技术领域
[0001] 本
发明涉及射电天文技术，尤其涉及一种射电天文台址电磁兼容性控制方法。
背景技术
[0002] 我国国军标GJB72-85中规定，电磁兼容性(EMC，Electromagnetic Compatible)是指
电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作的能
力，它反映的是设备或系统承受电磁骚扰时能正常工作，同时又不产生超过规定限值的电磁骚扰的能力。电磁兼容性是设备或系统的重要性能指标，也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素。
[0003] 大口径射电望远镜具有极高的系统灵敏度，且工作带宽连续
覆盖，望远镜系统内、系统间及台址内电子设备从多，
电磁干扰通过天线旁瓣进入接收系统，降低系统
信噪比，恶化观测数据，影响射电天文观测的科学产出。射频干扰(radio frequency interference，RFI)的强度和
频谱密度会使得观测结果深受射频干扰的影响以致失去使用价值。尤其，利用单天线射电望远镜进行的观测(连续谱或
光谱)最易受到干扰的影响，其原因是：积分时间的增加提高了望远镜对天文
信号的灵敏度，但也同等程度地提高了其对射频
干扰信号的灵敏度。
[0004] 射电望远镜建设及运行过程，台址各类电子设备与望远镜系统及望远镜运行涉及的其他系统(观测系统、电源、数据传输、通信等)之间需满足电磁兼容性要求。EMC控制需融入到望远镜的整个设计、生产和安装及运行过程，EMC控制需确定合适的干扰电平限值及可行的电磁兼容评估流程，融于望远镜整个工程监管流程，以确保望远镜建设、运行阶段各类电磁干扰的有效控制。
[0005] 大口径望远镜电磁兼容要求极为苛刻，考虑到良好的电磁环境是射电望远镜科学产出的重要保证，因此，需要针对射电天天文台址，研究一种有效的射电望远镜电磁兼容控制方法，以应用于射电望远镜建设及运行过程，保证射电望远镜拥有良好的电磁兼容性及台址电磁环境。
[0006] 然而，目前射电天文台址电磁兼容控制方法主要依据ITU-R RA.769.2标准执行，但是此标准仅给出了射电望远镜馈源口面干扰电平限值(该干扰电平限值比GJB151A限值高约80dB)，且只提供了射电天文无线电
频率划分的频率对应的干扰电平限值，而射电望远镜实际工作带宽连续覆盖，大大高于无线电频率划分的带宽。而且，现有电磁兼容测量通常在电波暗室内进行，采用直接测量的方法，但是采用直接测量方法无法实现极其微弱信号的测量，这是因为现有电磁兼容测量系统的灵敏度无法达到微弱信号的测量要求，即测量的频谱噪声远高于射电天文台址某些区域的干扰电平限值，所以，现有测量方法的测试结果只能粗略评估电子设备的电磁
辐射量级，不能精确的评估电子设备
电磁辐射是否满足要求。
发明内容
[0007] 为了解决上述
现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种射电天文台址电磁兼容性控制方法，以确保射电望远镜拥有良好的电磁兼容性及台址电磁环境。
[0008] 本发明所述的一种射电天文台址电磁兼容性控制方法，其包括以下步骤：
[0009] 步骤S1，计算获得射电天文台址的电子设备所在
位置的干扰电平
门限值PE_limit；以及
[0010] 步骤S2，根据所述干扰电平门限值PE_limit评估所述电子设备的电磁兼容性；
[0011] 其中，所述步骤S1包括：
[0012] 步骤S11，计算获得射电望远镜的馈源口面保护门限值TFAL；
[0013] 步骤S12，计算获得所述电子设备到达射电望远镜的馈源口面的电波路径衰减GLoss；
[0014] 步骤S13，计算获得所述电子设备进入射电望远镜的接收系统的天线增益G(φ)；以及
[0015] 步骤S14，根据下式计算获得所述电子设备所在位置的干扰电平限值PE_limit：
