冷湖赛什腾山天文台址RFI测量.pdf

23青海科技202303天文科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY0 引言毫米波和亚毫米波射电望远镜对台址条件要求甚高，这与光学望远镜对台址视宁度和光污染抑制有着很高要求类似。毫米波和亚毫米波射电望远镜不仅要求其台址具有低温、低大气水汽含量，还必须具备大范围的射电宁静区域。随着人类通信技术的发展，各种主动业务发射产生的信号和噪声占用越来越多的频段，辐射强度越来越高，影响地域越来越广。尤其最近几年，来自移动平台的设备也越来越普遍，发射时间或确定或不确定，有直射、散射、多径发射等多种发射方式，辐射区域覆盖向智能化发展，且无须审批即可使用的无线电发射设备越来越多。这些射电信号会通过多种途径进入射电望远镜接收机，对观测信号带来干扰，因此监测并遴选出相对较好的射电宁静区域的毫米波和亚毫米波射电天文台址，对提升望远镜观测效能显得尤为重要。为了遴选出具有宁静电磁环境的毫米波和亚毫米波射电天文台址，或了解已建天文台址的电磁环境状况，需要对潜在的或已建的天文台址进行RFI（RadioFrequencyInterference）监测，如 SKA 选址测试1、中阿 40mCART（China-ArgentinaRadioTelescope）射电天文望远镜选址与电磁环境监测2、新疆天文台 110mQTT（QiTaiTelescope）望远镜自动化电磁环境监测等3。冷湖赛什腾山位于青海省海西州，地处青藏高原的北缘、柴达木盆地的西北，因寒冷、干旱、少雨，且晴天天数多、云量覆盖少等特性，引起了天文学家高度的关注。邓李才等人在冷湖赛什腾山开展多年光学台址视宁度测量，结果表明赛什腾山光学台址特性可比肩世界著名光学台址（如ManauKea 或 LaPalma 台址等）4。作为一个新建的天文台址，冷湖赛什腾山天文台址的多波段台址的特性，需要更为深入测量和评估。为了深入了解赛什腾天文台址的电磁环境特性，我们自行基金项目:青海省重大科技专项“天文大科学装置冷湖台址监测与先导科学研究”(2019-ZJ-A10)。作者简介:张海龙(1987-),男,硕士,工程师,主要研究领域:射电天文技术方法。E-mail:。冷湖赛什腾山天文台址 RFI 测量张海龙1 姚骑均2 孙继先1 逯登荣1 段文英2 巨秉刚1张旭国1 李积斌1 马 奎1 李振强1 林镇辉2（1.中国科学院紫金山天文台青海观测站，德令哈 817000；2.中国科学院紫金山天文台，南京 210023）摘 要：冷湖地区因干旱少雨、晴天数多、云量覆盖少等特点，引起了天文学家的高度关注。2018 年开始在冷湖赛什腾山开展光学视宁度测量，几年测量结果表明赛什腾山光学台址特性可比肩世界著名光学台址。为进一步了解赛什腾天文台址的电磁环境特性，开展了无人值守无线电干扰 RFI（RadioFrequencyInterference）测量设备的研制以及在赛什腾山天文台址的电磁环境监测。文章主要介绍基于研制的0.118GHz频段RFI测量系统，在冷湖赛什腾山天文台址规划 D 点（海拔 4055m）开展为期超过一年的 RFI 测量，以及测量结果的评估。关键词：冷湖；天文台址；RFI 测量中图分类号：P112 文献标识码：A 文章编号：1005-9393(2023)03-0023-0824青海科技202303天文科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY研制出一套 0.118GHz 频段可无人值守的 RFI 测量设备，并首次在赛什腾山天文台址规划的 D 点（海拔 4055m）开展为期一年多的 RFI 测量。文章介绍了研制的 RFI 测量系统，以及其在冷湖赛什腾山天文台址开展监测、测量数据处理及结果分析和评估，并进行了总结。1 RFI 测量系统1.1 测量需求为了满足毫米波和亚毫米波天文观测新需求，下一代毫米波亚毫米波射电天文望远镜或干涉阵列对望远镜及接收机终端整体性能的要求将大幅提升，接收机终端中频将具备超宽带特性，以覆盖更宽的速度场或同时接收处理更多频谱信息。因此，在开展下一代毫米波、亚毫米波射电天文望远镜或干涉阵列天文台址的 RFI 测量时，需要超宽带的 RFI 测量系统，以全面了解台址的电磁环境特性。为此，RFI 测量系统的测量带宽设计为 0.118GHz。RFI 测量系统也需具有较高的灵敏度，以实现台址微弱干扰信号的测量，并且在重点监测频段系统噪声温度小于 300K，实现 10dBV/m5场强的弱信号监测。考虑到对台址 RFI 测量的充分性，RFI测量系统需具有水平和垂直极化测量能力，并全方位覆盖。同时，RFI 测量系统需具备测量信号的校验能力，快速实现接收信号的天线口面处信号功率谱流量密度的校验，以确保数据的可比性。此外，RFI 测量系统安装于野外，需适应无市电、低温、大风以及降雪等恶劣天气环境，且可无人值守运行。