天文臺高級工程師,主要從事射電天文方法、校準與數據處理等方面的研究.

Research of Measuring Axis Ratio of MUSER’s Feed Based on Correlation

SU Cang1,2,3,WANG Wei1,3,YAN Yi-hua1,3

(1.NationalAstronomicalObservatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100012,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.KeyLaboratoryofSolarActivity,NationalAstronomicalObservatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100012,China)

The MUSER(Mingantu SpEctral Radioheliograph) is a new generation of solar dedicated radio telescope.Its ultra-wide band dual-circular polarized feed is one of the key technologies.AR (Axis Ratio) is an important parameter for measuring feed efficiency.The traditional AR measurement needs the involvement of the standard antenna.In this paper,the method by measuring correlation is adopted to measure AR of feeds for MUSER.Since MUSER has numbers of antennas and located in harsh environments,according to the demand of astronomical observations,the performance of the antennas should be measured frequently.This method simplifies the process of AR measurement of the interferometric array and can obtain accurate results efficiently.The measuring process are presented in detail in this paper.In addition,the results of AR measurement show the favourable characteristics of the feeds for MUSER.

synthetic aperture;Mingantu spectral radioheliograph;circular polarization;axis ratio

2015-04-08;

2015-11-16;責任編輯：李勇鋒

國家重大科研裝備研制項目(No.ZDYZ2009-3);國家自然科學基金(No.11221063，No.Y011141001);天文聯合基金重點項目(No.U1231205)；青年基金(No.11203042)

P164

A

0372-2112 (2016)10-2556-05

??學報URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.10.039