一种射电天文总功率测量装置及测量方法

1.本公开涉及射电天文技术领域，具体涉及一种射电天文总功率测量装置及测量方法。


背景技术：

2.射电天文领域中常用通过测量射电天文接收机所接收信号总功率的方法来对射电源流量进行研究，用于做射电望远镜在某个波段上的指向、效率等，以及，用于对射电天文接收机进行测量等，通常测量位置在接收机的第一中频上，把测量总功率的装置叫做总功率终端。
3.现有技术中测量总功率的装置一般用在接收机的最后一级中频上，频率比较低，一般是0～1024ghz，在这个频率范围的信号是通过很长的信号线缆从射电望远镜中引入的，由于线缆很长，容易引起信号的不稳定造成功率发生不确定的变化，也有可能有较强的外界干扰信号通过线缆耦合进来。而且现有的终端一般是用于一种稳定的使用场景，它集成很多其它天文应用，需要配备较强大的数据存储系统，控制系统、时间频率系统等，对于天文中某些应用太过于复杂，也不灵活，它的单通道观测带宽比较低，目前使用最大的单通道带宽是64mhz，但是它的通道比较多，常见的有16通道，不能对较高、较宽的频率进行观测。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种射电天文总功率测量装置及测量方法，该装置具备成本低、观测带宽较宽、频率较高，使用较为灵活。
5.本公开的第一个方面提供了一种射电天文总功率测量装置，包括：两个功率探测探头、可编程逻辑器件及控制器；其中，该装置包括自由触发模式和外部触发模式；两个功率探测探头用于采集射电天文接收机所接收的双线极化信号或圆极化信号的功率数据；可编程逻辑器件用于在外部触发模式下，根据预置触发模式产生相应的触发信号，以驱动两个功率探测探头对功率数据进行采集，并根据两个功率探测探头完成数据采集后生成一中断信号；控制器用于对可编程逻辑器件及两个功率探测探头进行电控制，以在自由触发模式下发送第一控制信号使两个功率探测探头采集功率数据，并获取该功率数据；或，在外部触发模式下根据中断信号获取功率数据。
6.进一步地，控制器包括第一控制器与第二控制器，第一控制器通过交换机与两个功率探测探头中的一个功率探测探头连接，第二控制器通过交换机与两个功率探测探头中的另一个功率探测探头连接。
7.进一步地，控制器采用主从模式，包括：第一控制器与第二控制器，第一控制器通过交换机与两个功率探测探头连接，第二控制器通过交换机与两个功率探测探头连接。
8.进一步地，预置触发模式包括三种触发模式；其中，当预置触发模式为第一触发模式时，可编程逻辑器件在第一激励信号及第二激励信号下产生第一触发信号、第二触发信
号及第三触发信号，以驱动两个功率探测探头进行数据采集及驱使接收机噪声源产生一噪声源信号；当预置触发模式为第二触发模式时，控制器向可编程逻辑器件输出第二控制信号，以使可编程逻辑器件根据该第二控制信号产生第一触发信号、第二触发信号及第三触发信号，以驱动两个功率探测探头进行数据采集及驱使接收机噪声源产生一噪声源信号；当预置触发模式为第三触发模式时，通过外部设备对可编程逻辑器件输入一外部触发信号，以使可编程逻辑器件产生第一触发信号、第二触发信号及第三触发信号，以驱动两个功率探测探头进行数据采集及驱使接收机噪声源产生一噪声源信号。
9.进一步地，在第一触发模式与第三触发模式下，两个功率探测探头采集的功率数据包括时间戳。
10.进一步地，第一激励信号为来自于氢原子钟的参考信号，第二激励信号为1pps信号。
11.进一步地，第三触发信号的信号周期与第一触发信号及第二触发信号的信号周期不同。
12.进一步地，该装置还包括：终端设备，其与控制器通信连接，用于获取存储在控制器上的功率数据。
13.进一步地，该装置还包括：显示器，用于显示控制器获取的功率数据。
14.本公开的第二个方面提供了基于第一个方面所示的射电天文总功率测量装置的测量方法，包括：通过控制器对两个功率探测探头发起第一控制器信号，使两个功率探测探头根据该第一控制信号采集射电天文接收机所接收的双线极化信号或圆极化信号的功率数据，并获取该功率数据；或，根据预置触发模式选取相应的触发模式，以使可编程逻辑器件根据激励信号或控制器输出的第二控制信号输出触发信号，以驱动两个功率探测探头进行射电天文接收机所接收的双线极化信号或圆极化信号的功率数据采集，并将该功率数据输出至控制器。
