天线组阵中微弱信号合成的大气相位扰动实时修正方法研究

When the weak signal of deep space probes is received by antenna array composed by a large number of small antennas, the combining efficiency will be seriously affected by the atmospheric phase fluctuations, which have to be calibrated real-timely. The phase calibration method using a sub-array of antennas to observe calibration sources nearby the target will be presented. Two phase calibration methods with precise water vapor radiometry are presented, respectively based on differentials of data measured by radiometers and based on the inversion of troposphere water vapor profiles. The combining method will be presented based on the sub-array division and multi-level combining. The experimental system will be established composed of 2 calibration antennas, 2 radiometers and the antenna array consisted of 4 antennas. Through theoretical analysis and experimental verification, the coherence time and distance of atmospheric phase fluctuations will be studied, and the advantages and disadvantages of each calibration method will be obtained in different seasons and weather conditions. The technologies can also be used in the the large antenna arrays for radio astronomy, such as SKA.

由大量小天线组成的天线阵，在进行深空探测器微弱信号接收时，大气相位扰动会严重影响信号的合成效率，必须对其进行实时修正。为此，建立基于子天线阵校准源观测的相位修正方法；提出基于水汽微波辐射计的修正方法，分别实现基于辐射计差分和对流层剖面反演的相位修正；提出通过天线阵子阵划分与多级合成的相位修正方法。组建一套由2面校准天线、2台辐射计和4面天线组阵的实验系统。通过理论分析和大量实验验证，对大气相位扰动的距离和时间相关性进行研究，获得各修正方法在不同季节和天气条件下的优缺点和适用范围。本课题的研究内容，对射电天文中的大型天线阵技术，例如SKA等的运行同样具有重要的借鉴意义。

根据我国2030年深空探测重大专项规划，将进行多次月球、火星、木星及远至太阳系边缘的行星际穿越的深空探测，并在X频段的基础上增加Ka频段的数据接收能力。而目前由于大口径天线和低噪声接收机等存在的工程极限，单个天线性能的提高已经到了停滞状态，通过天线组阵的方式是获得更高天线性能的基本途径。在进行深空探测器微弱信号接收时，大气相位扰动会严重影响信号的合成效率，必须对其进行实时修正。为此，对基于子天线阵校准源观测的相位修正方法、基于水汽微波辐射计的修正方法和基于全球定位系统的修正方法进行了研究和实验验证。提出了基于全球定位系统差分的大气相位扰动修正技术，并进行了实验验证，可以有效的实现大气相位扰动的实时修正。分析了大气相位扰动与基线长度、天气条件、传播路径的关系。研究表明，提高水汽辐射计大气湿延迟测量的时间分辨率，并与基于导航卫星差分修正技术相结合，是后续大气相位扰动修正技术的主要研究方向。本课题的研究内容，对射电天文中的大型天线阵技术，例如SKA等的运行同样具有重要的使用价值。