PSD法测量大型射电望远镜副面位姿

指向精度是大型射电望远镜天线具有挑战性的关键技术指标.在望远镜运行中,方位俯仰角的变化、重力以及日照等对副面撑杆的综合影响会引起望远镜的副面位姿改变从而引起指向误差的增加和天线效率的降低.基于天马65 m射电望远镜,使用位置传感器装置(PSD)法构建了副面位置偏移量测定系统,可以实时采集副面的3维位移数据,构建重力模型,将测试结果与射电法构建的现有副面模型进行对比,有较好的一致性.此外,该系统可以分析日照(引起撑腿局部温度效应)引起的副面位移情况,也可以监视风载和瞬时启停对副面位姿的影响.     

TM65m射电望远镜L、S、C、X频段天线性能测量

报告了上海天马65 m射电望远镜(简称TM65m)4个低频(L、S、C、X)段的天线效率、灵敏度以及系统噪声温度的性能测试情况.首先介绍了射电天文接收系统的关键指标,接着对测试方法进行了论述,并对误差进行了评估.最后给出了TM65m上4个低频段的天线效率、灵敏度以及系统噪声温度的测试情况,测试结果表明:在C和X波段,副面位置固定时,在高低俯仰角上效率和灵敏度下降剧烈,当启动副面(随动)模型后,在全仰角范围内,效率可以控制到60%以上.系统噪声温度与副面模型无关,在4个波段中C波段的灵敏度和系统噪声温度最佳.     

TM65 m射电望远镜Ku、K、Ka和Q频段天线性能测量

讨论了TM65m射电望远镜Ku、K、Ka和Q4个高频段天线效率、灵敏度以及系统噪声温度的性能测量工作.首先介绍了TM65m接收系统4个高频段的关键指标,接着对测量工作中需要注意的方面进行了论述,主要包括望远镜指向和副面位姿模型的构建、噪声源的定标以及大气的影响.最后给出了TM65m在这4个频段的天线效率、灵敏度以及系统噪声温度的实测结果.测量结果表明:在最佳俯仰角45°-65°范围内,Ku、K、Ka和Q4个波段天线效率均可以达到约50%,而在较高和较低的俯仰角上,由于主面变形的缘故,效率有明显的下降现象.当俯仰角为50°左右时,4个波段的灵敏度分別为38 Jy、120 Jy、200 Jy和110 Jy.     

偏焦全息测量技术在上海65米射电望远镜中的应用研究

上海65米射电望远镜是亚洲最大、全方位可转动的大型射电望远镜,在国内首次配备主动面系统。对主动面系统应用的关键技术——偏焦全息测量技术在上海65米射电望远镜中的初步应用情况进行介绍。首先,介绍常用的天线主反射面面型测量方法。接着,介绍偏焦全息测量技术的应用方法。采用飞行扫描,利用X波段致冷接收机和连续谱终端,将射电源3C84作为信号源,通过移动副反射面测量得到一幅聚焦天线方向图和两幅偏焦天线方向图。将三幅天线方向图作为偏焦全息测量算法的输入,获得天线口径面相位分布的Zernike系数。依据Zernike系数计算得到天线主反射面型面误差的均方根值(root mean square,RMS),该均方根值与前期照相测量的结果基本相符。最后,对今后的改进工作进行展望。     

TM65 m射电望远镜指向模型的建立

介绍了建立上海天文台天马65 m射电望远镜(简称TM65 m)指向模型的过程.采用"十字扫描"的方法对单点数据进行采集,采用带有高斯项和非线性项的曲线模型进行偏差拟合,并对单点扫描过程中源角径导致的波束展宽量进行了仿真分析,通过使用射电源预报来提高建立模型的效率.用最小二乘法对全天区数据进行拟合,得出了8个天线参数的指向模型,并在实际中验证,最后建立了TM65 m望远镜X波段指向模型.盲指误差达到12.36角秒,满足了X波段及以下波段的指向要求.     