15.本公开提供的一种射电天文总功率测量装置及测量方法，该装置体积小，可适用于安装在离射电天文接收机最近的地方，避免长距离传输信号而造成功率起伏变化，其具有工作带宽较宽及频率较高的优势，具体可根据所使用的功率探测探头工作参数有关。本装置中的功率探测探头的工作频率范围为10mhz～6ghz，动态范围为-60dbm～25dbm，其能很好的兼容于现有的接收机系统，以及可根据需求使用不同工作模式进行观测，该装置成本低廉，可作为接收机系统的监测装置使用。
附图说明
16.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
17.图1示意性示出了根据本公开一实施例的射电天文总功率测量装置的结构示意图；
18.图2示意性示出了根据本公开一实施例的在第一触发模式下的信号时序示意图；
19.图3示意性示出了根据本公开一实施例的在第二触发模式下的信号时序示意图；
20.图4示意性示出了根据本公开一实施例的在第三触发模式下的信号时序示意图；
21.图5示意性示出了根据本公开一实施例的射电天文总功率测量方法的流程示意图。
具体实施方式
22.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
23.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
24.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
25.下面将结合本公开具体的实施例中的射电天文总功率测量装置的结构，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，图1～图4中示出的射电天文总功率测量装置的结构中各部分的形状、结构和信号仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。
26.图1示意性示出了根据本公开一实施例的射电天文总功率测量装置的结构示意图。
27.如图1所示，该射电天文总功率测量装置100具有自由触发模式和外部触发模式，包括：控制器10、可编程逻辑器件20及两个功率探测探头。其中，控制器10与可编程逻辑器件20电连接，其与两个功率探测探头通过交换机40连接。
28.两个功率探测探头，用于根据控制器10输出的第一控制信号或可编程逻辑器件20输出的触发信号对射电天文接收机所接收的双线极化信号或圆极化信号的功率数据进行采集。
29.可编程逻辑器件20，用于在外部触发模式下，根据预置触发模式产生相应的触发信号，以驱动两个功率探测探头对功率数据进行采集，并根据两个功率探测探头每次完成数据采集后生成一中断信号。
30.控制器10，用于对可编程逻辑器件20及两个功率探测探头进行电控制，以在自由触发模式下发送第一控制信号使两个功率探测探头采集功率数据，并获取该功率数据；或，在外部触发模式下根据中断信号获取两个功率探测探头采集的功率数据。
31.本公开的实施例中，如图1所示，两个功率探测探头具体为第一功率探测探头301及第二功率探测探头302。第一功率探测探头301及第二功率探测探头302分别用于采集射电天文接收机所接收的双线极化信号或圆极化信号的功率数据。
32.具体地，该双线极化信号包括水平极化信号及垂直极化信号，即第一功率探测探头301可以用于采集水平极化信号的功率数据，第二功率探测探头302用于采集垂直极化信号的功率数据；同理，反之亦可。该圆极化信号包括左旋极化信号及右旋极化信号，即第一功率探测探头301可以用于采集左旋极化信号的功率数据，第二功率探测探头302用于采集右旋极化信号的功率数据；同理，反之亦可。本公开的实施例对第一功率探测探头301及第二功率探测探头302所对应采集的信号不做限定。
33.本公开的实施例中，第一功率探测探头301及第二功率探测探头302的工作频率范围优选10mhz～6ghz，动态范围为-60dbm～25dbm。