[0016] PE_limit＝TFAL-G(φ)+GLoss；
[0017] 所述步骤S2包括：
[0018] 步骤S21，通过电磁辐射测量系统在非屏蔽状态下测量获得所述电子设备的电磁辐射测量频谱PM，其中，所述电磁辐射测量系统的不确定度为Un；
[0019] 步骤S22，根据下式计算获得所述电子设备的电磁辐射限值PE：
[0020] PE＝PE_limit-Un；
[0021] 步骤S23，比较所述电磁辐射测量频谱PM与所述电磁辐射限值PE，若PM≤PE，则安装所述电子设备，否则，计算所述电子设备的屏蔽效能设计需求SER；
[0022] 步骤S24，根据所述屏蔽效能设计需求SER设计用于所述电子设备的屏蔽壳体，并测量获得所述屏蔽壳体的屏蔽效能SEM；
[0023] 步骤S25，比较所述屏蔽效能SEM与所述屏蔽效能设计需求SER，若SEM≥SER，则安装所述电子设备，否则，返
回执行步骤S24，直至SEM≥SER后安装所述电子设备；以及[0024] 步骤S26，评估安装后的所述电子设备的电磁兼容性，若安装后的所述电子设备满足电磁兼容性要求，则所述电子设备正常工作，否则，进行电磁兼容整改，直至满足电磁兼容性要求后，所述电子设备正常工作。
[0025] 在上述的射电天文台址电磁兼容性控制方法中，所述步骤S11包括：
[0026] 首先，根据公式(1)、(2)计算获得大口径的射电望远镜的系统灵敏度ΔT：
[0027]
[0028] Tsys＝TA+TR (2)，
[0029] 其中，Tsys为射电望远镜噪声
温度，TA为天线噪声温度，TR为接收机噪声温度，Δf为带宽，τ为积分时间；
[0030] 接着，根据公式(3)计算获得射电望远镜的干扰电平限值ΔP：
[0031] ΔP＝0.1×k×ΔT×Δf (3)，
[0032] 其中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23Joule/k；
[0033] 然后，根据公式(4)计算获得射电望远镜的干扰电平限值
功率谱密度Sf：
[0034]
[0035] 最后，根据公式(1)-(4)，并取带宽Δf＝1％f，f为工作频率，取积分时间τ＝2000秒，同时，当f＜1.4GHz时，取接收机噪声温度TR＝150K，取天线噪声温度TA＝60K，当f≥1.4GHz时，取接收机噪声温度TR＝12K，取天线噪声温度TA＝10K，由此计算得到射电望远镜的馈源口面保护门限值TFAL：
[0036] TFAL＝(ΔP)′+30-10log(Δf)＝-17.2log10(f)-193.88f＜1.4GHz (5)，[0037] TFAL＝(ΔP)′+30-10log(Δf)＝-0.068log10(f)-252.05f＜1.4GHz (6)。
[0038] 在上述的射电天文台址电磁兼容性控制方法中，所述步骤S21包括：在电波暗室中测量所述电磁辐射测量频谱PM；当不同的所述电子设备处于同一位置时，测量所有所述电子设备整体的电磁辐射测量频谱，当不同的所述电子设备处于不同位置时，单独测量各个所述电子设备的电磁辐射测量频谱，并将未被测量的所述电子设备安装于屏蔽机柜中。
[0039] 在上述的射电天文台址电磁兼容性控制方法中，所述步骤S23包括：
[0040] 对于处于非屏蔽环境下的所述电子设备，根据公式(12)计算其屏蔽效能设计需求SER：
[0041] SER＝PM-(PE_limit-Un) (12)，
[0042] 对于安装在屏蔽环境下的所述电子设备，根据公式(13)计算其屏蔽效能设计需求SER：
[0043] SER＝PM-(PE_limit-Un)-S (13)，
[0044] 其中，S为所述电子设备所在的屏蔽环境的屏蔽效能。
[0045] 在上述的射电天文台址电磁兼容性控制方法中，所述屏蔽壳体的屏蔽效能SEM的测量
频率范围为100MHz-6GHz。