根据上述的应用需要，我们自行研制了一套0.118GHz 频段的 RFI 测量系统。1.2 系统组成RFI 测量系统由天线单元、射频接收机单元、数据采集处理与系统控制单元、校准单元组成，实现 0.118GHz 频段的电磁环境的 RFI 信号的监测，原理框图见图 1。天线单元主体包括低频对数周期天线（采用0.033GHz 英联微波 DS-3300 天线）和高频宽带喇叭天线（118GHz英联微波 LB-10180 天线），两个天线工作频率在 13GHz 频段交叉，以实现全频段 18GHz 接收信号的精确校准。为了实现360 全方位和水平、垂直的双极化（E 面/H 面）监测，天线单元配置了可全方位旋转以及水平和垂直俯仰切换的平台（三维图见图 2 所示），以实现 360 任意方位和双极化的信号接收。图 1 RFI 测量系统原理框图25青海科技202303天文科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图 2 天线单元的旋转平台三维图射频接收机单元包含一个微波开关和两级低噪声放大器、限幅器以及固定衰减器等，前置低噪声放大器选用美国 B&ZTechnologies 公司一款低噪声放大器，工作频段为 0.118GHz，增益为 32dB，较低的噪声系数（1.8dB）可以确保监测系统有较高的灵敏度。由于 RFI 测量系统一般都放置于离地面 5m 以上的高度3，所以为了弥补较长射频电缆带来的损耗，保证系统有较高的增益，射频接收机单元增加了第二级放大器，增益选取为 30dB。为了防止强信号损坏第二级放大器，在一、二级放大器之间加入限幅器，系统末级加固定衰减器，可减小长电缆传输产生的驻波。数据采集处理与系统控制单元包括数据采集用的数字频谱仪和系统控制模组。数字频谱仪采用了 R&S 公司商业宽带频谱仪（FPHModel.13），具有 20GHz 的扫描带宽，频谱分辨率最高可达到1Hz，可检测最小频谱功率为-150dBm。控制单元采用树莓派嵌入式控制器，搭载 linux 操作系统。校准单元包含噪声源和 50 终端负载，噪声源选用美国 Keysight 公司的 346B，工作频率波段为 10MHz18GHz，超噪比 ENR 约为 15dB。校准单元采用噪声源，通过 Y 因子法实现对接收信号功率谱的校验。RFI 测量系统整体供电采用太阳能板加电池模组，主要考虑到 RFI 测量系统在支撑条件缺乏的外场测试场景可长时间工作的需求。RFI 测量系统配备了 4 节光合硅能低温电池（12V100Ah），以及 4 块太阳能板，提供输出 24V200Ah 电池容量。RFI 测量系统总功率小于 50W，可确保连续 4 天阴天时设备不掉电工作。RFI 测量系统工作时，系统控制程序控制旋转台方位 360、俯仰 090 的转动，以实现任意方位角的水平和垂直极化的监测。设置数字频谱仪参数，以分段采集的方式实现 0.118GHz 的信号频谱数据采集，控制微波开关，可进行噪声源、DS-3300 对数周期天线、LB-10180 宽带喇叭天线、50 负载四者之间切换，并根据频率判断切换天线。系统控制程序从采集的信号频谱中，自动判断信号频谱中的干扰信号，并将干扰信号频率和功率，以及出现对应的时间、方位、俯仰等信息记录到输出文件。当检测到信号时，以信号频率处为中心，将带宽减小为 1/10，频率分辨率提高10 倍，再次监测信号。若有多个信号同时出现在某分段频率区间内，则对多个信号分别重复精细测量。系统控制程序将采集的频谱数据保存为二进制文件，可在参数文件中设置频谱数据全部保存或只保存有信号的谱线数据。此外，系统控制程序还读取射频接收机系统各供电电压、温度信息，根据设置温度和实际温度计算加热电压，发出加热电压命令，控制射频接收机系统恒温。系统控制流程图如图 3 所示。26青海科技202303天文科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图 3 系统控制流程图RFI 测量系统主要性能汇总于表 1 中，包括 RFI测量系统分频段的系统增益 G 以及噪声温度 Tsys。2 冷湖赛什腾山天文台址 RFI 测量2.1 RFI 测量系统安装与测量RFI 测量系统测试点选择在冷湖赛什腾山天文台规划的 D 点（海拔 4055m），如图 4（a）所示，处于整个规划靠近中心区域，测量数据具有较好的代表性。为了更好地获取来自各个方向的干扰信号，前期已在 D 点建立一个 10m 高的监测塔台，RFI 测量系统的天线接收主体安装于塔台的顶部，见图 4（b），而系统的数据采集频谱仪、系统控制器以及供电电池等重要设备则放置于塔架底部旁的小型集装板房内，可有效实现保温、防风、防雨雪，确保测量系统长时间稳定工作。