耿立紅，劉東浩，蘇 倉(cāng)，李 沙，顏毅華，陳志軍

(中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (國(guó)家天文臺(tái))，北京 100101)

在射電天文觀(guān)測(cè)方面，有些雄心勃勃的計(jì)劃，未來(lái)要把射電天文觀(guān)測(cè)設(shè)備或陣列放在月球背面，以避開(kāi)來(lái)自地球的越來(lái)越嚴(yán)重的射頻干擾(Radio Frequency Interference, RFI)，避開(kāi)地球大氣窗口限制，也避開(kāi)地面射電頻譜分配資源對(duì)射電天文觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)頻譜范圍需求不斷拓展的限制。2019年1月4日，嫦娥四號(hào)著陸器上第1臺(tái)低頻射電頻譜儀的3根5 m天線(xiàn)已經(jīng)在月球背面展開(kāi)，其將獲得的觀(guān)測(cè)結(jié)果令世人期待。但地基射電天文觀(guān)測(cè)設(shè)備則無(wú)此幸運(yùn)。2019年1月9日英國(guó) 《自然》 雜志同期在線(xiàn)發(fā)表的兩篇有關(guān)快速射電暴的天文學(xué)論文，迅速引發(fā)了極大的爭(zhēng)議：是一種暫時(shí)無(wú)法解釋的自然現(xiàn)象、外星文明的智慧還是地球人的 “微波爐” 輻射？即使太陽(yáng)射電輻射信號(hào)比其他天體的要強(qiáng)，太陽(yáng)射電觀(guān)測(cè)設(shè)備也同樣飽受復(fù)雜電磁環(huán)境干擾的困擾。射頻干擾是所有靈敏的地面射電天文觀(guān)測(cè)設(shè)備必須解決的問(wèn)題。

1 明安圖觀(guān)測(cè)基地主要設(shè)備及地理環(huán)境

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)明安圖觀(guān)測(cè)基地(東經(jīng)115°15′，北緯42°12′，海拔1 365 m)現(xiàn)有超寬帶高分辨太陽(yáng)射電成像觀(guān)測(cè)設(shè)備——明安圖射電頻譜日像儀[1](Mingantu Spectral Radioheliograph, MUSER-I和MUSER-II)、明安圖三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡[2](Mingantu three bands Solar Telescope, MST)、兩臺(tái)20 m分米波地平式拋物面天線(xiàn)，試驗(yàn)中的新型數(shù)字式甚低頻射電成像望遠(yuǎn)鏡陣列[3](Ultra-P)，2019～2022將建設(shè)完成子午二期工程的太陽(yáng)行星際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括米波-十米波射電日像儀(Mingantu Spectral Radioheliograph in Meter-Decameter Wavelength, MUSER-III)、行星際閃爍望遠(yuǎn)鏡[4](Interplanetary Scintillation Telescope, IPS)、超寬帶射電頻譜儀等，表1為現(xiàn)有和待建設(shè)備的主要參數(shù)，頻率覆蓋1 MHz～15 GHz，觀(guān)測(cè)結(jié)果用于太陽(yáng)物理、空間天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的關(guān)鍵問(wèn)題研究。一般10 MHz以下頻段的天體射電輻射采用星載設(shè)備觀(guān)測(cè)，地基射電天文望遠(yuǎn)鏡都被地球電離層阻擋在10 MHz以上頻段。但是伴隨著太陽(yáng)活動(dòng)性變化，地球電離層和熱層參數(shù)也表現(xiàn)出相應(yīng)時(shí)間尺度的變化特征[5]。在太陽(yáng)活動(dòng)極小期，電離層截止頻率可能降低到5 MHz以下，利用Ultra-P有可能首次從地面觀(guān)測(cè)到10 MHz以下的宇宙信號(hào)。明安圖觀(guān)測(cè)基地正在逐步建設(shè)成為一個(gè)大型的射電天文，特別是太陽(yáng)射電天文觀(guān)測(cè)基地，觀(guān)測(cè)設(shè)備類(lèi)型多樣，300多個(gè)各類(lèi)接收天線(xiàn)分布在約10平方千米范圍內(nèi)的三條旋臂及中心區(qū)，廣闊草原上開(kāi)放的地理環(huán)境，周?chē)^密集的村落，電磁環(huán)境復(fù)雜。