34.具体地，控制器10具体包括第一控制器101(如raspi-1)及第二控制器102(如raspi-2)。其中，第一控制器101与第二控制器102可以分别同时对第一功率探测探头301及第二功率探测探头302控制，或分别对第一功率探测探头301或第二功率探测探头302一一单独控制。举例而言，当控制器10采用主从模式时，第一控制器101通过交换机40与第一功率探测探头301及第二功率探测探头302连接，第二控制器102通过交换机40与第一功率探测探头301及第二功率探测探头302连接，此时第二控制器102可以作为备用控制器使用，避免主控制器出现故障时的数据丢失。当控制器10为非主从模式时，第一控制器101通过交换机40与第一功率探测探头301连接，第二控制器102通过交换机40与第二功率探测探头302连接，通过两个控制器对两个功率探测探头单独进行控制。
35.本公开的实施例中，如图1所示，第一控制器101中的一个i/o管脚与可编程逻辑器件20(cpld)中的一管脚连接，以使第一控制器101接收来自于可编程逻辑器件20的中断信号int1。第二控制器102中的一个i/o管脚与可编程逻辑器件20中的另一管脚连接，以使第二控制器102接收来自于可编程逻辑器件20的中断信号int2。第一控制器101与第二控制器102中的另一i/o管脚与可编程逻辑器件20中的一管脚连接，以用于第一控制器101与第二控制器102输出ctr/io信号对可编程逻辑器件20实现使能状态及工作模式控制。第一功率探测探头301通过网线与交换机40连接，其触发接口通过屏蔽线缆trig1与可编程逻辑器件20的一管脚连接。第二功率探测探头302通过网线与交换机40连接，其触发接口通过屏蔽线缆trig2与可编程逻辑器件20的一管脚连接。可编程逻辑器件20的其他管脚分别用于接入第一激励信号(如来自氢原子钟的参考信号)、第二激励信号(如1pps信号)及外部触发信号(如ext_trig)，其中，外部触发信号ext_trig)用以产生ns信号，以控制接收机噪声源60。
36.本公开的实施例中，如图1所示，该装置100还包括：与控制器10电连接的显示器vfd，其用于显示控制器10获取的功率数据。具体地，当一个周期中采集的功率数据较多的情况下，显示器vfd可仅显示一个功率数据，例如可以为每个周期中的第一个数据，或周期中间时间对应的功率数据，本公开对此不做限定。或，当一个周期中采集的功率数据较少的情况下，显示器vfd可将同一个周期中采集的数据全部进行显示，以便监测。
37.根据本公开的实施例，该射电天文总功率测量装置100的工作模式具体包括自由触发模式及外部触发模式。其中，自由触发模式指通过控制器10直接对第一功率探测探头301及第二功率探测探头302实现控制，外部触发模式指通过控制器对可编程逻辑器件20的使能状态及工作模式进行控制，以实现可编程逻辑器件20产生触发信号驱动第一功率探测探头301及第二功率探测探头302进行工作。
38.本公开的实施例中，在射电天文总功率测量装置100的工作模式为自由触发模式时，该自由触发模式适用于不需要严格的时序控制，该触发过程不需要可编程逻辑器件20，通过第一控制器101和/或第二控制器102经过路由器40直接控制第一功率探测探头301及第二功率探测探头302进行数据采集，并获取第一功率探测探头301及第二功率探测探头302采集的功率数据。
39.本公开的实施例中，在射电天文总功率测量装置100的工作模式为外部触发模式时，该外部触发模式为已在该装置100内预置好的触发模式，预置触发模式分为三种，具体
为第一触发模式、第二触发模式及第三触发模式。
40.具体地，当通过第一控制器101和/或第二控制器102选择第一触发模式控制可编程逻辑器件20时，可编程逻辑器件20在第一激励信号及第二激励信号下产生第一触发信号、第二触发信号及第三触发信号，以驱动两个功率探测探头进行数据采集及驱使接收机噪声源60产生一噪声源信号。其中，第一激励信号可以为来自于氢原子钟的10mhz参考信号，第二激励信号可以为1pps信号，在10mhz参考信号及1pps信号的共同作用下，可编程逻辑器件20产生三个触发信号，分别为第一触发信号trig1、第二触发信号trig2及第三触发信号ns。具体地，第一触发信号trig1作用于第一功率探测探头301，以使第一功率探测探头301进行数据采集。第二触发信号trig2作用于第二功率探测探头302，以使第二功率探测探头302进行数据采集，此时功率探测探头采集的功率数据具有时间戳，以便于信号时间分析。第三触发信号ns作用于接收机噪声源60，以驱使接收机噪声源60产生一噪声源信号。