起始频率/GHzGR/dBTsys/K1255.7219.12353.9213.73452.3216.44551.4229.55649.8232.06748.9232.97848.0230.78946.9233.491045.9239.8101145.8242.6111245.0252.5121343.0257.7131442.2256.2141541.9274.4151641.1290.5161741.5295.3171842.1331.7表 1 RFI 测量系统主要性能汇总图 4 冷湖赛什腾山 RFI 测试点（b）RFI 测量系统安装塔台（a）冷湖赛什腾山天文台址局部分布图27青海科技202303天文科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYRFI 测量系统于 2021 年 6 月 3 日安装于冷湖赛什腾山 D 点，开始了台址的电磁环境 RFI 的全天候无人值守测量。在进行 RFI 测量时，所有的测量频段覆盖 8个方位，每隔 45 测量一次，每个方位两个极化方向分别从 118GHz 间隔 1GHz 分段测试一次，每个频段最大保持模式积分 3s。定时（每小时）进行噪声源开、关（切换至 50）和接入天线三步测量及校准，一轮完整测量（8 个方向以及两个极化方向）约需 45min。初步监测赛什腾山电磁环境，发现台址内小于 1GHz 频段的干扰信号强度较大，为避免强干扰信号对 RFI 测量系统的损坏，RFI 测量系统开展测量主要集中在 118GHz 频段。2.2 RFI 测量数据处理与统计分析2.2.1 功率谱流量密度计算RFI 测量系统的数字频谱仪采集获得的测量信号，通过 Y 因子法（噪声源和 50 终端负载），可以校准系统增益，进一步获得 RFI 信号功率谱强度。通过校准后得到信号的功率谱数据，需要转换到天线口面处，并转换为 RFI 信号表征常用的参量，即信号功率谱流量密度。公式（1）6给出了信号功率谱流量密度计算方法，即：（1）其中 S 为所求信号功率谱流量密度，单位 W/（m2Hz）；P 为信号功率谱（dBm）；BS为数字频谱仪分辨率带宽（Hz）；GR为系统增益（dB）；kA为天线系数，可从天线参数获取。上式中为天线正交极化（水平和垂直）因子，两个极化方向上功率相等其值取 1/2。Z0：自由空间阻抗，取值120。Z 取 50。最后将（1）式取对数，转换为 dBW/（m2Hz）形式。2.2.2 信号提取从数字频谱仪采集到信号频谱后，需要进一步从频谱数据中搜寻并提取 RFI 信号的频率和强度信息，为此我们基于 Python，开发了 1 套用于RFI 信号提取的程序，在 RFI 信号提取程序中，需要对信号提取的参数如信号强度、频宽、信号间的距离等进行设置。利用大量测量数据反复调试参数，最终在程序中，将强度大于 12 倍噪声 rms、频宽大于 2 个通道（每个通道带宽为 1.4MHz），信号间的距离大于 10 个通道作为两个信号处理，从而对测量的 RFI 信号进行有效提取。图 5 给出RFI 信号提取的样例，图中红色频点为提取的信号频率和功率。图 5 RFI 信号提取2.2.3 RFI 测量结果统计分析RFI 测量系统从 2021 年 6 月初开始至 2022年 8 月初，在赛什腾山采集了时间跨度超过 1 年的数据，总数据量 8GB，提取约 1 百万个频点信号。通过数据处理得到信号的功率谱流量密度，图 6（a）是从频谱仪数据中抽取的某一时刻 118GHz 频段内 RFI 监测系统接收到的频谱。图中直观反映出在 118GHz 频段内监测出很多频点信号。28青海科技202303天文科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY对所有数据进行 RFI 信号提取，统计其频率和强度，如图 6（b）所示。一年时间内，在 118GHz频段内均可监测到大量信号，且通过信号的方位和极化位置分析，得出所有方位和极化均监测到信号。图 6 客观反映出冷湖赛什腾山天文台址的电磁环境较为复杂，对监测到的信号频点需进一步分析其来源。（a）提取一段频谱仪频谱（b）所有提取的 RFI 信号频率以及强度图 6 赛什腾山 RFI 信号测量结果对监测到的信号频率进行统计分析（如图 7所示），结果表明信号频率集中在以中值 2.41GHz为中心的 13GHz 频段内，占总数据量的 77%，可以肯定 2.4GHz 信号正是 Wi-Fi、蓝牙等无线通讯设备发出。图 7 RFI 信号出现频次统计结果通过对测量的干扰信号强度进行统计分析（如图 8 所示），其信号功率谱流量密度中值在-166dBW/（m2Hz）。对于观测频段在该频段的能够接收约-300dBW/（m2Hz）宇宙微弱信号7的中大口径射电天文望远镜系统，该强度干扰信号若在天文观测时同时被天文望远镜系统接收，将对天文观测结果产生严重的影响8。