【SORT】“星火”一米口径射电望远镜项目完成情况简要报告
邢珈凡
潍坊文华学校,山东省潍坊市寒亭区
154454496 2019-10-30原创 天文与空间科学电子技术
中文摘要
“星火”一米口径射电望远镜项目完成情况简要报告
关键词
射电望远镜微波技术射电天文通信卫星计算机编程RTLSDRArduino远程控制

1、简介


射电望远镜就是接收来自宇宙的无线电信号以研究宇宙的一种装置。本项目使用卫星电视器材制作一个一米口径,工作在Ku频段并可以远程操控的射电望远镜。


2、可行性分析

市售高频头的增益一般为55dB,RTLSDR的灵敏度约为-130dBm,考虑约30dB的各种损耗(对于在粗陋条件下制造的微波电路,这并不夸张),进入高频头的功率至少要有-155dBm即约为3E-19W。对于10MHz的观测频率范围,和1m^2的反射面,这个功率对应的通量密度约为1Jy。当然,这一数据未考虑噪音和各种波动。

综合多方数据,太阳在Ku频段的通量密度约为1E6Jy(1Jy=1E-26W/(m^2·Hz)),而很多天文书籍中都提到仙后座A、天鹅座A。金牛座A等强射电源的通量密度接近于太阳,估计都在1E5-1E6Jy的量级。对于这样强度的源,射电望远镜是一定能检测得出的。

单靠上面的估算仍然没有给我们充足的信心,但是两个卫星电视领域常见的词语“日凌”与“宇宙射电源法测G/T值”使我们有了十足的把握。所谓日凌,就是当太阳在卫星后面的时候,接收装置就会被非常严重的干扰,这证明太阳在卫星电视接收装置的硬件下是足以被轻松观测得到的。而与之强度相近的源观测起来也不太困难。所以用卫星电视器材改制射电望远镜是可行的。


3、接收系统

我们在设计和制作的过程中尽量使用市售民用零件,以降低成本同时提高可靠性(自己做可靠性很难高于现有产品)。下面是接收系统的电路简图。

3-1 Ku频段天线与馈源

常用于微波射电望远镜的天线有两种:抛物面天线与喇叭天线。后者的设计、制造与调试均比前者困难,且对波长有选择性,所以不考虑。最后,我们选择了市售的C段通信卫星天线,直径为1.2m,在Ku段的分辨率为1度左右。我们直接使用Ku段的卫星电视高频头作为馈源,安装在抛物面焦点上。

3-2 偏置器

 由于向高频头的供电与高频头的微波信号是通过同一同轴线传输,所以我们需要一个有效的电路可以保证信不通过电源线散失,且电压不被加到后面的电路上。由于工作频率不高可以用集总参数(即不考虑分布阻容和电路尺寸远小于波长)的思想设计电路,下图从左到右分别是经反复调试仿真得到的电路图,插入损耗仿真,pcb图。            

1572443990902.png
           

我们为了降低制作难度降很成本,提高一致性,选择了在pcb上印刷螺旋电感的方式制作电路,其余元件为普通直插元件。经测试可以满足要求。

3-3 RTLSDR

高频头下变频输出的信号频段为L段(950-1450MHz),远高于“收音机”的频率。而卫星电视“机顶盒”又不宜改制为模拟接收机,所以我们最初选择了仿制通信卫星简易寻星仪。但是在仿制过程中,经过与网友的交流,网友建议我使用rtlsdr“电视棒”。在了解了它的技术特性后,我们选购了一台RTL2832+R820T方案的电视棒。其接口为MCX,与卫星电视常用的F头不能直接连接,所以我们使用一个“MCX转F”装置解决了这一问题。在调试工作中,我们发现电视棒发热严重,所以我们去掉其外壳并加装散热片以加强散热。



4、支架系统

4-1 方位角转动装置(下文简称平台)

           

1572443991192.jpg
       方位角平台在整个机械结构中算是难度最大的了,王要由于它的要求如下


1、可以承重5kg以上

2、转动平稳,在其它方向上的振动

尽可能小

3、可以无限连续转动

4、指向精度达到1°

针对以上要求,我们最初选择了用步进电机轴直接支撑和推动平台的方案,但其不可靠,承

重偏小且振动大。后来我们选择了用蛋糕裱花平台作为平台的主体,而使用摩擦轮带动转动。

在测试过程中我们发现由于滑动,传动比不固定,因而指向精度偏低。经过网友提醒与我们的摸索,我们采用了类齿轮传动的方案—把主动轮换成同步带轮,在裱花台外边缘粘上一圈同步带,通过同步带轮与同步带的齿的啮合进行传动。经测试,这一方案工作稳定,性能良好。

为保证平台上的设备的管线不发生缠绕,实现连续转动,我们使用导电滑环连接平台上的设备。

4-2 高度角转动装置(下文简称支架)

为降低制造难度,提高可靠性,我们直接使用天线自带支架进行改造。支架计划使用25g舵机作为动力源,高度角调整的范围可达25~90°。但是由于设计上的失误,现在其尚不能正常工作,有待进一步调试。


5、电气系统

           

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整台射电望远镜是由市电供电。由于望远镜所在地点无可靠接地,所以我们自己安装了接地线。220V市电给计算机和开关电源供电。计算机连接一部手机,以提供网络连接;连接RTLSDR;连接arduino,并给它供电。arduino连接步进电机控制板与舵机。步进电机控制板放大arduino的控制信号,推动步进电机。步进电机与舵机改变反射面的指向。反射面把信号汇集到高频头处,由18V开关电源供电的偏置器给高频头供电,同时将其发出的L频段微波分离出来送到RTLSDR上,以采集数据。


