旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)，包括主饋源喇叭、主接收機，還包括兩個輔助饋源喇叭，分別設(shè)置于主饋源喇叭兩側(cè)，使得兩個輔助饋源喇叭與主饋源喇叭位于射電望遠鏡的焦平面上的通一條直線；兩個輔助接收機，分別獨立連接到兩個輔助饋源喇叭；信號處理單元，用于處理主接收機和輔助接收機采集的數(shù)字信號；旋轉(zhuǎn)臂，主饋源喇叭設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂中心，輔助饋源喇叭設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂的兩端，旋轉(zhuǎn)臂可繞中心轉(zhuǎn)動；旋轉(zhuǎn)臂控制單元，控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動。本發(fā)明降低了實現(xiàn)多饋源接收機的技術(shù)難度，提高了應(yīng)用射電望遠鏡探測空間碎片的精度。
【專利說明】旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線電空間探測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來各國加快可對空間資源的開發(fā)和利用，發(fā)射活動頻繁進行也導(dǎo)致了空間碎片的大量出現(xiàn)?？臻g碎片包括失效的衛(wèi)星、火箭載體、操作性碎片以及爆炸產(chǎn)生的碎片等。空間碎片主要分布在低地球軌道和地球同步軌道上。對于地球同步軌道帶上的空間目標(biāo)和空間碎片一般采用地基光學(xué)望遠鏡進行跟蹤監(jiān)測，而低地球軌道上的碎片目標(biāo)一般采用雷達進行觀測。但是由于雷達本身的探測能力有限，現(xiàn)階段僅實現(xiàn)了對于尺寸大于IOcm的空間碎片目標(biāo)的常規(guī)探測，對于小于IOcm的空間碎片目標(biāo)一種有效的探測方法是利用射電望遠鏡協(xié)同地基雷達系統(tǒng)構(gòu)成雙基地探測系統(tǒng)。
[0003]隨著天文理論的發(fā)展以及各國對于天文事業(yè)的關(guān)注，相應(yīng)的天文科學(xué)技術(shù)和大型天文設(shè)備制造技術(shù)都有極大的發(fā)展，近年來全球興建了大批的各類地基光學(xué)和射電望遠鏡系統(tǒng)。利用這些先進的高靈敏度、大口徑射電望遠鏡探測空間碎片目標(biāo)顯著的提高了空間碎片，尤其是IOcm以下的空間碎片的探測能力。傳統(tǒng)的射電望遠鏡一般使用單路饋源接收機系統(tǒng)，在將其應(yīng)用到低地球軌道空間碎片的探測時，大都只能測量碎片目標(biāo)的距離和位置信息，且由于空間碎片的飛行速度很大，穿越天線波束的時間很短，單次可采集的散射回波個數(shù)在幾十到幾百之間，數(shù)據(jù)量非常小。不利于對目標(biāo)的軌道參數(shù)和目標(biāo)散射截面積的準(zhǔn)確估計。一種比較好的改進方法是利用射電望遠鏡巡天時所采用的多饋源接收機對碎片散射信號進行收集。但是由于為巡天所涉及的多饋源接收機一般采用7饋源或者13饋源環(huán)形排列的結(jié)構(gòu)，并且波束間的間隔較大，工作期間會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，回波情況復(fù)雜，事實上現(xiàn)有的多饋源接收機并不適合對空間碎片進行探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)，一種旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)，包括主饋源喇叭、主接收機；以及兩個輔助饋源喇叭，分別設(shè)置于主饋源喇叭兩側(cè)，使得兩個輔助饋源喇叭與主饋源喇叭位于射電望遠鏡的焦平面上的通一條直線；兩個輔助接收機，分別獨立連接到兩個輔助饋源喇叭，用于將輔助饋源喇叭的電磁信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出給信號處理單元；信號處理單元，用于處理主接收機和輔助接收機采集的數(shù)字信號；旋轉(zhuǎn)臂，連接到主饋源喇叭和兩個輔助饋源喇叭，主饋源喇叭設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂中心，輔助饋源喇叭設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂的兩端，旋轉(zhuǎn)臂可以繞中心轉(zhuǎn)動；旋轉(zhuǎn)臂控制單元，用于控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動的角度和速度。同時本發(fā)明還提出了 一種基于旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的空間碎片探測方法，包括:射電望遠鏡指向待測天區(qū)，接收波束與協(xié)同信號源波束相交在待測高度；調(diào)整旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機，使主饋源和兩個輔助饋源產(chǎn)生的接收波束中心所在直線與天赤道的夾角固定；接收經(jīng)過待測天區(qū)的空間碎片散射的協(xié)同信號源發(fā)射的電磁波，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號發(fā)送給信號處理單元；信號處理單元接收主接收機和輔助接收機的數(shù)字信號，提取數(shù)字信號中的空間碎片信息。
