一种基于双波束差分的高频连续谱扫描观测方法与流程

本发明涉及射电望远镜高频连续谱观测领域，尤其涉及一种基于双波束差分的高频连续谱扫描观测方法。

背景技术：

目前，对于高频连续谱观测普遍采用单波束扫描观测方法，该方法通过射电望远镜对射电源进行扫描观测，然后其接收机仅采用一个波束来接收射电源功率数据。由于高频观测时，大气的背景信号波动较大，而接收的射电源功率数据叠加在大气的背景信号之上，通过单波束扫描观测方法无法将变化的大气背景信号移除，从而导致观测过程中数据基底抖动，影响连续谱天文研究以及天线性能测量等工作。

因此，本发明亟待提供一种改进的高频连续谱扫描观测方法，以提高测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于双波束差分的高频连续谱扫描观测方法，以有效消除大气波动对测量结果的影响，提高测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于双波束差分的高频连续谱扫描观测方法，包括以下步骤：

步骤S1，使射电望远镜的双波束接收机中两个馈源产生的两个波束间隔地布置在方位方向，并使两者的中心连线被俯仰轴垂直平分；

步骤S2，使射电望远镜对一射电源在方位方向和俯仰方向分别进行扫描并进行预处理以获取方位扫描数据和俯仰扫描数据，所述方位扫描数据包括在方位方向扫描下的天线位置数据及其相应的两个波束接收到的射电源功率数据，俯仰扫描数据包括在俯仰方向扫描下的天线位置数据及其相应的两个波束接收到的射电源功率数据；

步骤S3，将方位扫描数据进行差分，并基于线性函数和高斯函数构建第一参数化模型其中，x1为方位方向扫描的天线位置数据，y1为x1对应的双波束差分射电源功率数据，a1为一个波束的高斯函数幅度，m1为方位方向的指向误差，n为高斯函数半功率波束宽度，a2为另一个波束的高斯函数幅度，OFF为两个波束之间的方位方向上的固定指向偏移量，k1为基线斜率，b1为基线常数；

步骤S4，将俯仰方向扫描的数据进行差分，并基于线性函数和高斯函数构建用于描述俯仰扫描数据的第二参数化模型其中，x2为俯仰方向扫描的天线位置数据，y2为x2相应的俯仰方向扫描的差分射电源功率数据，a1为一个波束的高斯函数幅度，m2为俯仰方向的指向误差，n为高斯函数半功率波束宽度，k2为基线斜率，b2为基线常数；

步骤S5，将方位方向扫描下的双波束差分射电源功率数据代入第一参数化模型，并指定a1、m1、n、a2、k1及b1的初值；将俯仰方向扫描下的双波束差分射电源功率数据代入第二参数化模型，并指定a1，m2，k2以及b2的初值，然后采用最小二乘拟合算法计算得到参数m1、m2、a1、a2以及n的值；

步骤S6，根据步骤S5中得到的m1、m2、a1、a2以及n，对所述方位扫描数据和俯仰扫描数据进行评估，并在所述方位扫描数据和俯仰扫描数据理想时，将得到的a1和a2作为连续谱观测结果。

进一步地，在所述步骤S2中，所述预处理包括依次进行去背景、定标、校准、插值处理。

进一步地，在所述步骤S5中，n的初值指定为估计的高斯函数半功率波束宽度，所述估计的高斯函数半功率波束宽度为其中，λ为所述射电源的波长，D为所述射电望远镜的直径。

进一步地，在所述步骤S5中，a₁的初值指定为y1的最大值，a2的初值指定为y1的最小值。

进一步地，在所述步骤S5中，OFF采用固定值90角秒。

进一步地，在所述步骤S6中，若m1、m2及n的绝对值均小于所述估计的高斯函数半功率波束宽度的1.1倍，a1和a2比值大于0.95且小于1.05则表明所述方位扫描数据和俯仰扫描数据理想，否则表明所述方位扫描数据和俯仰扫描数据不理想。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明将射电望远镜接收机的两个馈源布置在方位方向，并使两个馈源的中心连线被俯仰轴垂直平分，因而两个馈源对应的波束指向天空的同一俯仰高度方向。地球大气辐射高度在2km-3km之间，此高度对大型射电望远镜的高频双波束是近场局域，双波束可完全重叠覆盖此局域，而连续谱射电源位于几百光年之外，此局域对于双波束是远场局域，双波束对射电源的响应是独立的。因此，当方位方向扫描下两个波束均通过射电源时，则两者接收到的射电源功率数据中均包括射电源本身的功率数据和大气背景信号；当俯仰方向扫描下，一个波束不通过射电源，另一个波束通过射电源时，则一个波束接收到的射电源功率数据仅包含大气背景信号，而另一个波束接收到的射电源功率数据既包括射电源本身的功率数据又包括大气背景信号，当将两个波束的扫描数据差分后，即可有效消除大气波动对连续谱测量结果的影响，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明一种基于双波束差分的连续谱扫描观测方法的流程图；

图2为本发明中接收机的两个馈源的安装位置示意图；

图3为本发明中两个波束沿方位方向扫描的示意图；

图4为本发明中两个波束沿俯仰方向扫描的示意图；

图5为本方明中两个波束在方位方向扫描下接收到的射电源功率数据对应的天线温度曲图；

图6为本方明中两个波束在俯仰方向扫描下接收到的射电源功率数据对应的天线温度曲图；

图7为本方明在方位方向扫描下的双波束差分射电源功率数据对应的天线温度曲图；

图8为本方明在俯仰方向扫描下的双波束差分射电源功率数据对应的天线温度曲图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明基于双波束差分的高频连续谱扫描观测方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1，提供一配备Q波段(但不仅限于Q波段)双波束接收机及连续谱天文终端的大型射电望远镜(通常大型射电望远镜均配备高性能Q波段双波束接收机和连续谱终端)，并使该双波束接收机的两个馈源10、20按图2进行安装。具体地，将两个馈源10、20间隔地布置在方位方向，并使两者的中心连线被俯仰轴垂直平分，从而两个馈源产生的波束1、2也位于方位方向，两个波束1、2的中心连线也被俯仰轴垂直平分。为标定接收机的增益波动以供后续的定标处理过程使用，该双波束接收机应具有周期性定标信号注入功能模块。