表1 明安圖觀(guān)測(cè)基地現(xiàn)有和即將建設(shè)的設(shè)備主要參數(shù)Table 1 Main specifications of present/future instruments at Mingantu Observing Station

從基地南部的山坡上大致可以看出，明安圖射電頻譜日像儀的天線(xiàn)陣沿三條旋臂(ABC三軸)排布(如圖1(a))。圖1(b)展示了疊加在谷歌地圖上的觀(guān)測(cè)基地，紅點(diǎn)表示MUSER-I至MUSER-III及Ultra-P沿旋臂的天線(xiàn)陣列單元，中心黃色矩形框分別表示辦公生活區(qū)和觀(guān)測(cè)區(qū)，黃線(xiàn)箭頭引出了這兩個(gè)區(qū)內(nèi)的觀(guān)測(cè)設(shè)備和建筑。觀(guān)測(cè)基地被牧民的草場(chǎng)包圍，標(biāo)號(hào)1～5的紅圈表示基地周?chē)?個(gè)牧民班組共105戶(hù)牧民，距離基地中心2～5 km，其中3班組離B軸最遠(yuǎn)端天線(xiàn)僅約300 m。觀(guān)測(cè)區(qū)內(nèi)是MUSER-I和MUSER-II室外天線(xiàn)單元密集的3條螺旋臂的中心區(qū)域，觀(guān)測(cè)樓內(nèi)有明安圖射電頻譜日像儀的室內(nèi)模擬接收機(jī)、數(shù)字接收機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)。

子午工程二期的相關(guān)設(shè)備將在2019年開(kāi)工建設(shè)，辦公生活區(qū)域向東、向南擴(kuò)展，各設(shè)備相對(duì)位置見(jiàn)圖2，最下方為MUSER-III的中心振子陣，3面長(zhǎng)140 m、寬40 m的南北向拋物柱面天線(xiàn)東西排列。辦公生活區(qū)內(nèi)的科研樓包括海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室、密集的科研場(chǎng)所，綜合樓內(nèi)主要為生活用電設(shè)施。

2 明安圖觀(guān)測(cè)基地射頻干擾初步監(jiān)測(cè)

在復(fù)雜的電磁環(huán)境下首先要做射頻干擾監(jiān)測(cè)，以制定相應(yīng)的抗干擾措施，防范、控制和消減干擾，保障射電天文觀(guān)測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)的可靠性。圖3為明安圖觀(guān)測(cè)基地的部分射頻干擾監(jiān)測(cè)結(jié)果，橫軸為頻譜，縱軸為強(qiáng)度，顯示了射頻干擾隨頻譜和方向的變化。其中，圖3(a)是20 m天線(xiàn)在仰角35°、方位-45°時(shí)接收的470～960 MHz射頻干擾情況；圖3(b)用MUSER-I 4.5 m天線(xiàn)在400～2 000 MHz的一次射頻干擾測(cè)量得到960 MHz附近的手機(jī)信號(hào)是主要干擾源；圖3(c)和圖3(d)用20 m天線(xiàn)在仰角60°± 30°兩個(gè)方位(0°為正北方向)上監(jiān)測(cè)的250～290 MHz射頻干擾。圖4用線(xiàn)天線(xiàn)對(duì)1～100 MHz內(nèi)射頻、干擾的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，橫軸為時(shí)間/日期，縱軸為頻譜，強(qiáng)度用彩色表示。

圖1 (a) 明安圖觀(guān)測(cè)基地鳥(niǎo)瞰圖；(b) 環(huán)境和觀(guān)測(cè)設(shè)備布置
Fig.1 (a) Bird′s eye view of Mingantu Observing Station; (b) environment and observing facility location

圖2 明安圖觀(guān)測(cè)基地辦公生活區(qū)觀(guān)測(cè)設(shè)備布置示意圖
Fig.2 Observing facility location in office & living area at Mingantu Observing Station

圖3 明安圖觀(guān)測(cè)基地干擾測(cè)量。 (a) 470～960 MHz (20 m天線(xiàn), 仰角35°,方位角-45°,2010-10-22,葛亮 圖);(b) 400～2 000 MHz (MUSER-I 4.5 m天線(xiàn),2013-05-24,王威 圖); (c) 250～290 MHz (20 m天線(xiàn),仰角60°,方位角-30°,2014-11-20); (d) 250～290 MHz (20 m天線(xiàn),仰角60°,方位角30°,2014-11-20)

