低频射电天文观测和电离层主动探测系统

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	低频射电天文观测和电离层主动探测系统
	董亮1 ; 闫小娟 ; 扎姆里·扎纳尔·阿比丁 ; 任维佳 ; 杨峰 ; 张效信 ; 敦金平1 ; 郭少杰1 ; 汪敏1
申请（专利权）人	中国科学院云南天文台 ; 国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心） ; 马来亚大学 ; 长沙天仪空间科技研究院有限公司
专利号	ZL202110256381.X
申请号	CN202110256381.X
	2023-04-25
申请日期	2021-03-09
公开（公告）号	CN113359128A ; CN113359128B
公开日期	2021-09-07
IPC 分类号	G01S13/88G01S13/95G01V3/12
授权国家	中国
专利类型	发明
专利状态	授权
授权日期	2023-04-25
学科领域	天文学 ; 射电天文学 ; 射电天文方法 ; 电子、通信与自动控制技术
产权排序	1
摘要	本公开涉及一种低频射电天文观测和电离层主动探测系统，所述系统包括：收发装置，包括正交的第一天线、第二天线、第三天线；低频射电天文观测装置，用于根据天线模块接收到的各个射频信号的功率确定射频信号的来波方向及运动轨迹；电离层主动探测装置，包括：信号发射模块，用于发射第一发射射频信号、第二发射射频信号；接收模块，设置在地面，用于接收第一接收射频信号及第二接收射频信号；信号处理模块，连接于接收模块，用于根据经处理后的第一接收射频信号及经处理后的第二接收射频信号确定电离层的变化信息。本公开实施例的电离层主动探测装置及低频射电天文观测装置共用收发装置，可以低成本、高效率地实现低频射电及电离层参数的探测。
主权项	1.一种低频射电天文观测和电离层主动探测系统，其特征在于，所述系统包括：收发装置，设置在距离电离层上预设高度的空间飞行器平台上，包括天线模块，所述天线模块包括正交的第一天线、第二天线、第三天线；低频射电天文观测装置，设置在距离电离层上预设高度的空间飞行器平台上，连接于所述收发装置，用于根据所述天线模块接收到的各个射频信号的功率确定射频信号的来波方向及运动轨迹；电离层主动探测装置，连接于所述收发装置，包括：信号发射模块，设置在距离电离层上预设高度的空间飞行器平台上，用于通过所述第一天线、第二天线、第三天线中的任意两个天线发射第一发射射频信号、第二发射射频信号，其中，所述第一发射射频信号和所述第二发射射频信号为幅度、频率、相位相等、且正交的标准线极化波；接收模块，设置在地面，用于接收第一接收射频信号及第二接收射频信号，并输出经处理后的第一接收射频信号及经处理后的第二接收射频信号，其中，所述第一接收射频信号为所述第一发射射频信号经过电离层后的射频信号，所述第二接收射频信号为所述第二发射射频信号经过电离层后的射频信号；信号处理模块，设置在地面，连接于所述接收模块，用于根据所述经处理后的第一接收射频信号及所述经处理后的第二接收射频信号确定电离层的变化信息。 2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一天线、第二天线、第三天线呈三正交分布状态，其中所述第一天线设置为朝向太阳的方向，所述第二天线设置为平行于太阳的方向，所述第三天线设置为垂直于所述第一天线、所述第二天线构成的平面，其中，所述收发装置还包括天线切换模块，所述天线切换模块包括第一微波开关、第二微波开关，所述第一微波开关的第一端连接于所述第一天线，所述第一微波开关的第二端连接于所述低频射电天文观测装置，所述第一微波开关的第三端连接于所述电离层主动探测装置，所述第一微波开关用于切换所述第一天线与所述低频射电天文观测装置的连接或与所述电离层主动探测装置的连接；所述第二微波开关的第一端连接于所述第二天线，所述第二微波开关的第二端连接于所述低频射电天文观测装置，所述第二微波开关的第三端连接于所述电离层主动探测装置，所述第二微波开关用于切换所述第二天线与所述低频射电天文观测装置的连接或与所述电离层主动探测装置的连接。 3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低频射电天文观测装置包括三个信号接收处理模块，各个信号接收处理模块分别与各个天线对应，其中，每个信号接收处理模块均包括一级放大单元、带通滤波单元、二级放大单元、模数转换单元、信号处理单元、信号发送单元，其中，所述一级放大单元用于对天线接收的信号进行初次放大，得到初次放大后的信号；所述带通滤波单元，连接于所述一级放大单元，用于对所述初次放大的信号进行带通滤波，得到带通滤波后的信号；所述二级放大单元，连接于所述带通滤波单元，用于对所述带通滤波后的信号进行再次放大，得到再次放大的信号；所述模数转换单元，连接于所述二级放大单元，用于对所述再次放大的信号进行模数转换，得到转换后的数字信号；所述信号处理单元，连接于所述模数转换单元，用于对转换后的数字信号进行处理，得到处理结果，所述处理结果包括射频信号的来波方向和运动轨迹；所述信号发送单元，连接于所述信号处理单元，用于发送所述处理结果。 4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述一级放大单元包括低噪声放大器，所述低噪声放大器的噪声频谱密度小于放大增益大于30dB；所述带通滤波单元包括模拟高通滤波器、模拟低通滤波器，所述模拟高通滤波器的通带大于80kHz，所述模拟低通滤波器的通带小于50MHz；所述二级放大单元包括功率放大器，所述功率放大器的增益大于30dB；所述模数转换单元包括模数转换器，所述模数转换器的采样率高于80Msps，采用量化位数大于10bit；所述信号处理单元包括信号处理器、可编程门阵列、中央处理器、微处理器的至少一种；所述信号发送单元包括信号发射器。 