[0005]本發(fā)明所提出的旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)和基于旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的空間碎片探測方法可以有效的提高利用射電望遠鏡估計碎片目標(biāo)軌道信息和散射截面積的準(zhǔn)確性，同時不會過分降低信息處理的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是本發(fā)明實施例提供的一種旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0007]圖2是本發(fā)明實施例提供的一種基于旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的空間碎片探測方法的流程圖；
[0008]【具體實施方式】
[0009]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
[0010]本發(fā)明提供的一種旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的實施例，如圖1所示，包括:主饋源喇叭1，位于拋物面天線的焦平面上，用于收集拋物面天線接收的無線電波信號，將無線電波轉(zhuǎn)化成微弱的模擬電信號，并傳輸給主接收機2。
[0011]主接收機2，，主接收機2與主饋源喇叭I連接，用于從主饋源喇叭I采集的模擬電信號中采集出特定頻段的信號，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號。主接收機2—般采用超外差接收結(jié)構(gòu)，可以通過使用不同的本地振蕩器選擇不同的頻段信號進行下變頻等操作。主接收機2將經(jīng)過放大的數(shù)字信號發(fā)送給信號處理單元8，進行集中處理。
[0012]輔助饋源喇叭3，輔助饋源喇叭5，分別設(shè)置于主饋源喇叭兩側(cè)，使得兩個輔助饋源喇叭與主饋源喇叭位于射電望遠鏡的焦平面上的通一條直線。輔助饋源喇叭3和輔助饋源喇叭5的結(jié)構(gòu)可以完全與主饋源相同，從而它們?nèi)齻€形成的波束形狀將非常接近。輔助饋源喇叭3和輔助饋源喇叭5的功能與主饋源喇叭完全一致，采集到的模擬電信號分別傳送給輔助接收機4和輔助接收機6。
[0013]輔助接收機4，輔助接收機6，分別獨立連接到輔助饋源喇叭3和輔助饋源喇叭5。輔助接收機4和輔助接收機6的結(jié)構(gòu)可以與主接收機相同，三者使用同一個本地振蕩器，保證采集的信號頻段相同。輔助接收機4和輔助接收機6把輔助饋源喇叭3和輔助饋源喇叭5收集的電磁波信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出給信號處理單元8進行集中處理。
[0014]信號處理單元8，用于處理主接收機2，輔助接收機4和輔助接收機6采集的數(shù)字信號，從中提取來自于目標(biāo)的信號數(shù)據(jù)，根據(jù)提出的信號分析目標(biāo)的位置速度等信息。
[0015]旋轉(zhuǎn)臂7，連接到主饋源喇叭I和輔助饋源喇叭3、輔助饋源喇叭5，主饋源喇叭I設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂中心，輔助饋源喇叭3、輔助饋源喇叭5設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂7的兩端，旋轉(zhuǎn)臂7受旋轉(zhuǎn)臂控制單元10的控制，依賴步進電機9提供的動力，可以繞中心轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的方向可以是雙向轉(zhuǎn)動，也可以是順時針或逆時針的單項轉(zhuǎn)動。
[0016]步進電機9，用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂7轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)臂控制單元10，用于驅(qū)動步進電機9，控制旋轉(zhuǎn)臂7轉(zhuǎn)動的角度和速度。
[0017]旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)保護3路接收通道，同時處理3路數(shù)據(jù)，制造成本相對較低，實現(xiàn)起來技術(shù)難度不高，將其應(yīng)用到空間碎片的探測中可以極大的提高碎片目標(biāo)尤其是小碎片目標(biāo)的探測精度。
[0018]本發(fā)明實施例2對應(yīng)的提出了一種基于旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的空間碎片探測方法，該方法的基本流程如圖2所示，包括:
[0019]S1:射電望遠鏡指向待測天區(qū)，接收波束與協(xié)同信號源波束相交在待測高度；協(xié)同信號是一個信號發(fā)射源，它可以但不局限于是高帶寬的單脈沖或者特定的微波信號發(fā)射源。協(xié)同信號發(fā)射源發(fā)射的電磁波的頻率應(yīng)該是固定的頻率，波長可以但是不局限于L波段、C波段、X波段等，在協(xié)同信號發(fā)射源硬件條件允許的條件下，也可以利用頻率為93GHz附近的大氣開窗，而將工作波長設(shè)定在mm波段。協(xié)同信號發(fā)射源可以但不局限于是單脈沖寬帶雷達系統(tǒng)。協(xié)同信號發(fā)射源對空間發(fā)射電磁波針對空間碎片進行照射，當(dāng)電磁波遇到空間碎片后即形成散射，空間碎片目標(biāo)接收到的能量的一部分將散射到射電望遠鏡天線所指向方向的反方向，這部分散射回來的電磁波能量將被射電望遠鏡接收到。這里需要說明的是空間碎片的體積較小，它產(chǎn)生的散射截面RCS將會根據(jù)工作波長的不同而落在瑞利區(qū)、諧振區(qū)或者光學(xué)區(qū)。具體表現(xiàn)為，把空間碎片近似成圓球體以后，定義Ka = 2π Xa/λ為用波長表示的球周長。當(dāng)Ka < I時，RCS位于瑞利區(qū)，此時球周長遠小于協(xié)同信號發(fā)射源發(fā)射的電磁波的波長，此時碎片的RCS與λ_4成正比，用σ表示RCS的值，則計算公式是σ =IHJi5afVA4tj而當(dāng)Ka > 10，則可以近似認(rèn)為碎片RCS進入光學(xué)區(qū)，碎片RCS符合光學(xué)特性，圓球體的RCS為σ = Ji a2。當(dāng)I < Ka < 10時，RCS位于諧振區(qū)，由于諧振區(qū)的RCS隨著Ka的變化存在劇烈震蕩，通常不會設(shè)計在諧振區(qū)。通過簡單的計算可以得出以下結(jié)論:當(dāng)碎片直徑為IOcm時，當(dāng)波長大于0.3142米，即頻率小于0.95Ghz時，碎片RCS在瑞利區(qū)；當(dāng)波長小于3. 率小于9.5Ghz時，碎片RCS在瑞利區(qū)；頻率大于95Ghz時，碎片RCS在光學(xué)區(qū)。協(xié)同信號發(fā)射源發(fā)射的電磁波到達空間碎片時，空間碎片接收到的功率可以用公式Prt = PtGt σ /4 π Rt2表示。其中Pt協(xié)同信號發(fā)射源的發(fā)射功率；σ表示碎片目標(biāo)的RCS ；Gt是發(fā)射天線的增益；Rt是協(xié)同信號發(fā)射源到空間碎片的距離。
[0020]S2:調(diào)整旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機，使主饋源和兩個輔助饋源產(chǎn)生的接收波束中心所在直線與天赤道的夾角固定。在地心慣性坐標(biāo)系下，能夠保證針對指定傾角范圍內(nèi)的空間碎片進行散射回波探測，當(dāng)空間碎片目標(biāo)連續(xù)穿過三個波束的情況下，可以較精確的確定空間碎片軌道的傾角。對于現(xiàn)有可探測的空間目標(biāo)和空間碎片，大部分傾角主要集中在幾個主要的區(qū)域。因此，當(dāng)三個接收波束中心所在直線與天赤道的夾角進行不同大小的調(diào)整時，可以統(tǒng)計各個傾角范圍內(nèi)的空間碎片流量，有利于理解小空間碎片目標(biāo)的分布情況和驗證用于統(tǒng)計空間碎片狀態(tài)的流量與密度模型的正確性。
[0021]S3:接收經(jīng)過待測天區(qū)的空間碎片散射的協(xié)同信號源發(fā)射的電磁波，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號發(fā)送給信號處理單元。電磁波照射到空間碎片目標(biāo)后，經(jīng)過散射被返回到地面?？臻g碎片散射的能量大小決定于散射截面RCS的大小。在不同的接收角度，同一個碎片的散射截面RCS可能會不同，但是由于大部分空間碎片直徑相對于其到探測系統(tǒng)之間的距離非常微小，所以有理由將其近似為小圓球，則散射方向是全方向的，即各個方位的散射回波的功率密度相等，因此空間碎片在射電望遠鏡的接收天線位置處的回波功率密度應(yīng)為=S1 =Prl/4 31 Rr2 = = PtGt O /16 π 2Rt2R12,其中R1^為時空間碎片到射電望遠鏡的距離。射電望遠鏡在與所述協(xié)同信號發(fā)射源時間同步后，接收經(jīng)所述空間碎片散射后返回到地面的電磁波。射電望遠鏡在接收空間碎片散射電磁波時，利用超外差形式的接收機保證與所述協(xié)同信號發(fā)射源工作在同一個波長。若用ke表示射電望遠鏡的接收天線的有效接收面積，則接收到的功率為Pr = S1Ae = PrlAe/4 Rr2，最終可以表示成=Pr = PtGtAe σ /16 π 2Rt2Rr2。上述公式實際上就是簡化版的雙基地雷達方程。電磁波在接收機內(nèi)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，經(jīng)過變頻、放大等處理，發(fā)送給信號處理單元。