Fig.3 RFI at Mingantu Observing Station. (a) 470-960MHz (20m antenna, EL 35°,AZ -45°, 2010-10-22, provided by GE L); (b) 400-2000MHz (MUSER-I 4.5m antenna, 2013-05-24, provided by WANG W); (c) 250-290MHz (20m antenna, EL 60°,AZ -30°, 2014-11-20); (d) 250-290MHz (20m antenna, EL 60°,AZ 30°, 2014-11-20)

圖4 明安圖觀(guān)測(cè)基地1～100 MHz干擾監(jiān)測(cè)(2017-06-17～2017-07-06，陳林杰 圖)
Fig.4 RFI in 1-100MHz at Mingantu Observing Station (2017-06-17 to 2017-07-06, provided by CHEN L J)

立體射頻干擾表示法能更全面有效地反映射頻干擾分布，見(jiàn)圖5～圖9。針對(duì)太陽(yáng)觀(guān)測(cè)設(shè)備，圖5用MUSER-I接收單元IA9沿太陽(yáng)軌道作400～2 000 MHz內(nèi)左旋圓極化射頻干擾測(cè)量(赤經(jīng):-90°～+90°,赤緯:19.15°,2015-05-17)，x軸為頻譜，y軸為赤經(jīng)坐標(biāo)，z軸為相對(duì)功率，顯示出射頻干擾頻譜沿當(dāng)日太陽(yáng)軌道的分布。同樣，圖6為MUSER-II接收單元HA9 沿太陽(yáng)軌道作2 000～2 800 MHz左旋圓極化干擾測(cè)量。圖7顯示MUSER-I左、右旋圓極化射頻干擾頻譜的差異。圖8為20 m天線(xiàn)和MUSER-I接收系統(tǒng)測(cè)試400～800 MHz和1 600～2 000 MHz左旋圓極化射頻干擾頻譜在40°仰角時(shí)隨方位的分布。

圖5 用MUSER-I接收單元IA9沿太陽(yáng)軌道作400～2 000 MHz左旋圓極化干擾測(cè)量(赤經(jīng): -90°～+90°, 赤緯: 19.15°, 2015-05-17)

Fig.5 RFI in 400-2000MHz by IA9 of MUSER-I along Solar orbit (RA: -90°to +90°, Dec: 19.15°, 2015-05-17)

圖6 用MUSER-II接收單元HA9沿太陽(yáng)軌道作2 000～2 800 MHz左旋圓極化干擾測(cè)量(赤經(jīng): -90°～+90°, 赤緯: 19.15°, 2015-05-17)

Fig.6 RFI in 2000-2800MHz by HA9 of MUSER-II along Solar orbit (RA: -90°to +90,Dec: 19.15°, 2015-05-17)

圖7 用MUSER-I接收單元IA9沿太陽(yáng)軌道作800～1 200 MHz左旋和右旋圓極化干擾對(duì)比(赤經(jīng):-90°～+90°,赤緯:19.15°,2015-05-17)

Fig.7 Right and left-hand circular polarization RFI in 800-1200MHz by IA9 of MUSER-I along Solar orbit (RA:-90°to +90,Dec:19.15°,2015-05-17)

圖8 用20 m天線(xiàn)及MUSER-I接收單元測(cè)量射頻干擾空間分布：400～800 MHz和1 600～2 000 MHz頻段內(nèi)射頻干擾隨方位變化 (EL 40°, AZ ±90°, 步進(jìn)1°)

Fig.8 RFI distribution in 400-800MHz and 1 600-2000MHz by 20m antenna and MUSER-I receiver(EL 40°, AZ ±90°, step1°)

相比赤道式座架的陣列天線(xiàn)，地平式20 m天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍可以覆蓋高于10°仰角的全部天空。用20 m天線(xiàn)及MUSER-I接收單元以太陽(yáng)為中心進(jìn)行立體方向圖[6]掃描，頻率通道30#和47#的左、右旋射頻干擾影響對(duì)比，顯示同一頻率通道接收的左、右旋圓極化信號(hào)差異，見(jiàn)圖9。射頻干擾譜通常顯示為強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，如文[7]在研究韋斯特博克綜合射電望遠(yuǎn)鏡射頻干擾消減時(shí)的觀(guān)測(cè)圖，圖5～9結(jié)合觀(guān)測(cè)目標(biāo)和觀(guān)測(cè)模式反映了射頻干擾頻譜的空間分布，如果射頻干擾分布穩(wěn)定，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)對(duì)制定射頻干擾消減方案有更好的參考意義。