图 8 RFI 信号强度累积分布统计结果冷湖赛什腾山天文台址总体选址在赛什腾山海拔 3800m 以上的平台，虽然台址距冷湖镇 70km，但目前赛什腾山下已新建了联通信号基站，各个望远镜平台也安装了若干通信中继站，台址基建工程中工程人员携带和使用手机、Wi-Fi、蓝牙等无线通讯设备，这些设备的运行造成了当前赛什腾山天文台址复杂的电磁环境。图 9 为抽取 RFI测量期间的某一月（2021 年 7 月）数据为例，对信号出现时间进行统计的结果。从图 9 中可以清29青海科技202303天文科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY楚地看出在上午 7:00 至下午 18:00 白天人员活动频繁时段，12GHz 以下的干扰信号更为密集地出现。图 9 2021 年 7 月信号出现时间统计结果3 总结本文针对天文台址的无线电电磁环境特性测量的需求，研制了 1 套 0.118GHz 频段可无人值守运行的 RFI 测量系统。RFI 监测系统在冷湖赛什腾山经过了一年多的长时间运行，特别是越过了整个冬季，在低温、雨雪等恶劣环境下运行的可靠性得到了验证，为该系统以后在其他台址开展RFI 测量提供了经验。从 2021 年 6 月初至 2022 年 8 月初，RFI 测量系统首次在赛什腾山天文台址规划的 D 点开展了为期超过 1 年的测量。测量结果表明干扰信号频率集中在以中值 2.41GHz 为中心的 13GHz 频段内，占总数据量的 77%。并且在白天人员活动频繁时段，12GHz 以下的干扰信号也更加密集地出现，整体上客观反映出在测量期间赛什腾山天文台址电磁环境的复杂性。冷湖赛什腾山天文台址因其优良的视宁度，已成为大批光学天文望远镜落户的优先选址之处。行政方面出台并于 2023 年 1 月 1 日起实施的我国首部光学天文观测环境保护条例，即海西蒙古族藏族自治州冷湖天文观测环境保护条例，对冷湖赛什腾山光学台址的暗夜星空的保护起着强有力作用。随着移动信号的广泛使用以及人为无线电活动加剧，使得赛什腾山的电磁环境比较复杂。对于冷湖赛什腾山新兴的天文台址而言，布局更多频段天文望远镜是可期的。尽管 RFI 对光学天文观测影响较小，但目前 RFI 测量结果表明赛什腾山电磁环境复杂，无法达到射电天文望远镜无线电宁静区要求。在抑制 RFI 干扰和改善电磁环境方面，贵州 FAST 射电天文望远镜台址先行一步，达成射电天文望远镜台址无线电宁静区要求，采取禁用 Wi-Fi、蓝牙等无线通讯设备使用，移动基站适当远离台址，规划和立法保护无线电宁静区等多种手段，做出了良好的示范，赛什腾山天文台址在 RFI 管理上可借鉴 FAST 的相关经验。参考文献:1AMBROSINIR,BERESFORDR,BOONSTRAAJ,etal.RFIMeasurementProtocolforCandidateSKASitesR.SKAMemoSeries.TechnicalReport.WorkingGrouponRFIMeasurements.2003.2赵卫普,李建斌,李金增,等.中阿40米射电望远镜选址与电磁环境监测J.天文学进展,2014,32(3):395-408.3刘奇,王玥,刘晔,等.QTT台址自动化电波环境监测系统J.中国科学:物理学力学天文学,2019,49(9):103-111.4DENGLC,YANGF,CHENXD,etal.LenghuontheTibetanPlateauasanastronomicalobservingsiteJ.Nature,2021,596:353-356.5总参电磁频谱管理中心.无线电监测站主要参数指标和性能要求Z.2008-6.6孙建民.大射电望远镜电磁环境监测方法及系统构成研究D.贵州大学硕士论文,2010.7张海燕.射电天文频率保护J.北京教育学院学报(自然科学版),2006(3):5-7.8国际电信联盟建议书RA.769.30青海科技202303天文科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYRFI Measurement at the Saishiteng Mountain Site in LenghuZhangHailong1,YaoQijun2,SunJixian1,LuDengrong1,DuanWenying2,JuBinggang1,ZhangXuguo1,LiJibin1,MaKui1,LiZhenqiang1,LinZhenhui2（1.QinghaiStation,PurpleMountainObservatory,ChineseAcademyofSciences,Delingha817000,China;2.PurpleMountainObservatory,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210023,China）Abstract:TheRegionofLenghuhasattractedgreatattentionfromastronomersbecauseofitsdrought,lessrain,moresunnydaysandlesscloudcover.Recently,themeasuredresultsoftheseeingatSaishitengMountaininLenghushowthatthesiteiscomparabletothefamousopticalsitesaroundtheworldintermsofopticalband.InordertofurtherunderstandthecharacteristicsofelectromagneticenvironmentoftheSaishitengMountainsite,unattendedradiofrequencyinterference(RFI)monitoringequipmentwasdeveloped.ThisstudymainlyintroducestheRFImeasurementatpointD(4055mabovesealevel)oftheSaishitengMountaininLenghubasedontheRFImeasurementsystematthefrequencybandfrom0.1GHzto18GHz,andtheevaluationofthemeasurementresultsofthesiteformorethanoneyearaswell.Keywords:Lenghu;Astronomicalsite;RFIMeasurement（上接第 22 页）AIMS：Exploring New Opportunities for Mid-far Infrared Solar Physics ResearchDengYuanyong1,2,3,WangDongguang1,3,BaoXingming1,3（1.NationalAstronomicalObservatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.KeyLaboratoryofSolarActivityandSpaceWeather,NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China）Abstract:Theinfraredbandcontainsrichopportunitiesforastronomicalresearch,butduetothelimitationsofinfraredtechnology,thedevelopmentofinfraredastronomyinChinahasbeenfarfromsatisfactoryforalongtime.“AccurateInfraredMagneticFieldMeasurementsoftheSun”(AIMS)isaNationalMajorScientificResearchInstrumentDevelopmentProject(recommendedbytheMinistries)supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.Itisaimedatbreakingthroughthebottleneckprobleminthecenturyoldhistoryofsolarmagneticfieldmeasurement,improvingtheaccuracyofvectormagneticfieldmeasurementbyanorderofmagnitude,achievingbreakthroughsinsolarphysics,andensuringChina sadvancedpositionintheinternationalobservationalsolarphysics.Inaddition,asAIMSisalsothefirstequipmentspecificallydesignedformid-farinfraredsolarobservationintheworld,wealsohopetoutilizeAIMStoexplorepotentialnewscientificresearchopportunitiesinthevastinfraredregion.Thisarticlebrieflyintroducesthescientificobjectives,projectoverview,andconstructionprogressofAIMS.Keywords:TheSun;Solarmagneticfield;Accuratemeasurementofmagneticfield;Mid-infrared