射电天文中射频干扰消除技术的研究

射电天文中射频干扰消除技术的研究

摘要：目前，无线电广播和通信已经覆盖整个地球，随时随处都可检测到在不同功率水平的电信号。这些射频干扰（RFI）严重影响着射电天文业务发展，并极大限制了射电望远镜的灵敏度，并且被证明是下一代射电望远镜（或阵列）所要克服的最大障碍之一。很多射频干扰检测和消除技术已在近几年得到发展，本文将描述射电天文中的各种消干扰方法及策略,并特别讨论新疆天文台对RFI 消除技术的研究和应用。

关键词：RFI；射电天文观测；干扰消除

1 射电天文简介

射电天文学是通过接收和处理天体的无线电辐射来研究天文现象的一门学科。从宇宙天体来的无线电波只有波长约0.1mm~30m左右的无线电辐射才能到达地面，所以绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。射电天文学家使用不同的技术可以探测到来自天体的微弱信号源的无线电频谱。这种射电信号非常微弱，并且有被动性、高灵敏度、宽频带的特性，所以它很容易被别的无线电信号干扰，甚至无法识别。此外，射电天文观测的频谱很宽，使用无线电频谱的每一个对象，例如广播电台，电视，通信卫星，导航卫星及监控系统等，都有可能影响到射电天文观测。

2 干扰类型和减缓策略

从无线电发射和接收设备的工作机理来分析，射电望远镜受到干扰的类型主要有同频干扰、邻频干扰、杂散干扰和阻塞干扰[1]。积极主动的保护是对射频干扰最好的应对策略，它可以通过有效的去除干扰源而保持射电天文业务频段的洁净。主要策略有：合理规划频段、建立无线电宁静区和屏蔽台站自干扰。

3 RFI的消除技术

消干扰时，一般从时间、频率、极化、位置、距离、敏感性等参数来区分RFI和射电天文信号，目的是在数据流中准确识别RFI并完全删除或消隐。整体来说，可分为如下几类[2]。

3.1 时频域切除

对于数字信号序列，根据一定算法在时域或频域里设立不同的阈值。如果信号强度大于阈值，则它被认为是射频干扰并剔除。这种方法是最简单的一种，可以在时域或频域处理，也可以在线或离线处理。但是，为了检测出所有可能的RFI而规定一个时间分辨率Δt或频率分辨率Δf是非常困难的。

3.2 零陷

任何相控阵的接收方向图都有旁瓣和零点，因此这可用于定位干扰源，一定条件下还可自动产生自适应调节指零。但此算法要求高干扰噪声比（INR），如果天线阵设置为跟踪某些特定方向的目标，消干扰效果会更好。当前Allen望远镜阵列是唯一探索这项技术的天文台。

3.3 自适应滤波

自适应滤波器是一种消除RFI的强大的工具，只要参考通道给出独立的RFI 信息，它就能够消除主通道中的RFI。滤波器将会依据因子1/（1+INR）来消减中频信号中的RFI；但同时，一部分参考通道的噪声也将注入滤波器输出，在大小上量化为因子1/（1+INR）。此外，自适应滤波器也适用于综合天线阵。

3.4 子空间滤波

此类方法中，不需要独立的参考通道提供RFI的信息，仅从数据本身中就可以识别RFI，其目标是要找到一些统计特征来区别射频干扰和无射频干扰数据。

3.5 空间滤波

其原理是任何RFI都有其独特特征。接收机的噪声一般为白噪色，采样之间不相关，接收机之间也不相关，但RFI在时间和天线间都存在的相关性。空间滤波试图通过相关特性对这些样本进行分类，然后消除RFI。

4 国内RFI的研究和应用

在国内，射频干扰已严重影响到每一个射电天文台。RFI已对21cm射电阵列（21CMA）产生了影响，500m口径球面射电天文望远镜（FAST）更需要考虑RFI的危害，新疆天文台已经对RFI的检测和缓解方法进行了探索研究。

4.1 21CMA和FAST

21CMA是世界上最早开展搜寻宇宙第一缕曙光的大型射电望远镜阵列。和LOFAR类似，属于低频天线阵列，频率范围为70MHz~200MHz，这包含了电视和调频广播的频带。同时这个频率范围是污染最为严重的无线电频率范围，RFI 信号的水平将对其研究带来严峻的挑战。FAST将成为有史以来建造的最大的单孔径射电望远镜。它的工作频段在70MHz~3GHz的范围内，随着后期的扩建最终达到5GHz或8GHz的频宽；并在其工作频段内将实现前所未有的高灵敏度。如此宽频率范围和高灵敏度会使接收机极易受到RFI的影响，因而对FAST干扰研究的核心是高灵敏性下抗干扰的防范和消除。

4.2 新疆天文台

新疆天文台主要观测设备是一台25m口径的射电望远镜。近年来，RFI有不

断增多和加强的趋势。在对新疆天文台南山站的18cm、13cm接收机频带内RFI 监测后，发现同时存在邻频干扰、杂波干扰和阻塞干扰现象。针对脉冲星观测时的干扰特点，作者对脉冲星数字滤波器（PDFB）采集系统记录的脉冲星数据进行了干扰消除研究，并采用时频域阈值切除法、自适应滤波器、小波分析等多种方法进行消除干扰；最终对比消除效果发现，时频域阈值切除法能够有效消除现场RFI，且脉冲星信号轮廓清晰可见，信噪比显著提高。

5 结论

在射电天文学中，没有哪一种消干扰方法是通用的。本文作者结合现场RFI 特点，采用多种方法对RFI进行消除，在抑制RFI和有效提高脉冲星信噪比方面取得显著的效果。随着无线电环境的不断恶化，对射电天文中RFI消除技术的研究将会显得越来越为重要。

参考文献

[1]彭涛，冯宝强，万峻，王涛，张宁.射电天文业务干扰评价和电磁环境保护探讨[J].中国无线电，2007(3).