一種快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法，可有效解決大口徑射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度測量中測量時(shí)間長、測量精度低、固定俯仰測量、需額外硬件設(shè)備輔助等問題。本發(fā)明是一種特殊的相位恢復(fù)微波全息法，只需測量天線孔徑場幅度，而對(duì)其相位采用一定的方法進(jìn)行恢復(fù)。本發(fā)明可采用任意穩(wěn)定的射電天文源作為其信號(hào)源，利用天文接收機(jī)和終端（功率輻射計(jì)），對(duì)天線聚焦和離焦下的波束圖進(jìn)行掃描；利用澤尼克多項(xiàng)式函數(shù)建立天線孔徑相位模型，通過最小化算法對(duì)模型值和實(shí)測值的殘差進(jìn)行迭代運(yùn)算，便可獲取殘差矢量最小的最優(yōu)解，以得到澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)，并反推獲得天線的孔徑相位分布，即可獲得射電望遠(yuǎn)鏡的反射面精度。
【專利說明】 一種快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]射電天文望遠(yuǎn)鏡的反射面精度是影響其性能的重要指標(biāo)，它不但影響了射電望遠(yuǎn)鏡的觀測效率，還決定了射電望遠(yuǎn)鏡可工作的最短波長。為了便于加工制造和安裝，大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的反射面(一般指主反射面)通常由多塊單面板拼接而成，施工時(shí)可采用電子水平儀安裝、攝影測量法初調(diào)和微波全息法精調(diào)等一系列技術(shù)手段，從而使射電望遠(yuǎn)鏡的反射面在一定俯仰角度下的面形精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。但在工作時(shí)，由于射電望遠(yuǎn)鏡直徑達(dá)數(shù)十上百米，重達(dá)數(shù)百上千噸，當(dāng)其工作在不同姿態(tài)時(shí)，受重力、溫度以及風(fēng)載等因素的影響頗大，射電望遠(yuǎn)鏡反射面組成的實(shí)際曲面與理想曲面之間的誤差也會(huì)隨之增大，這將直接導(dǎo)致射電望遠(yuǎn)鏡增益降低，影響射電望遠(yuǎn)鏡在高頻段的觀測效率，而且還會(huì)影響射電望遠(yuǎn)鏡方向圖的主瓣寬度和旁瓣結(jié)構(gòu)。
[0003]因此，為了解決該問題，20世紀(jì)90年代Orfei等人提出了主動(dòng)面技術(shù)。主動(dòng)面技術(shù)的原理是:在射電望遠(yuǎn)鏡反射面和支撐桁架之間安裝可調(diào)節(jié)的位移促動(dòng)器，當(dāng)射電望遠(yuǎn)鏡由于重力、溫度和風(fēng)載等外界因素引起旋轉(zhuǎn)拋物面形變時(shí)，控制系統(tǒng)將根據(jù)補(bǔ)償算法驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器調(diào)整面板，從而將變形的反射面恢復(fù)到設(shè)計(jì)曲面，最終保證射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)效率，這也是目前大口徑射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)高頻觀測的有效方法。
[0004]目前常規(guī)的主動(dòng)面控制系統(tǒng)均采用安裝時(shí)的面板位置作為零點(diǎn)，利用有限元模型(Finite Element Model,以下簡稱FEM)事先根據(jù)射電望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)、材料等參數(shù)進(jìn)行建模，并根據(jù)俯仰角不同建立一系列節(jié)點(diǎn)變形補(bǔ)償表，觀測時(shí)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)角度編碼器獲得的射電望遠(yuǎn)鏡反射面的俯仰角信息在FEM表中進(jìn)行查找，獲得相應(yīng)的補(bǔ)償值后將位置信息發(fā)送給控制器，并驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器移動(dòng)至相應(yīng)的位置。
[0005]然而，雖然采用FEM對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了建模，但實(shí)際射電望遠(yuǎn)鏡框架改變、配重、安裝誤差、內(nèi)應(yīng)力、材料不均勻性、因重力分量不同促動(dòng)器剛度產(chǎn)生的零點(diǎn)偏差等因素很難用FEM進(jìn)行描述，加之復(fù)雜的天氣環(huán)境，如太陽的不均勻照射、陣風(fēng)、雨雪天氣等不確定因素的影響，進(jìn)一步增大了該模型的誤差。例如，據(jù)美國國立射電天文臺(tái)在綠岸射電望遠(yuǎn)鏡上測算，在俯仰15度時(shí)其FEM的均方根誤差高達(dá)880微米，據(jù)此推算其在7毫米波段的觀測效率僅能達(dá)到7%左右，由此可見，根本無法滿足射電望遠(yuǎn)鏡的基本觀測要求。
[0006]為此，需要采用閉環(huán)反饋的控制方法以滿足主動(dòng)面控制系統(tǒng)的需要，這就需要對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡面形進(jìn)行精確測量，以實(shí)時(shí)向主動(dòng)面控制系統(tǒng)反饋測量數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡面形(即測量反射面精度)常用的方法如經(jīng)緯儀測量法、電子水平儀測量法、攝影測量法、相位干涉全息法等，然而，這些方法的測量時(shí)間一般需數(shù)小時(shí)，且測量操作復(fù)雜，一般只能在特定的姿態(tài)下進(jìn)行測量，因此，不能滿足射電望遠(yuǎn)鏡在運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)測量反饋所需的快速、精準(zhǔn)、任意姿態(tài)下測量的需求。