41.本公开的实施例中，可编程逻辑器件20的第三触发信号ns的输出端与接收机噪声源60之间设置差分信号转换器50，用以对可编程逻辑器件20输出的ns信号进行转换为差分信号，以便于驱动接收机噪声源60产生一噪声源信号。
42.需说明的是，在其他一些实施例中，根据接收机噪声源实际需求的控制方式，当输出为ttl信号时，接收机噪声源与可编程逻辑器件20之间可通过网络通信或串口通信连接，其并不仅限于通过差分信号转换器50连接。
43.具体地，当通过第一控制器101和/或第二控制器102选择第二触发模式控制可编程逻辑器件20时，第一控制器101和/或第二控制器102向可编程逻辑器件20输出第二控制信号，以使可编程逻辑器件20根据该第二控制信号产生第一触发信号trig1、第二触发信号trig2及第三触发信号ns，以驱动两个功率探测探头进行数据采集及驱使接收机噪声源60产生一噪声源信号。第一触发信号trig1、第二触发信号trig2及第三触发信号ns分别作用的对象如上述内容所示，此处不再详细赘述。
44.具体地，当通过第一控制器101和/或第二控制器102选择第三触发模式控制可编程逻辑器件20时，通过外部其他设备对可编程逻辑器件20输入一外部触发信号ext_trig，以使可编程逻辑器件20产生第一触发信号trig1、第二触发信号trig2及第三触发信号ns，以驱动两个功率探测探头进行数据采集及驱使接收机噪声源产生一噪声源信号。第一触发信号trig1、第二触发信号trig2及第三触发信号ns分别作用的对象如上述内容所示，此处不再详细赘述。
45.本公开的实施例中，当选择第一触发模式作为可编程逻辑器件20的触发模式时，该模式下具有多个触发周期选择。举例而言，多个触发周期例如可以为5个触发周期，如10ms、20ms、50ms、100ms及200ms，触发周期表示控制两个功率探测探头的第一触发信号trigl和第二触发信号trig2的时间间隔，当触发信号上升出到达时开始采集数据并在设定的时间内完成转换。而第三触发信号ns周期为触发信号的2倍，例如触发信号周期为10ms，则第三触发信号ns周期为20ms。其中，在第三触发信号ns前半个周期完成一次数据采集，在后半个周期完成另一次采集，中断信号int1和int2与设备配置有关。当功率探测探头完成设定的采集个数时，可编程逻辑器件20产生一个中断信号，中断信号用以告知控制器10读取功率探测探头中的功率数据，第一触发模式下的几种信号时序关系如图2所示。具体地，来自氢原子钟的10mhz参考信号经过高速比较器之后整形出标准的方波进入可编程逻辑器
件20，见如图2所示的10mhz方波。
46.在使用本装置前通过ctr/io脚口对可编程逻辑器件20进行配置为第一触发模式工作时，启动测量打开后，检测到第一个1pps信号上升沿时可编程逻辑器件20根据之前的配置开始计数，例如配置的数据采样间隔为10ms，则t1＝10ms，即触发功率探头的信号。相应地，t2＝20ms，即控制接收机噪声源的信号。当功率探测探头检测到触发信号的上升沿时，开始转换接收到的功率信号，在t1时间内必须完成，当接收机噪声源检测到高电平时，噪声源打开，向接收机内注入噪声源信号，这个时间过程功率探测探头所接收到的信号包括注入的噪声源信号，即功率探测探头采集到的功率数据为双线极化信号或圆极化信号与噪声源信号的功率总和。当第二个触发信号的上升沿到来时，功率探测探头又开始转换，这时ns信号已变成低电平，接收机噪声源关闭，此时功率探测探头所接收的信号不包括噪声源信号，依此循环。当采集到的数据数目达到所设置的数量时，触发中断信号int1和/或中断信号int2，控制器接收到中断信号的上升沿时，将存储在功率探测探头中的数据进行读取，读取的数据个数可表示为