綜上，射頻干擾隨頻率、極化、指向及時(shí)間變化，也隨著天線(xiàn)高度和方向圖、系統(tǒng)性能、觀(guān)測(cè)目標(biāo)和模式、射頻干擾源相對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的距離和方向等變化，用射頻干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)影響進(jìn)行評(píng)估時(shí)還需考慮系統(tǒng)差異。

3 明安圖觀(guān)測(cè)基地的射頻干擾消減措施

在選址時(shí)進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)電環(huán)境測(cè)量和電磁干擾分析[8-9]，綜合考察北京、河北、新疆、內(nèi)蒙古多地，以電磁環(huán)境為首要條件，結(jié)合地形、人口密度、交通和政府支持，選擇內(nèi)蒙古正鑲白旗為射電日像儀建設(shè)地點(diǎn)。將干擾容限與接收系統(tǒng)靈敏度相聯(lián)系，采用接收系統(tǒng)噪聲底值的1/4為干擾容限，即日像儀允許的最大干擾電平，估計(jì)日像儀低頻段(MUSER-I)干擾容限(譜密度)為-181 dBm/Hz。但隨著科技發(fā)展和射電天文觀(guān)測(cè)設(shè)備靈敏度的提升，相對(duì)的射頻干擾越來(lái)越強(qiáng)，電磁環(huán)境難以滿(mǎn)足要求。根據(jù)射頻干擾在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)的階段，常用的射頻干擾消減方法分為4種[10]，即預(yù)防(選址、建造和運(yùn)行期間采取電磁環(huán)境保護(hù)、預(yù)防和監(jiān)管措施)、預(yù)檢測(cè)(接收系統(tǒng)通過(guò)預(yù)檢測(cè)屏蔽已知的強(qiáng)射頻干擾)、預(yù)相關(guān)(對(duì)相關(guān)前數(shù)據(jù)基于硬件或軟件作實(shí)時(shí)消減)和后相關(guān)(對(duì)相關(guān)后干涉數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)或離線(xiàn)處理)。

圖9 用20 m天線(xiàn)及MUSER-I接收單元以太陽(yáng)為中心進(jìn)行立體方向圖掃描，顯示通道30#左右旋(上排)和47#左右旋(下排)射頻干擾分布對(duì)比

Fig.9 Cubic radiation pattern centered on the Sun by 20m antenna and MUSER-I receiver,showing RFI distribution differences of 30# and 47#, for example

3.1 電磁寧?kù)o區(qū)建立及電磁環(huán)境保護(hù)

射頻干擾來(lái)自系統(tǒng)外部和內(nèi)部。對(duì)于外部的射頻干擾，選址和建立電磁寧?kù)o區(qū)是射電天文觀(guān)測(cè)臺(tái)站的首要措施。如500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)工程[11]，2019年 《貴州省500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡電磁波寧?kù)o區(qū)保護(hù)辦法》 新版公布，以臺(tái)址為圓心，設(shè)置半徑5 km區(qū)域核心區(qū)、5～10 km環(huán)帶中間區(qū)和10～30 km環(huán)帶邊遠(yuǎn)區(qū)。經(jīng)與當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)協(xié)商，2007年由內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)文，設(shè)立以明安圖觀(guān)測(cè)基地為中心，半徑10 km的射電寧?kù)o區(qū)；2012年關(guān)閉基地正南約2 km處的移動(dòng)通訊塔；2014年為周邊5個(gè)班組105戶(hù)牧民安裝光纖多媒體通訊網(wǎng)絡(luò)，牧民們可在家上網(wǎng)、打座機(jī)電話(huà)、看電視和微信，也維護(hù)了牧民和基地的友好關(guān)系。通過(guò)協(xié)調(diào)避免在寧?kù)o區(qū)建設(shè)新移動(dòng)基站和500 kV高壓供電線(xiàn)路。隨著5G通訊的到來(lái)，寧?kù)o區(qū)保護(hù)內(nèi)容亦須更新。圖10(a)，(b)顯示關(guān)閉通訊塔后射頻干擾明顯改善，圖10(c)為光纖多媒體通訊網(wǎng)絡(luò)路線(xiàn)。