[0046] 由于采用了上述的技术解决方案，本发明结合射电天文现有技术及科学需求，给出了射电望远镜不同频率的馈源口面保护门限值的计算公式；同时，本发明考虑到望远镜增益和电波传播因素的影响，给出了电子设备所在位置的干扰电平门限值的计算方法，其结果更为准确；另外，本发明中RAE的电磁兼任性评估分为两步进行，第一步是在非屏蔽状态下RAE的电磁辐射测量，结合RAE所在位置干扰电平限值要求，计算RAE的
电磁屏蔽设计需求，第二步是在RAE电磁屏蔽后，测量屏蔽壳体的屏蔽效能，再评估RAE是否满足所在位置干扰电平限值要求，从而有效地评估了RAE的电磁兼容性是否满足要求。综上，本发明提出了有效的RAE电磁兼容设计要求及评估方法，解决了射电天文台址极高的电磁兼容性要求无法直接评估的问题。
附图说明
[0047] 图1a是本发明一种射电天文台址电磁兼容性控制方法中干扰源与射电望远镜主波束轴的第一种位置关系图；
[0048] 图1b是本发明一种射电天文台址电磁兼容性控制方法中干扰源与射电望远镜主波束轴的第二种位置关系图；
[0049] 图2是本发明一种射电天文台址电磁兼容性控制方法中步骤S2的
流程图；
[0050] 图3a、b分别是本发明步骤S21中在不同情况下测量RAE的电磁辐射的原理图。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图，给出本发明的较佳
实施例，并予以详细描述。
[0052] 本发明，即一种射电天文台址电磁兼容性控制方法，其包括以下步骤：
[0053] 步骤S1，计算获得射电天文台址电子设备(RAE，其包括望远镜系统的电子设备及台址建设引入的各类电子设备)的干扰电平门限值；以及
[0054] 步骤S2，根据RAE的干扰电平门限值评估RAE的电磁兼容性。
[0055] 具体来说，步骤S1包括：
[0056] 步骤S11，计算获得射电望远镜的馈源口面保护门限值TFAL：
[0057] 首先，根据公式(1)、(2)计算获得大口径的射电望远镜的系统灵敏度ΔT：
[0058]
[0059] Tsys＝TA+TR (2)，
[0060] 其中，Tsys为射电望远镜噪声温度，TA为天线噪声温度，TR为接收机噪声温度，Δf为带宽，τ为积分时间(单位：秒)；
[0061] 接着，根据公式(3)计算获得射电望远镜的干扰电平限值ΔP(单位：W)：
[0062] ΔP＝0.1×k×ΔT×Δf (3)，
[0063] 其中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23Joule/k；
[0064] 对公式(3)的等号两边取对数，可得到：
[0065] 10log10(ΔP)＝10log10(0.1×k×ΔT×Δf)(单位：dBW)；
[0066] 然后，对射电望远镜的干扰电平限值ΔP进行求导(如公式(4)所示)，以获得射电望远镜的干扰电平限值功率谱密度Sf(单位为 )：
[0067]
[0068] 最后，根据公式(1)-(4)，并取带宽Δf＝1％f(带宽取值可参考ITU-RRA.769.2建议书)，f为工作频率(此处单位为Hz)，结合不同的射电天文观测需求取积分时间τ(在此，取典型的分子谱线观测积分时间τ＝2000秒)，同时考虑不同工作频段现有的接收机噪声温度TR及天线噪声温度TA，当f＜1.4GHz时，取接收机噪声温度TR＝150K，取天线噪声温度TA＝60K，当f≥1.4GHz时，取接收机噪声温度TR＝12K，取天线噪声温度TA＝10K，由此计算得到射电望远镜的馈源口面保护门限值TFAL(单位为 )：
[0069]
[0070]
[0071] 举例来说，当工作频率f为2GHz时，带宽Δf为0.01*2GHz＝20MHz＝20000000Hz(用对数表示为10log10(20000000))，射电望远镜的馈源口面保护门限值TFAL＝-252+10log10(20000000)＝-252+73＝-179dBm，其中，+10log10(20000000)是用于将单位dBm/Hz(功率谱密度)转换为dBm(功率)；