5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述低频射电天文观测装置还包括：存储模块，用于存储所述处理结果；时频模块，包括星载高精度时钟和时钟驱动芯片，所述星载高精度时钟和所述时钟驱动芯片连接，所述时钟驱动芯片分别与所述模数转换单元、信号处理单元连接，用于提供时钟驱动信号、同步信号、频率信号；电源模块，包括大功率DC/DC转换器单元及低压差线性稳压器单元，所述大功率DC/DC转换器单元用于为所述带通滤波单元、二级放大单元、模数转换单元、信号处理单元、信号发送单元、存储模块供电，所述低压差线性稳压器单元用于为所述低噪声放大器供电。 6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号发射模块包括：第一信号产生单元、第二信号产生单元，所述第一信号产生单元的输出端用于输出所述第一发射射频信号，所述第二信号产生单元用于输出所述第二发射射频信号，其中，所述第一信号产生单元、所述第二信号产生单元均包括数字信号处理器、程控数字信号合成器、滤波器、隔离器及功率放大器，其中，所述数字信号处理器的输出端连接于所述程控数字信号合成器的输入端，所述数字信号处理器用于输出发射射频信号产生信息，所述发射射频信号产生信息包括频率、相位、幅度；所述程控数字信号合成器的输出端连接于所述滤波器的输入端，所述程控数字信号合成器用于根据所述发射射频信号产生信息产生初始发射射频信号，所述滤波器的输出端连接于所述隔离器的输入端，所述滤波器用于对所述初始发射射频信号进行滤波，输出滤波后的初始发射射频信号，所述隔离器的输出端连接于所述功率放大器的输入端，所述隔离器用于对滤波后的初始发射射频信号进行输出匹配，输出匹配后的初始发射射频信号，所述功率放大器用于根据所述匹配后的初始发射射频信号输出功率放大后的发射射频信号。 7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收模块包括第一接收机、第二接收机，所述第一接收机用于接收所述第一接收射频信号，并输出经处理后的第一接收射频信号，所述第二接收机用于接收所述第二接收射频信号，并输出经处理后的第二接收射频信号，其中，所述第一接收机包括第一接收天线，所述第二接收机包括第二接收天线，所述第一接收天线及所述第二接收天线为正交极化天线，所述第一接收机及所述第二接收机具有相同的相频响应及幅频响应，所述第一接收机及所述第二接收机均包括：第一放大器，输入端连接于接收天线，用于对接收射频信号进行第一级放大，输出经第一级放大后的接收射频信号；第一带通滤波器，输入端连接于所述第一放大器的输出端，用于对所述经第一级放大后的接收射频信号进行第一次带通滤波，输出经第一次带通滤波后的接收射频信号，第二放大器，输入端连接于所述第一带通滤波器的输出端，用于对带通滤波后的接收射频信号进行第二级放大，输出经第二级放大后的接收射频信号；第二带通滤波器，输入端连接于所述第二放大器的输出端，用于对经第二级放大后的接收射频信号进行第二次带通滤波，得到经第二次带通滤波后的接收射频信号；第三放大器，输入端连接于所述第二带通滤波器的输出端，用于对经第二次带通滤波后的接收射频信号进行第三级放大，输出经第三级放大后的接收射频信号，即经处理后的射频接收信号。 8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述信号处理模块包括第一信号处理单元、第二信号处理单元，其中，所述第一信号处理单元的第一输入端、第二输入端分别连接于所述第一接收机及所述第二接收机的输出端，分别用于接收所述第一接收机输出的经处理后的第一射频接收信号、所述第二接收机输出的经处理后的第二射频接收信号，所述第一信号处理单元用于：对经处理后的第一射频接收信号及经处理后的第二射频接收信号进行模数转换，得到与经处理后的第一射频接收信号对应的第一数字信号及与经处理后的第二射频接收信号对应的第二数字信号，所述第二信号处理单元的输入端连接于所述第一信号处理单元的输出端，用于：根据所述第一数字信号得到第一旋向信号，根据所述第二数字信号得到第二旋向信号；根据所述第一旋向信号及所述第二旋向信号确定目标相位关系；根据所述目标相位关系确定电离层的变化信息。 9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述根据所述第一旋向信号及所述第二旋向信号确定目标相位关系，包括：生成中间信号，其中，所述中间信号的频率与所述第一发射射频信号、所述第二发射射频信号的频率相同；将所述中间信号与所述第一旋向信号及所述第二旋向信号分别相乘，得到第一乘法信号及第二乘法信号；将所述第一乘法信号及所述第二乘法信号进行低通滤波，并根据滤波后的所述第一乘法信号及所述第二乘法信号得到所述目标相位关系。 10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空间飞行器平台包括卫星，所述电离层的变化信息包括等离子体频率变化量、电子密度。
语种	中文
专利代理人	刘新宇
代理机构	北京林达刘知识产权代理事务所（普通合伙）
文献类型	专利
条目标识符	http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/24560
专题	射电天文研究组其他
作者单位	1.中国科学院云南天文台, 云南省昆明市官渡区羊方旺396号; 2.国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心); 3.马来亚大学; 4.长沙天仪空间科技研究院有限公司
第一作者单位	中国科学院云南天文台
推荐引用方式 GB/T 7714	董亮,闫小娟,扎姆里·扎纳尔·阿比丁,等. 低频射电天文观测和电离层主动探测系统. ZL202110256381.X[P]. 2023-04-25.

条目包含的文件
文件名称/大小	文献类型	版本类型	开放类型	使用许可
CN113359128A-低频射电天文观（938KB）	专利		开放获取	CC BY-NC-SA	浏览请求全文
CN113359128B-低频射电天文观（1556KB）	专利		开放获取	CC BY-NC-SA	浏览请求全文