3.2 電磁兼容及屏蔽

100組3.4 km長(zhǎng)光纜連接MUSER高/低頻陣100面天線(xiàn)和觀(guān)測(cè)區(qū)中心機(jī)房，傳輸太陽(yáng)輻射信號(hào)和設(shè)備監(jiān)控信號(hào)[12]。中心機(jī)房聚集了MUSER高/低頻陣監(jiān)控設(shè)備、模擬接收機(jī)、大規(guī)模高速數(shù)據(jù)采集相關(guān)處理機(jī)，有40面天線(xiàn)距中心機(jī)房不到100 m，約80面天線(xiàn)在700 m范圍內(nèi)，如圖11(a)，須考慮機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備間的電磁兼容性及對(duì)日像儀的干擾。圖11(b)顯示了中心機(jī)房附近和距離約3 km處1～100 MHz的射頻干擾監(jiān)測(cè)對(duì)比情況(2018-12-02～2018-12-03，陳林杰 圖)，兩處射頻干擾最大相差約40 dB。按用電設(shè)備集中程度和功耗，計(jì)劃對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分級(jí)電磁屏蔽的方法，即采用冷軋鋼板、銅網(wǎng)等作為主體屏蔽材料，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域六面殼體、門(mén)窗、管線(xiàn)進(jìn)出口進(jìn)行電磁密封和屏蔽處理，阻斷電磁輻射出入，進(jìn)一步對(duì)輻射強(qiáng)的設(shè)備采取隔離措施。

圖10 MAT電磁環(huán)境保護(hù)。(a) 基地正南移動(dòng)通訊塔；(b) 移動(dòng)塔關(guān)閉前(藍(lán)線(xiàn))后(紅線(xiàn))干擾監(jiān)測(cè)情況；(c) 連通5個(gè)班組的光纖多媒體通訊網(wǎng)絡(luò)

Fig.10 Measures of electromagnetic environment protection in MAT. (a) the communication tower on the south of MAT;(b) RFI before (blue line) and after (red line) closing the communication tower; (c) routes of optical fiber cable communication network for 5 villages around MAT

圖11 (a) 觀(guān)測(cè)區(qū)附近天線(xiàn)分布；(b) 射頻干擾監(jiān)測(cè)(實(shí)線(xiàn)：觀(guān)測(cè)區(qū)，虛線(xiàn)：距觀(guān)測(cè)區(qū)3 km,2018-12-02～2018-12-03, 陳林杰 圖)

Fig.11 (a) antennas distribution of MAT center area; (b) RFI measurements near(line) center area and 3km away from center area (dot line, 2018-12-02 to 2018-12-03, provided by CHEN L J)

3.3 明安圖射電頻譜日像儀寬帶抗干擾設(shè)計(jì)

明安圖射電頻譜日像儀采用了多種抗干擾設(shè)計(jì)[12]。如：將光纜深埋在凍土層下進(jìn)行長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，減小傳輸損耗、溫度變化及干擾影響；10 kV電力專(zhuān)線(xiàn)在基地附近改從地下走線(xiàn)，沿高壓線(xiàn)安裝防雷放電間隙和驅(qū)鳥(niǎo)裝置；7、8月是草原雨季和雷電高發(fā)期，全部室外基墩配電箱安裝浪涌保護(hù)器。觀(guān)測(cè)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性和可靠性是射頻干擾消減的基礎(chǔ)，對(duì)溫度敏感器部件采用高精度溫控。多數(shù)射頻干擾來(lái)自天線(xiàn)旁瓣，要求天線(xiàn)方向圖旁瓣低于主瓣14 dB以上。

MUSER-I：800～1 200 MHz頻段手機(jī)強(qiáng)干擾信號(hào)影響系統(tǒng)正常工作，調(diào)整備用本振頻率后工作在1 000～1 400 MHz避開(kāi)強(qiáng)干擾；前端低噪聲放大器加限幅；射頻干擾超過(guò)設(shè)備安全閾值時(shí)自動(dòng)控制增益，采用模塊化信道降低通道間干擾。