步骤S2，选择一射电源作为观测目标，开启Q波段接收机的周期性定标信号功能，使射电望远镜对射电源在方位方向和俯仰方向分别进行扫描，并依次进行去背景、定标、校准、插值等预处理(这些预处理步骤均为本领域已知的方法)，以获得方位扫描数据和俯仰扫描数据，然后将得到的扫描数据记录在连续谱天文终端内。其中，在进行方位方向扫描时，如图3所示，波束1和2均沿着方位方向扫描，两者均通过射电源；在进行俯仰方向扫描时，如图4所示，波束2沿俯仰方向扫描，波束1沿平行于波束2的扫描方向扫描，波束2通过射电源，波束1不通过射电源。在该步骤中，方位方向和俯仰方向下的扫描长度均为500角秒，扫描速度均为10角秒/秒，连续谱天文终端积分时间为0.2秒，方位方向和俯仰方向上的扫描全部完成的时间约为2分钟。该步骤中的观测频率为43GHz，观测带宽为500MHz。

在本发明中，上述方位扫描数据包括在方位方向扫描下的天线位置数据及其对应的波束1接收到的射电源功率数据(射电源功率数据一般用天线温度曲线图进行表征，波束1接收到的射电源功率数据对应的天线温度曲线见图5中曲线A)和波束2接收到的射电源功率数据(其对应的天线温度曲线见图5中曲线B)，由于在方位方向扫描下波束1和2均通过射电源，因此此时两者接收到的射电源功率数据中既包括射电源本身的功率数据又包括大气背景信号。俯仰扫描数据包括在俯仰方向扫描下的天线位置数据及其对应的波束1接收到的射电源功率数据(其对应的天线温度曲线见图6中曲线C)和波束2接收到的射电源功率数据(其对应的天线温度曲线见图6中曲线D)，由于在俯仰方向扫描下，波束2通过射电源，波束1不通过射电源，因此此时波束1接收到的射电源功率数据仅包含大气背景信号，而波束2接收到的射电源功率数据既包括射电源本身的功率数据又包括大气背景信号。

步骤S3，将方位扫描数据进行差分，并基于线性函数和高斯函数构建用于描述方位扫描数据的第一参数化模型其中，x1为方位方向扫描的天线位置数据，y1为x1对应的方位方向扫描的双波束差分射电源功率数据(即方位方向扫描下波束2接收到的射电源功率数据与波束1接收到的射电源功率数据之差，其对应的天线温度曲线见图7中曲线E)，参数a1为波束1的高斯函数幅度，参数m1为方位方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度，参数a2为波束2的高斯函数幅度，参数OFF为波束2与波束1之间的方位方向上的固定指向偏移量(由馈源安装位置决定)，参数k1为基线斜率，参数b1为基线常数。

步骤S4，将俯仰方向扫描的数据进行差分，并基于线性函数和高斯函数构建用于描述俯仰扫描数据的第二参数化模型其中，x2为俯仰方向扫描的天线位置数据，y2为x2相应的俯仰方向扫描的差分射电源功率数据(即俯仰方向扫描下波束2接收到的射电源功率数据与波束1接收到的射电源功率数据之差，其对应的天线温度曲线见图8中曲线F)，参数a1为波束1的高斯函数幅度，参数m2为俯仰方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度，参数k2为基线斜率，参数b2为基线常数。

步骤S5，将方位扫描的双波束差分射电源功率数据代入第一参数化模型，并指定a1、m1、n、a2、k1及b1的初值；将俯仰扫描的双波束差分射电源功率数据代入第二参数化模型，并指定a1，m2，k2以及b2的初值；基于代入方位扫描数据的第一参数化模型和代入俯仰扫描数据的第二参数化模型采用最小二乘拟合算法计算得到参数m1、m2、a1、a2以及n。在本发明一个实施例中，上述各参数的初值如下：OFF为固定值90角秒，参数a₁的初值采用y₁最大值，参数a₂的初值采用y₂最小值，参数n采用估计的高斯函数半功率波束宽度，其计算方法如下式：其中，λ为射电源的波长，D为射电望远镜的直径，其它参数的初值均为0。

步骤S6，由于高频连续谱观测受多种因素影响，因此需对观测结果进行评估。评估方法如下：

若步骤S5中得到的m1、m2及n的绝对值均小于所述估计的高斯函数半功率波束宽度的1.1倍，a1和a2比值大于0.95且小于1.05，则表明所述方位扫描数据和俯仰扫描数据理想，此时步骤S5中得到的参数a1和a2即为连续谱扫描观测的观测结果，否则，表明所述方位扫描数据和俯仰扫描数据不理想，数据不予采用，即此时没有观测结果。

本领域的普通技术人员应意识到，此处所描述的实例是为了帮助读者理解本发明的原理，这里应该被理解为本发明的保护范围并不局限于此文中的特别陈述和实施实例。本领域的普通技术人员可根据本发明公开的这些技术及原理启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，所做的变形和组合仍在本发明的保护范围之内。