中国科学院上海天文台年刊2007年 总第 28期ANNALSOFSHANGHAIASTRONOMICALOBSERVATORY,CAS No.28, 2007
一种基于相位的相对延迟变化测量方法
王锦清 韦文仁
(中国科学院上海天文台,上海 200030)
提要详细地介绍了 VLBI系统的地面单元中电缆延迟变化的测量方法,这种基于相位的测量方法,
为相关领域的高精度延迟测量提供了借鉴.概要介绍了地面单元中电缆测量、反射调制以及相位
比较器的工作原理,对各个环节作了数学上的推导分析.给出了一个电缆相对延迟值随温度变化
的测试样本.
主题词:地面单元 — 相位 — 测量 — 延迟变化 — 移相 — 调制 — 锁相环
分类号:P228.6,TM935.27
1 引言测地 VLBI系统要求对设备的相位和延迟作精确的校正.VLBI系统中的天线单元和地面
单元就是为此目的而研制,前者用于相位校正,后者用于延迟校正.地面单元和天线单元框图
如图 1所示.天线单元又称相位校准单元,主要是一个梳状谱发生器,用于产生向接收机前端
注入的 1MHz间隔的脉冲信号,其目的是在后处理中提取这些信号在不同频段上相位的移动,
从而得知并补偿不同频段 BBC(基带转换器,BaseBandConvertor)的相位变动,这在文献[1]
中有详细的阐述.从地面单元到天线单元信号传输的延时变化,将直接影响相位校准信号的
准确性,就有必要对地面单元的电缆相对延迟测量的目的及原理作比较深入的分析.
地面单元的主要功能是测量其自身(通常位于VLBI终端)和相位校准信号注入点(通常
图1地面单元和天线单元
Fig.1 Groundunitandantennaunit
收稿日期:2007 03 15; 修回日期:2007 05 07
位于接收机)之间电缆传输的延迟变化量(相对测量)[2]
.因为相位校准信号为宽带梳状谱信
号(覆盖范围为 0~12GHz),它与射频信号耦合并进入接收机的低噪声放大器(见图 1),所以
在后面的中频信号中已经含有梳状谱信号,对于中频信号到格式器的延迟测量可以通过测量
1兆间隔的梳状谱信号的相位变化求出.可见梳状谱的稳定性是极为重要的,而要确保梳状
谱的稳定性,就必须保证从终端的地面单元到天线单元之间 5MHz信号的稳定性(因为梳状谱
是由 5MHz分频后触发的)以及延迟变化的可知性,地面单元通过测量电缆的延迟变化就可
以得知相位校准信号的延迟变化,所以地面单元可以看成是对相位校准信号的校准.通常情
况下 VLBI终端和接收机之间的距离比较远,上海的距离大约为 15m,乌鲁木齐、昆明的则为
100m以上,5MHz信号在经过这么长距离的传输后将引起不同程度的时间延迟,在理想情况
下(即恒温恒压等条件下),这个延迟的平均绝对量可以在相关处理后用拟合的手段求出,但是,在温度等因素变化的情况下,这个延迟的平均绝对量和实际绝对量的偏差已经达到数十皮
秒,这样的偏差已经影响到相位校准信号的精度,进而影响到后面中频信号中梳状谱的精度.
因此,测量获得并记录 VLBI终端和接收机之间(也就是地面单元和天线单元之间)5MHz电缆
延迟的相对变化量,然后在数据处理时修正这项变化值,对于测地等高精度的天文测量具有十
分重要的意义.同时这种基于相位的精确相对测量方法对于相关领域都具有借鉴意义.
电缆延迟变化的测量方法有多种,低成本的方法中常用的有这样两种:第一种方法是使用
矢量电压计,测量参考信号和被天线单元反射回来的信号之间的相位差,这种方法简单,但是
存在的不足是在接收机和 VLBI终端之间电缆上的反射将引入误差(这主要是由电缆连接不
好等因素造成的),且该误差具有很大的随机性.第二种方法也就是当前我们采用的测量方
法,由地面单元电路进行电缆延迟测量,其基本原理是测量通过电缆后被反射回来的带有

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