[0007]例如，現(xiàn)有技術(shù)中提出了一種《采用全息法測量天線面精度的方法》(專利申請?zhí)枮?201110130024.5)，以在天線初裝時(shí)對(duì)天線面板安裝位置進(jìn)行精確調(diào)整。然而，該方法采用的是相位干涉全息法，因此需要同時(shí)記錄信號(hào)源的幅度和相位值，而為了提供相位參考則需要在被測天線周圍架設(shè)一架小型參考天線進(jìn)行輔助測量，還需要采用對(duì)衛(wèi)星信號(hào)源進(jìn)行觀測的接收機(jī)系統(tǒng)，以及兩路信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的相關(guān)器等，所以，這種現(xiàn)有的方法存在以下缺點(diǎn):
[0008]1、參考天線的增益較低，需要長時(shí)間積分，且為了對(duì)相位進(jìn)行校準(zhǔn)，需要在掃描的過程中周期性指向信號(hào)源來獲得相位參考，從而降低了天線的掃描效率，造成測量時(shí)間長的問題；
[0009]2、由于直接測量天線孔徑場相位分布需要提供獲得基準(zhǔn)相位的參考天線和相關(guān)機(jī)，從而大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和硬件成本；
[0010]3、由于參考天線增益太低，因此只能采用地球同步衛(wèi)星作為其信號(hào)源，而在這種情況下天線俯仰角為固定值，無法實(shí)現(xiàn)任意俯仰角下的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法，以對(duì)射電天文望遠(yuǎn)鏡反射面精度進(jìn)行快速測量，滿足主動(dòng)面系統(tǒng)對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡面形精度實(shí)時(shí)檢測反饋的要求。
[0012]本發(fā)明所述的一種快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法，其包括以下步驟:
[0013]步驟SI，在射電望遠(yuǎn)鏡的聚焦?fàn)顟B(tài)下觀測一次數(shù)據(jù)，并在離焦?fàn)顟B(tài)下觀測兩次數(shù)據(jù)，每次觀測數(shù)據(jù)包括:利用射電天文源作為信號(hào)源，使射電望遠(yuǎn)鏡圍繞該信號(hào)源進(jìn)行網(wǎng)格式掃描，并記錄射電望遠(yuǎn)鏡方位和俯仰數(shù)據(jù)，同時(shí)采用天文接收機(jī)接收掃描到的射電信號(hào)，并由天文終端功率輻射計(jì)記錄射電信號(hào)的幅度數(shù)據(jù)作為射電望遠(yuǎn)鏡的遠(yuǎn)場幅度，其中，射電望遠(yuǎn)鏡為卡塞格林式射電望遠(yuǎn)鏡；
[0014]步驟S2，對(duì)所述步驟SI中獲得的射電望遠(yuǎn)鏡的方位數(shù)據(jù)、俯仰數(shù)據(jù)，以及射電信號(hào)的幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)以及網(wǎng)格化和歸一化處理，并分別獲取射電望遠(yuǎn)鏡在聚焦和離焦?fàn)顟B(tài)下的實(shí)測波束圖；
[0015]步驟S3，分別利用澤尼克多項(xiàng)式函數(shù)和高斯函數(shù)創(chuàng)建用于描述射電望遠(yuǎn)鏡孔徑場相位的參數(shù)化模型(I)和射電望遠(yuǎn)鏡孔徑場幅度的參數(shù)化模型(2):
【權(quán)利要求】
1.一種快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 步驟SI，在射電望遠(yuǎn)鏡的聚焦?fàn)顟B(tài)下觀測一次數(shù)據(jù)，并在離焦?fàn)顟B(tài)下觀測兩次數(shù)據(jù)，每次觀測數(shù)據(jù)包括:利用射電天文源作為信號(hào)源，使射電望遠(yuǎn)鏡圍繞該信號(hào)源進(jìn)行網(wǎng)格式掃描，并記錄射電望遠(yuǎn)鏡方位數(shù)據(jù)和俯仰數(shù)據(jù)，同時(shí)采用天文接收機(jī)接收掃描到的射電信號(hào)，并由天文終端功率輻射計(jì)記錄射電信號(hào)的幅度數(shù)據(jù)作為射電望遠(yuǎn)鏡的遠(yuǎn)場幅度，其中，射電望遠(yuǎn)鏡為卡塞格林式射電望遠(yuǎn)鏡； 步驟S2，對(duì)所述步驟SI中獲得的射電望遠(yuǎn)鏡的方位數(shù)據(jù)、俯仰數(shù)據(jù)，以及射電信號(hào)的幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)以及網(wǎng)格化和歸一化處理，并分別獲取射電望遠(yuǎn)鏡在聚焦和離焦?fàn)顟B(tài)下的實(shí)測波束圖； 步驟S3，分別利用澤尼克多項(xiàng)式函數(shù)和高斯函數(shù)創(chuàng)建用于描述射電望遠(yuǎn)鏡孔徑場相位的參數(shù)化模型(I)和射電望遠(yuǎn)鏡孔徑場幅度的參數(shù)化模型(2):
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法，其特征在于，所述步驟SI中，射電望遠(yuǎn)鏡在離焦?fàn)顟B(tài)下焦點(diǎn)的移動(dòng)距離為±5λ，λ為觀測波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的快速測量射電望遠(yuǎn)鏡反射面精度的方法，其特征在于，所述步驟S2包括消除溫漂對(duì)天文接收機(jī)的影響、消除天空背景對(duì)上述觀測數(shù)據(jù)的影響，以及消除指向誤差對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡掃描軌道的影響。
【文檔編號(hào)】G01R35/00GK103926548SQ201410159400
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】裴鑫, 陳卯蒸, 劉志勇, 馬軍, 王娜 申請人:中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)