[0072] 步骤S12，计算获得RAE到达射电望远镜的馈源口面的电波路径衰减GLoss：
[0073] 由于各类RAE均在射电望远镜
视野范围内，近似为自由空间传播，因此，可根据公式(7)计算RAE到达射电望远镜的馈源口面的电波路径衰减GLoss(单位为dB)：
[0074] GLoss＝32.4+20lg(f)+20lg(d) (7)，
[0075] 其中，f为
电磁波频率(即工作频率)(此处单位为MHz)，d为干扰点到射电望远镜馈源口面的距离(单位为km)；
[0076] 步骤S13，计算获得RAE进入射电望远镜的接收系统的天线增益G(φ)：
[0077] 现有技术中，在ITU-R RA.769.2建议书中，馈源口面门限值的计算方法没有考虑天线增益的影响，对于实际情况，电磁干扰通常通过天线旁瓣进入接收系统，干扰源所在位置不同，其电磁辐射进入接收系统产生的系统增益存在较大差异，因此考虑天线增益的影响，可提高设备电磁兼容设计的准确性；
[0078] 在ITU-R SA.509建议书中，针对大口径( D为天线的直径，λ为工作
波长)抛物面给出了包含单干扰源进入接收系统的旁瓣增益模型和多干扰源进入接收系统的旁瓣增益模型。在实际情况中，干扰模式一般是多干扰接入接收系统，因此本发明选取多干扰源天线旁瓣模型计算天线旁瓣增益，即，根据公式(8)计算获得RAE进入射电望远镜的接收系统的增益G(φ)：
[0079]
[0080] 其中，φ为干扰源偏离射电望远镜主波束轴的
角度，此处仅考虑极坏情况，即射电望远镜主波束轴的投影与干扰源重合；
[0081] 具体来说，干扰源辐射方向与射电望远镜主波束轴的夹角φ分两种情况：
[0082] 第一种情况：干扰源位置低于天线馈源口面高度，如图1a所示，则φ如公式(9)所示：
[0083]
[0084] 第二种情况：干扰源位置低于天线馈源口面高度，如图1b所示，则φ如公式(10)所示：
[0085]
[0086] 在图1a、1b中，点A表示干扰源，点B表示馈源口面的中心，C表示抛物面天线的抛物面， 为
俯仰角，L为干扰源与馈源口面的
水平距离，H为干扰源与馈源口面的垂直距离；
[0087] 步骤S14，计算获得RAE所在位置的干扰电平限值PE_limit：
[0088] 根据公式(11)计算RAE所在位置的干扰电平限值PE_limit：
[0089] PE_limit＝TFAL-G(φ)+GLoss (11)。
[0090] 具体来说，由于大型射电望远镜电磁兼容要求极为苛刻，直接测量和评估如此微弱的信号极其困难，因此，考虑到各类电子设备的电磁辐射频率及工程可实施性，电磁兼容评估频率范围为100MHz-6GHz；如图2所示，步骤S2包括：
[0091] 步骤S21，通过现有的电磁辐射测量系统在非屏蔽状态下测量获得RAE的电磁辐射测量频谱PM，其中，电磁辐射测量系统的不确定度为Un；
[0092] 在步骤S21中需要注意以下方面：
[0093] (1)电磁兼容测量方法依照GJB151B-2013标准在电波暗室中测量；
[0094] (2)RAE测量状态要求：RAE在正常工作状态下进行测量，选用的线缆型号、长度与实际使用时的
电缆长度尽量一致，相关要求在测试报告中需要体现；
[0095] (3)当RAE处于同一位置时，需测量RAE整体的辐射发射，测量数据需经过严格校准，相关要求在测试报告中需要体现；
[0096] (4)当RAE涉及电子设备较多，且安装于不同位置时，需要独立测量不同位置RAE的电磁辐射；在这种情况下，需要考虑设计独立的高性能屏蔽机柜(通信互联状态下屏蔽机柜性能要求：100MHz-6GHz，屏蔽效能>90dB)，确保RAE正常工作(例如图3a所示，在测量处于位置1的电子设备RAE1_1的电磁辐射时，处于位置2、位置3等的电子设备RAE1_2、RAE1_3需安装于高性能屏蔽机柜中；又如图3b所示，在测量处于位置2的电子设备RAE1_2的电磁辐射时，处于位置1、位置3等的电子设备RAE1_1、RAE1_3需安装于高性能屏蔽机柜中；依次类推进行测量不同位置电子设备的电磁辐射)；分别测量RAE不同位置设备正常互联及工作状态下电磁辐射，测量数据需经过严格校准，相关要求在测试报告中需要体现；