MUSER-II：前端低噪聲放大器加限幅，信道預(yù)選濾波器組進(jìn)行50 dB以上抑制；前端組件輸出端加固定衰減器，防止強(qiáng)干擾時(shí)燒毀光發(fā)射機(jī)；400 MHz/80 MHz雙中頻帶寬輸出兼顧工程、天文和抗干擾需求，可使接收機(jī)避免在干擾頻段內(nèi)工作，也可在某些頻段進(jìn)行更高時(shí)間分辨率的觀(guān)測(cè)。中頻輸出端帶通濾波器進(jìn)一步濾除帶外噪聲。應(yīng)用低溫共燒陶瓷技術(shù)(Low-Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)使系統(tǒng)小型化，增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3.4 干擾消減方法研究

判斷信號(hào)是否為射頻干擾的標(biāo)準(zhǔn)是，看其在所需觀(guān)測(cè)中是否為無(wú)用但可監(jiān)測(cè)的信號(hào)，且是否會(huì)影響觀(guān)測(cè)的順利進(jìn)行[13]。有些干擾雖不易檢測(cè)但仍可能影響觀(guān)測(cè)，消減此類(lèi)干擾要困難許多。

射頻干擾識(shí)別中，因傳播路徑和距離不同，色散量是區(qū)分人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)和射電源信號(hào)的一個(gè)重要判據(jù)[10]。較多的射頻干擾探測(cè)、識(shí)別和消減研究基于統(tǒng)計(jì)分析，采用機(jī)器學(xué)習(xí)[14]的方法完成射頻干擾探測(cè)、識(shí)別和消減。射電天文源信息和接收系統(tǒng)噪聲都是理想的高斯分布，因此功率探測(cè)通常基于高斯模型。高斯分布模型需要兩個(gè)參數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，均值估計(jì)誤差影響標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)。未污染的數(shù)據(jù)樣本遵循兩個(gè)自由度的卡方分布，基于卡方分布的方法只需一個(gè)均值定義信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性。閾值設(shè)為遞歸估計(jì)的均值乘以一個(gè)用戶(hù)定義系數(shù)，為使均值不因射頻干擾產(chǎn)生異常，最強(qiáng)信號(hào)對(duì)稱(chēng)地棄用。設(shè)定閾值同時(shí)確定了誤報(bào)率和漏報(bào)率。探測(cè)強(qiáng)雷達(dá)脈沖干擾時(shí)，硬件成本可接受的情況下以多個(gè)連續(xù)的功率值超過(guò)閾值才觸發(fā)數(shù)據(jù)消隱，將大大降低誤報(bào)率。但是檢測(cè)連續(xù)多個(gè)樣本是否超過(guò)閾值對(duì)探測(cè)弱雷達(dá)脈沖時(shí)性能不佳，用在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)超過(guò)閾值的總樣本數(shù)觸發(fā)數(shù)據(jù)消隱更好。專(zhuān)用于探測(cè)宇宙曙光和再電離時(shí)代的21 cm波長(zhǎng) “宇宙第一縷曙光” 探測(cè)項(xiàng)目[15]采用統(tǒng)計(jì)法識(shí)別和刪除非高斯信號(hào)的射頻干擾，并引入可見(jiàn)度函數(shù)系數(shù)代替可見(jiàn)度函數(shù)，進(jìn)一步壓縮快速時(shí)變射頻干擾。射頻干擾探測(cè)中納入一些先驗(yàn)知識(shí)，將進(jìn)一步降低射頻干擾對(duì)射電天文觀(guān)測(cè)的影響。高紅移使HI射電源譜線(xiàn)移到分配給雷達(dá)的頻段，文[16]在法國(guó)南賽觀(guān)測(cè)站單天線(xiàn)分米波射電望遠(yuǎn)鏡上采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)計(jì)分析的一種雷達(dá)脈沖消隱，并用周期平穩(wěn)特性區(qū)分射頻干擾脈沖和脈沖星脈沖，因?yàn)榇蠖鄶?shù)通訊信號(hào)隱藏著周期性。有仿真表明，在脈沖星觀(guān)測(cè)中射頻干擾周期平穩(wěn)探測(cè)優(yōu)于功率探測(cè)器，在設(shè)備不同位置插入射頻干擾周期平穩(wěn)探測(cè)器能夠探測(cè)不同類(lèi)型的射頻干擾。