[0022]S4:信號處理單元接收主接收機和輔助接收機的數(shù)字信號，提取數(shù)字信號中的空間碎片信息。在信號處理單元將接收到的信號與檢測閾值進行比較，當(dāng)接收到的功率峰值超過了射電望遠鏡接收機的最小可檢出功率值時，即可實現(xiàn)對空間碎片目標(biāo)的檢測。將連續(xù)檢測到的同一碎片目標(biāo)所包含的時間信息、多普勒信息位置信息進行提取和融合，最終能夠大致確定檢測到的碎片目標(biāo)的軌道信息。
[0023]由于射電望遠鏡本身具有大口徑、窄波束、高天線增益的特點，使得能夠在接收到的電磁波中檢測到更為微弱的散射信號，而旋轉(zhuǎn)饋源多波束接收機系統(tǒng)則進一步提升了空間碎片的探測能力和探測效率。
[0024]綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供了一種旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)以及一種基于旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的空間碎片探測方法，可以有效提高我國現(xiàn)階段對空間碎片探測能力，并且該方法利用現(xiàn)有的設(shè)備通過升級改造即可實現(xiàn)較高精度的探測，降低了實現(xiàn)技術(shù)方法所需要投入的成本和技術(shù)難度。
[0025]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)，包括主饋源喇叭、主接收機，其特征在于，還包括:兩個輔助饋源喇叭，分別設(shè)置于主饋源喇叭兩側(cè)，使得兩個輔助饋源喇叭與主饋源喇叭位于射電望遠鏡的焦平面上的通一條直線；兩個輔助接收機，分別獨立連接到兩個輔助饋源喇叭，用于將輔助饋源喇叭的電磁信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出給信號處理單元；信號處理單元，用于處理主接收機和輔助接收機采集的數(shù)字信號；旋轉(zhuǎn)臂，連接到主饋源喇叭和兩個輔助饋源喇叭，主饋源喇叭設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂中心，輔助饋源喇叭設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂的兩端，旋轉(zhuǎn)臂可以繞中心轉(zhuǎn)動；旋轉(zhuǎn)臂控制單元，用于控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動的角度和速度。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助饋源喇叭尺寸與主饋源喇叭尺寸相同，兩個輔助饋源喇叭中心到主饋源喇叭中心的距離相等，且所述兩個輔助饋源喇叭與所述主饋源喇叭對應(yīng)的接收波束空間上互相不交疊。
3.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)，其特征在于，所述主接收機和所述輔助接收機均為超外差式接收機。
4.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)臂控制單元還包括步進電機,用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)。
5.一種基于旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機系統(tǒng)的空間碎片探測方法，其特征在于，包括步驟:射電望遠鏡指向待測天區(qū)，接收波束與協(xié)同信號源波束相交在待測高度；調(diào)整旋轉(zhuǎn)饋源射電望遠鏡接收機，使主饋源和兩個輔助饋源產(chǎn)生的接收波束中心所在直線與天赤道的夾角固定；接收經(jīng)過待測天區(qū)的空間碎片散射的協(xié)同信號源發(fā)射的電磁波，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號發(fā)送給信號處理單元；信號處理單元接收主接收機和輔助接收機的數(shù)字信號，提取數(shù)字信號中的空間碎片信息。
6.如權(quán)利要求5所述的空間碎片探測方法，其特征在于，所述主饋源和兩個輔助饋源產(chǎn)生的接收波束中心所在直線與天赤道的夾角由待測空間碎片的軌道范圍決定。
7.如權(quán)利要求5所述的空間碎片探測方法，其特征在于，所述提取數(shù)字信號中的空間碎片信息包括利用輔助接收機信號削弱主接收機信號中的背景噪聲。
8.如權(quán)利要求5所述的空間碎片探測方法，其特征在于，所述提取數(shù)字信號中的空間碎片信息包括關(guān)聯(lián)輔助接收機信號和主接收機信號中提取的空間碎片目標(biāo)，估計關(guān)聯(lián)后的空間碎片目標(biāo)的距離、方位坐標(biāo)、飛行速度和軌道傾角。
【文檔編號】H04B1/06GK103916145SQ201310021598
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月7日
【發(fā)明者】趙哲, 于歡歡, 趙有, 高鵬騏, 沈鳴, 楊大陶, 郭效忠 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