47.本公开的实施例中，当选择第二触发模式作为可编程逻辑器件20的触发模式时，ctr/io信号由控制器10中的第一控制器101和/或第二控制器102产生，信号通过可编程逻辑器件20直接作用输出触发信号trig1、触发信号trig2，ns信号则通过可编程逻辑器件20内部二分频输出，频率是外部触发信号ext_trig的二分之一。当满足设定的存储数目时，计数由控制器10内部完成，可编程逻辑器件20产生中断信号告知控制器10进行数据读取，该模式下的时序如图3所示。
48.本公开的实施例中，当选择第三触发模式作为可编程逻辑器件20的触发模式时，通过外部设备产生ext_trig信号输入至可编程逻辑器件20，使得可编程逻辑器件20输出触发信号trig1、触发信号trig2，ns信号则通过可编程逻辑器件20内部二分频输出，频率是外部触发信号ext_trig的二分之一。当满足设定的存储数目时，计数由控制器10内部完成，可编程逻辑器件20产生中断信号告知控制器10进行数据读取，该模式下的时序如图4所示。在第三触发模式下，功率探测探头采集的功率数据具有时间戳，以便于信号时间分析
49.根据本公开的实施例，如图1所示，该射电天文总功率测量装置100还包括：终端设备70。终端设备70与控制器10通信连接，用于获取存储在控制器上的功率数据，并进行数据显示。具体地，该终端设备70可以为具有显示及通信功能的客户端，例如：台式机、笔记本、上位机等，通信连接方式可以为无线通讯连接等，本公开的实施例对终端设备70及通信方式不做限定。
50.本公开的另一方面还提供了一种基于上述实施例所示的射电天文总功率测量装置的测量方法，该测量方法基于如图1所示的装置100实现，具体包括以下步骤：通过控制器对两个功率探测探头发起第一控制器信号，使两个功率探测探头根据该第一控制信号采集射电天文接收机所接收的双线极化信号或圆极化信号的功率数据，并获取该功率数据；或，根据预置触发模式选取相应的触发模式，以使可编程逻辑器件根据激励信号或控制器输出的第二控制信号输出触发信号，以驱动两个功率探测探头进行射电天文接收机所接收的双线极化信号或圆极化信号的功率数据采集，并将该功率数据输出至控制器。
51.如图5所示，根据具体的触发模式及工作频率范围，配置第一功率探测探头301及
第二功率探测探头302的工作参数，再通过控制器10判断该射电天文总功率测量装置100的工作模式是属于自由触发模式还是外部触发模式。若是自由触发模式，通过控制器10对两个功率探测探头发起第一控制器信号，使两个功率探测探头根据该第一控制信号采集射电天文接收机所接收的双线极化信号或圆极化信号的功率数据，控制器10并直接获取该功率数据。若是外部触发模式，则通过控制器10对可编程逻辑器件20的触发模式进行选择，可编程逻辑器件20的触发模式具体包括第一触发模式、第二触发模式及第三触发模式，根据选择的第一触发模式、第二触发模式或第三触发模式对可编程逻辑器件20进行信号触发以产生相应的触发信号，最后驱使两个功率探测探头进行数据采集并输出。
52.需说明的是，本实施例中的第一触发模式、第二触发模式及第三触发模式的具体触发过程如上述实施例所示，此处不再详细赘述。
53.本公开的实施例提供了一种射电天文总功率测量装置及测量方法，该装置体积小，适用于安装在离射电天文接收机较近的位置，避免了长距离传输信号而造成功率起伏变化，其具备工作带宽较宽、频率较高的优势。该设备的具体需求根据所选择的功率探测探头有关，本公开的实施例的功率探测探头的工作频率范围是10mhz～6ghz，动态范围是-60dbm～25dbm。另外，该装置可以很好的与现有的接收机系统兼容，可以根据需求使用各种模式进行观测，由于制造成本低廉，其可以做为接收机系统的监测装置使用。
54.尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
55.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
56.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。