對(duì)大型單射電天線(xiàn)，自適應(yīng)旁瓣相消是常用的抗干擾方法之一[17]，本質(zhì)是利用輔助陣列與主天線(xiàn)中干擾信號(hào)的相關(guān)性和干擾的空間特性獲得輔助陣列的最優(yōu)權(quán)矢量，使合成的天線(xiàn)方向圖在干擾方向上產(chǎn)生零點(diǎn)，達(dá)到干擾抑制的目的。文[18]利用獨(dú)立的射頻干擾參考信號(hào)和射頻干擾信號(hào)遵循的閉合關(guān)系消除射電頻譜儀中的射頻干擾，該參考信號(hào)是由參考天線(xiàn)或饋源指向噪聲源收到的信號(hào)與觀(guān)測(cè)的射電天體輻射信號(hào)交叉相關(guān)獲得。

對(duì)干涉儀，相比對(duì)最終可見(jiàn)度函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，相關(guān)技術(shù)提供了以更高時(shí)間和頻率分辨率從干涉儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中識(shí)別和消減射頻干擾的可能，在射頻干擾識(shí)別和消減方法開(kāi)發(fā)、完善以及測(cè)試階段，采用軟件相關(guān)射頻干擾識(shí)別[19]比硬件開(kāi)發(fā)周期短且更具靈活性。由于陣列單元的位置分布，射頻干擾對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡陣列影響不一樣，對(duì)短基線(xiàn)來(lái)說(shuō)問(wèn)題更嚴(yán)重。但是，由于積分時(shí)間增長(zhǎng)的同時(shí)提高了對(duì)射電信號(hào)和射頻干擾的靈敏度，用單天線(xiàn)進(jìn)行觀(guān)測(cè)(連續(xù)譜或光譜)更易受到干擾的影響[18]。在頻率捷變太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡(Frequency Agile Solar Radio-telescope, FASR)測(cè)試系統(tǒng)上[20]，提出并測(cè)試了基于方差分析的功率譜統(tǒng)計(jì)切除射頻干擾的方法，從高斯型太陽(yáng)射電爆發(fā)中識(shí)別并切除非高斯型射頻干擾。

根據(jù)接收信號(hào)的時(shí)間頻率功率譜、方位頻率功率譜和立體方向圖的形態(tài)可輔助識(shí)別干擾，如圖5～圖9，大部分射頻干擾限制在一定頻率范圍內(nèi)，但存在于整條觀(guān)測(cè)路徑，有強(qiáng)度起伏。對(duì)少數(shù)限制在一定指向范圍內(nèi)和一段頻段內(nèi)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是穩(wěn)定干擾，可采用空間濾波方式消減。

射電探測(cè)是太陽(yáng)物理和日地空間科學(xué)的重要手段，尤其對(duì)于太陽(yáng)爆發(fā)過(guò)程中的太陽(yáng)非熱粒子加速、發(fā)射和傳播過(guò)程?？偸菑目茖W(xué)需求的角度研制新的太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡，而無(wú)法限制在射電天文業(yè)務(wù)的保護(hù)頻率范圍。一般認(rèn)為大多數(shù)射頻干擾很強(qiáng)，但強(qiáng)太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，射電流量密度可能有20～30 dB或更大的增量，且耀斑過(guò)程包含亞秒級(jí)脈動(dòng)準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)以及超精細(xì)結(jié)構(gòu)[21]。弱射頻干擾也可能和太陽(yáng)射電輻射信號(hào)混淆。長(zhǎng)期的觀(guān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)射電爆發(fā)常?？煞殖梢幌盗袕拈L(zhǎng)到短不同時(shí)標(biāo)的爆發(fā)過(guò)程，其中尖峰輻射是最小時(shí)間尺度和空間尺度的爆發(fā)過(guò)程，可以看成是一種元爆發(fā)過(guò)程，對(duì)應(yīng)于單一的磁場(chǎng)重聯(lián)和磁能釋放。根據(jù)太陽(yáng)射電天文學(xué)研究，識(shí)別尖峰爆發(fā)是對(duì)新一代太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡的基本要求[22]。觀(guān)測(cè)小尺度的磁場(chǎng)活動(dòng)對(duì)于理解太陽(yáng)風(fēng)暴的元過(guò)程以及整體理解太陽(yáng)風(fēng)暴很有意義[23]。無(wú)論射頻干擾強(qiáng)弱，區(qū)分射頻干擾和太陽(yáng)射電信號(hào)很重要、也都是難題。