[0097] 步骤S22，计算获得RAE的电磁辐射限值PE＝PE_limit-Un，其中，PE_limit为RAE所在位置的干扰电平限值；
[0098] 步骤S23，比较RAE的电磁辐射测量频谱PM与RAE的电磁辐射限值PE，若PM≤PE，则表示可以安装RAE，否则(即，PM＞PE)，需要针对RAE进行电磁防护设计，即，计算RAE的屏蔽效能设计需求SER；
[0099] 对于处于非屏蔽环境下的RAE，根据公式(12)计算其屏蔽效能设计需求SER：
[0100] SER＝PM-(PE_limit-Un) (12)，
[0101] 对于安装在屏蔽环境下的RAE，根据公式(13)计算其屏蔽效能设计需求SER：
[0102] SER＝PM-(PE_limit-Un)-S (13)，
[0103] 其中，S为RAE所在的屏蔽环境的屏蔽效能；
[0104] 步骤S24，根据RAE的屏蔽效能设计需求SER设计用于RAE的屏蔽壳体，并测量获得该屏蔽壳体的屏蔽效能SEM；
[0105] 在步骤S24中需要注意以下方面：
[0106] (1)屏蔽壳体的屏蔽效能SEM的测量频率范围为100MHz-6GHz；
[0107] (2)对于屏蔽室、屏蔽机柜等屏蔽壳体的最大尺寸大于2m的情况，屏蔽效能测量方法需满足GB12190/IEEE.299-2006屏蔽效能测量标准；
[0108] (3)对于小型屏蔽
箱体等屏蔽壳体的最大尺寸在0.1-2m范围内的情况，考虑到谐振的影响，屏蔽效能测量方法需满足IEEE 299.1-2013标准；
[0109] (4)测量状态要求为：屏蔽室、屏蔽机柜、机箱、屏蔽盒等所有I/O
接口需要连接实际使用的电缆，测量状态及相关要求需要在测试报告中体现；
[0110] 步骤S25，比较屏蔽壳体的屏蔽效能SEM与RAE的屏蔽效能设计需求SER，若SEM≥SER，则表示可以安装RAE，否则(即，SEM＜SER)，返回执行步骤S24，以进一步优化电磁屏蔽及滤波设计，例如，选用更好的滤波连接器、优化屏蔽滤波结构、选用更好的屏蔽
衬垫、优化通信链路等(电磁防护设计需要由专业技术人员依据实际情况优化电磁屏蔽设计)，直至SEM≥SER后安装RAE；
[0111] 步骤S26，对于安装后的多个RAE，考虑到它们之间的电磁兼容性，需要进一步评估它们的整体电磁兼容性(这是因为射电天文台址由很多RAE组成，各RAE之间存在通信互联的情况，互联后的各类RAE的电磁兼容性需要进行评估，以确定是否存在潜在的电磁兼容问题)，若安装后的RAE满足电磁兼容性要求，则RAE可正常工作，否则，需要进行电磁兼容整改(例如，采用近场
探头测量分析电磁干扰泄
露点，对薄弱环节的电磁兼容问题进行加固，此过程由专业技术人员依据实际情况处理)，直至满足电磁兼容性要求后可正常工作；
[0112] 其中，电磁兼容性评估方法为：现场环境下，依照GJB151B测量方法，结合RAE所在位置的电磁兼容性要求(RAE电磁辐射量级低于RAE所在位置干扰电平限值，则满足电磁兼容性要求)，并考虑测量系统灵敏度，测量分析各类RAE整体电磁辐射是否存在非兼容性问题(需要专业技术人员依据工程经验进行现场测量分析确定)。
[0113] 以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明
申请的
权利要求书及
说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明
专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
