空间矢量天线信号达波方向估计方法研究

Due to the absorption and scattering in the Earth's ionosphere, and the strong artificial interferences existing on the Earth, it is very difficult or unachievable to observe very low frequency(VLF) radio emissions from the sky with terrestrial telescopes. The only possibility to open up this window of the EM spectrum is a spaced-based telescope. The VLF region, as one of the last unexplored frequency band, the potential scientific outcome make it being a highligh in radio astronomy. Tripole antenna, as a vector antenna, it can measure the electrical field in three dimensions, and protect the desired signal from interferences, unlike the antenna array, with single tripole antenna, it is able to estimate the direction of arrival of the signals. In this work, we will analyze the 3-dimension polarizations of the radio sources based on the observations with the vector antenna, then get the direction of the polarization ellipse of the incident waves. For the different radio signals with different characteristics, it is planned to present different algorithms to localize the directions. At the same time, we will optimize the measurement scheme of the antenna, and build models with the measurement results, which will be used to calibrate the estimation of the directions. And then these estimtion methods will be applied to other similar fields, like radar,sonar, and wireless communication.

由于地球电离层的反射和吸收作用，以及大量存在的人为干扰，在甚低频频段(低于30MHz)，基于地基射电望远镜对宇宙射电辐射进行观测很难或者几乎不可能，空间射电望远镜成为了惟一的选择。甚低频频段，作为最后几个未被观测的频段之一，潜在的科学发现使得它成为目前射电天文研究的热点。三阵子(Tripole)天线，作为矢量天线，它能够测量三维电场分量，抑制干扰，不同于空间分布的天线阵列，利用单个天线即可实现对电磁波的达波方向估计，确定源的位置。本项目利用矢量天线对空间电磁波的观测，计算电磁波三维极化特性参数，进而得到入射波极化椭圆的空间方向。多个来自不同方向的信号源可以被同时进行测量，从而实现信号的达波方向估计。拟对不同射电信号的特性进行分析，提出不同的方向估计算法。同时，将提出优化的天线测量方案，对结果建立数值模型，实现对非理性情况下天线方向估计的校准。进而，把相关的研究结果扩展应用到其他领域。

甚低频，作为最后几个未被观测的频段之一，潜在的科学发现使得它成为目前射电天文研究的热点。由于地球电离层的反射和吸收作用，以及大量存在的人为干扰，在甚低频频段(<30MHz)，基于地基望远镜对宇宙射电辐射进行观测很难或几乎不可能，空间射电望远镜成为了惟一的选择。三阵子Tripole矢量天线，能够测量三维电场，抑制干扰，不同于空间分布的天线阵列，利用单个天线即可实现对电磁波的达波方向估计，这些都使得Tripole天线成为空间甚低频观测的理想选择。.研究中，利用Tripole天线对电磁波的三维测量能力，通过建立并计算垂直于入射波极化椭圆的方向矢量来得到入射波的方向。相比于极化测量的GonioPolarimetry方法，达波方向估计的方法信噪比要求低，算法简单。而GonioPolarimetry方法需要对天线进行精确测量，计算过程复杂，且信噪比要求高，但它的通用性很好。研究中，我们将两者结合起来，大大降低了空间电磁波极化测量的复杂度，并提高了同信噪比下方向估计的准确性。同时，针对不同特性的射电信号，提出了不同的达波方向估计算法。.基于项目的研究，在中欧联合小卫星任务中提出了一个运行于月球轨道的甚低频成像与巡天阵列，并给出了阵列的空间矢量天线设计。对天线的仿真以及对原型天线的测试表明，该设计满足项目对科学观测的需求。高能宇宙射线或中微子撞击月球表面由于Askaryan 效应会产生低频射电辐射。通过研究，提出了利用上述天线阵列进行高能宇宙射线和中微子探测的方法，并用数值建模和蒙特卡洛仿真两种方法分别进行了分析，得到了相似的结果，均表明可以对高能宇宙射线或中微子进行有效的探测。同时，矢量天线的达波方向估计能力能够对Askaryan辐射进行方向估计和极化测量，再加上阵列的测向能力，将有可能确定高能宇宙射线的来源，这将为解决这一科学难题提供一种新的方法。.研究表明，受太阳活动的影响，2020年左右地球电离层的截止频率有可能会降低到5MHz以下甚至更低，这就为利用地基望远镜进行低于10MHz的射电观测提供了可能。基于本项目的研究，我们提出充分利用明安图观测站现有资源以很低的成本建立一个小型的甚低频天线阵列，进行太阳的低频射电观测，并有望首次实现甚低频的射电巡天。这一研究已成功获得基金委面上基金的资助。.在其他方面，为了进行达波方向估计的研究，还开展了天线馈源以及天线极化测量方面的研究。