明安圖觀(guān)測(cè)基地電磁環(huán)境復(fù)雜，沒(méi)有一種射頻干擾消減方法滿(mǎn)足所有設(shè)備的需求，同一設(shè)備也可能需要多種射頻干擾消減方法，這方面還有很多工作要做。

4 射頻干擾監(jiān)測(cè)

手機(jī)通訊是明安圖觀(guān)測(cè)基地射頻干擾的主要來(lái)源，5G時(shí)代的即將來(lái)臨使電磁環(huán)境隨之改變。射頻干擾長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是射頻干擾消減的前提，射頻干擾監(jiān)測(cè)一般采用各向同性天線(xiàn)，如巨型米波射電望遠(yuǎn)鏡(Giant Metrewave Radio Telescope, GMRT)[23]采用4個(gè)相同對(duì)數(shù)周期偶極子天線(xiàn)(Log Periodic Dipole Antenna, LPDA)組合，架設(shè)在20 m高塔上監(jiān)測(cè)電磁干擾并判別干擾方向。65 m天馬射電望遠(yuǎn)鏡2008年即開(kāi)始射頻干擾監(jiān)測(cè)，用于臺(tái)址電磁環(huán)境的評(píng)估[24]。韋斯特博克綜合射電望遠(yuǎn)鏡(Westerbork Synthesis Radio Telescope, WSRT)[25]的射頻干擾全向天線(xiàn)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每周7天每天24小時(shí)無(wú)人值守地工作。低頻射電陣(LOw-Frequency ARray, LOFAR)[26]因采用精確的探測(cè)方法、強(qiáng)濾波和高接收系統(tǒng)線(xiàn)性度以及天線(xiàn)安裝接近地面等策略，射頻干擾影響很小，當(dāng)然也需考慮數(shù)字信號(hào)廣播和風(fēng)車(chē)的干擾。監(jiān)測(cè)時(shí)降低時(shí)間和頻率分辨率，使射頻干擾占比近似線(xiàn)性增加。這對(duì)射頻干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻率、時(shí)間、空間分辨率提出了要求。射頻干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)觀(guān)測(cè)設(shè)備的射頻干擾消減為目標(biāo)，需考慮實(shí)時(shí)模式下預(yù)檢測(cè)以及離線(xiàn)模式下從大型望遠(yuǎn)鏡陣列干涉數(shù)據(jù)中檢測(cè)射頻干擾[10]。明安圖射電頻譜日像儀這類(lèi)設(shè)備是分布在廣大區(qū)域的傳感器陣，精確校準(zhǔn)是提供有意義科學(xué)圖像的關(guān)鍵，校準(zhǔn)必須解決天線(xiàn)增益和相位以及大氣和電離層擾動(dòng)問(wèn)題。如圖3～圖9，系統(tǒng)復(fù)雜，陣列單元間、同單元頻率通道間、極化間的差異無(wú)疑增加了系統(tǒng)校準(zhǔn)和射頻干擾消減難度。除常規(guī)射頻干擾監(jiān)測(cè)方法外，提出射頻干擾自監(jiān)測(cè)方案，即利用射電天文觀(guān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行射頻干擾監(jiān)測(cè)，輔助采用全向天線(xiàn)和參考天線(xiàn)。

5 結(jié) 論

射頻干擾對(duì)觀(guān)測(cè)設(shè)備的影響與多種因素有關(guān)，射頻干擾消減是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作。針對(duì)性研究射頻干擾消減方法是射電天文研究的重要課題。已采取的射頻干擾消減措施保障了明安圖射電頻譜日像儀的正常運(yùn)行，即將開(kāi)始研制建設(shè)的子午二期工程等，使頻率覆蓋范圍達(dá)1 MHz～15 GHz，對(duì)電磁環(huán)境提出更高的要求。明安圖觀(guān)測(cè)基地多種設(shè)備及射頻干擾在極化、時(shí)間、頻譜和空間上的復(fù)雜變化和分布，還包含許多隨機(jī)和模糊因素，說(shuō)明了電磁環(huán)境的復(fù)雜性，電磁寧?kù)o區(qū)保護(hù)、電磁兼容性、射頻干擾監(jiān)測(cè)識(shí)別評(píng)估及消減仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。組合采用參考天線(xiàn)或參考陣列、全向天線(xiàn)和射電天文觀(guān)測(cè)設(shè)備的射頻干擾監(jiān)測(cè)方案將為射頻干擾消減提供更有效的信息。