6 软件相关

6-1 接收机配套软件

我门用RTLSDR的配套频率扫描仪RTL-POWER来读取信号的强度。这个软件可以对在RTLSDR可观刹范围内的任意频率范围进行信号强度一频率关系。这一软件得出的数据为C31格式,所

以我们现阶段使用“WPS表格”进行数据的处理与可祝化,如取平均,数据平滑处理,降噪,用xy散点图作时间(赤经赤纬)--强度关系,用“条件格式”功能作瀑布图或伪彩色图等。对于一些特殊的任务,我们也会用SDRSharp与HDSDR进行观测

6-2 指向控制下机程序与通信

下位机的主要作用就是给出电机的控制信号,其通信协议如下。我们是用5V UART串口实现计算机与Arduino间的通信。            

1572443991194.png
           

6-3 远程控制

我们使用了向日葵远程控制和UltraViewer实现远程控制。

为了能在没有宽带网络的望远镜所在地连接上网络,我们使用手机4G网络共享给计算机,以使计算机连接上网络。

我们使用的两个远程控制软件具有优势互补的特点。向日葵的特点是可以在多个平台上远程控制计算机,且操作比较简便,但是其免费模式有广告并且限速。而UltraViewer则无广告、免费且不限速,但是只能在PC上使用。


7.总结与反思

我们用卫星电视器材为主体,结合Arduino与RTLSDR搭建了一台1.2m口径的射电望远镜“星火”一米口径射电望远镜(SORT望远镜),并在这一过程中学习研究了微波电路的设计等一系列知识突破了大型设备的制造,远程控制等关键技术,大大增长我们的理论知识与

实践能力。但是应该看到,我们在建造中也暴露出理论知识不足,组织规划能力不足,实践能力太低等问题,在以后的项目中,我们会吸取经验教训,不断改进与提高目己。


8、致谢

感谢所有参与方案分析,研制与测试的同志们:山东省昌乐一中肖国强同志@面壁者X,潍坊歌尔学校刘熙东同志@FanceStudio,莱州实验中学“Ianvin”同志,泰安市“仙王”同志,潍坊文华学校王悦然同志。还要感谢以上同志家人对我们工作的支持。

感谢科创论坛@虎哥 @radio @RodTech 等前辈以及@Resbi @BG6WRI等同行的支持指导与批评指正。

感谢我的父母以及亲朋好友在经济、劳动力及精神上的支持,感谢在项目执行期间我的班主任及数学物理任课老师们对我的教导与鼓励。

感谢山东省邢家东庄村父老乡亲对我们工作的热情支持与倾力帮助。

致敬为射电天文学与微波射频技术奋斗的科学家、工程师们,致敬新中国的革命者、建设者、改革者们,没有你们的辛勤付出,我们便没有执行项目的最基本的社会环境。

最后,谨以此文作为新中国成立七十周年晚到的献礼。


附图:SORT射电望远镜实拍图片

           

1572443991051.jpg
           


[修改于 17 天前 - 2019-11-02 07:43:42]

来自 天文与空间科学电子技术
 
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2019-10-30 22:03:39
154454496(作者)

这一篇主要写的是制造,但SORT它已经开始进行观测。其观测数据及处理结果将陆续发布。本文部分内容为手写+OCR识别,已经订正识别错误的内容,如有发现错别字或句子不通,敬请批评指正。

[修改于 20 天前 - 2019-10-30 22:06:15]

2019-10-30 22:03:39
154454496(作者)
1楼

这一篇主要写的是制造,但SORT它已经开始进行观测。其观测数据及处理结果将陆续发布。本文部分内容为手写+OCR识别,已经订正识别错误的内容,如有发现错别字或句子不通,敬请批评指正。

[修改于 20 天前 - 2019-10-30 22:06:15]

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154454496(作者)
2楼

继续上图

IMG_20191003_164541.jpg

IMG_20191003_164651.jpg

IMG_20191001_131014.jpg


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2019-10-31 02:21:32
3楼

前面的灵敏度计算考虑的是总功率电平,把射电流量转换为总功率电平时用到了带宽,然而在10MHz带宽下,电视棒的灵敏度恐怕不到-80dBm。所谓-130dBm的灵敏度应该是极大的FFT点数下的结果,分辨带宽很可能小于1kHz。而1kHz带宽下的射电通量,也就是比Jy的定义加30dB而已。换句话说,若无信息论措施,该系统绝不可能收到“对应的通量密度约为1Jy”的信号。您至少把小数点点错了4位。

对于1e6Jy的源,用1平方米的天线,假设效率100%,的确可能收集到-140dBm/kHz的功率,确实有望被这个系统检测出来。

建议复习《懒虫公式》。

[修改于 18 天前 - 2019-11-02 02:40:52]

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154454496(作者)
4楼
引用 虎哥 发表于 3 楼的内容:
前面的灵敏度计算考虑的是总功率电平,把射电流量转换为总功率电平时用到了带宽,然而在10MHz带宽下,.....

感谢虎哥指导,我会尽快更正。

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5楼

期待

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2019-11-01 23:23:51
2019-11-1 23:23:51
6楼

上来就玩流量观测莫得快乐,建议大力出奇迹刚一波1420MHz氢谱线

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2019-11-02 07:37:57
154454496(作者)
7楼

计算上遇到了一点困难,没有找到RTLSDR的形式为dBm/kHz形式的灵敏度数据,导致计算无法进行下去……

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8楼

参考:RTLSDR的前端芯片R820T的噪音系数为3.5dB(增益最大时)

[修改于 17 天前 - 2019-11-02 09:48:46]

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9楼

这个偏置器仿真用的电容SRF怎么只有16M,应该用小点的电容,电感可以用现成的线绕电感。这个layout有点山寨,其实可以直接买个mini的biastee的。

[修改于 17 天前 - 2019-11-02 11:13:51]

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