德令哈13.7m望远镜热变形研究

热变形是影响大型毫米波天线性能的关键因素之一.这种变形会改变天线反射面的轴线和焦距、恶化反射面面形,导致天线效率和指向精度恶化,同时也使天线效率和指向的长时间稳定性降低.由于太阳的周日运动,造成望远镜4个主支撑腿(简称支腿)之间存在温差,且该温差是变化的,从而引起方位轴的倾斜周期性变化.采用数字摄影测量、倾斜仪测量及天文实测等多种仪器和方法,研究了德令哈13.7m望远镜天线的热变形规律,并根据实时测量的主面温度分布,实现了副面自适应调焦补偿,使得天线效率提高近1倍.测量发现常规指向模型修正后的残差与天线主反射面(包括反射面板和背架,简称主面)直径方向温差存在线性相关性,故在指向解析模型中加入了温差修正项,并通过采用隔热材料包裹支腿的办法显著减小了支腿之间的温差,从而改善了望远镜的指向精度.     

天马望远镜P波段轴向偏焦研究

天马望远镜是65 m口径全实面地平式射电望远镜,信号经赋型抛物面主反射镜和赋型双曲面副反射镜汇集后在卡塞格伦焦点处馈入低温低噪声接收系统。开展天马射电望远镜轴向偏焦研究,旨在拓展天马望远镜在低频段的接收,创新之处在于利用P波段低频振子天线作为接收机馈源,放置在距离副反射面顶点下方约1/4波长处,研究天马望远镜在P波段开展天文观测的可行性。研究内容包括P波段振子天线设计、馈源轴向偏焦位置优化以及观测性能分析。P波段振子天线作为馈源,天线最大增益45 d B,天线效率64.25%。     

基于惯性测量的天线副面位姿测量系统的设计

以新疆天文台奇台110 m大型射电望远镜建设项目为背景,研发了一套基于惯性测量原理应用于大型射电望远镜的副面位姿精确测量系统。系统基于惯性测量和嵌入式技术,分别设计了信号采集终端和上位机处理软件,解决了超大型射电天线工作中副面位置摆动较大而无法确定精确位置,进而无法基于副面上六杆并联机器人对副面进行精确调节以提高观测效率的问题。该测量系统是射电望远镜副反射面控制系统构建成为闭环控制系统的关键模块。副反射面控制系统构建成为闭环控制链路以后,可以极大地提高射电望远镜的整体观测效率。     

基于应变的变形副反射面位姿形貌快速重构方法

随着双反射面天线口径的增大、工作频段的升高,天线对副反射面的精度要求也越来越高.当天线受到自重以及风荷、温度等外界因素的影响时,为了更好地保证满足天线的高指向精度等电性能要求,基于应变传感器和模态叠加原理,分别利用天线变形后副反射面支撑腿与副反射面自身结构的应变值来快速重构副反射面的位姿、形貌,便于副反射面调整机构对其进行实时修正,以实现更加精准的主副反射面位置匹配,降低因天线结构变形造成的波束指向误差和增益损失.     

佳木斯66m射电望远镜指向精度测量及改进

指向误差是射电望远镜运行的重要性能指标之一。为保证射电流量的测量精度,一般要求射电望远镜的指向误差小于十分之一波束宽度。对佳木斯66 m射电望远镜的指向进行了大量的测量,详细分析了指向误差的分布。利用新的基本参数模型进行误差修正后,佳木斯66 m射电望远镜的指向误差仍然随方位和俯仰有较明显的变化。分析认为,这种变化趋势是方位轴与俯仰轴夹角和重力变形两个参量对方位俯仰变化的高阶项引起的。通过引入两个误差源的一阶展开项对基本参数模型进行改进,使佳木斯66 m射电望远镜的指向精度有了明显的提升,从45″改进到20″以内。     

德令哈13.7m望远镜重力变形研究

借助于数字摄影测量结果调整天线面板,使德令哈13.7 m望远镜在仰角52°时获得最佳反射面面形,从而使天线效率在观测仰角范围内得到整体优化.与之前基于经纬仪测量的面板调整结果相比,天线口径效率提高约1倍.依据不同俯仰姿态下的测量结果,得到了天线的重力变形模型,包括副面偏移和倾斜、主面焦距和面形偏差随仰角变化的规律.根据不同仰角的面形偏差测量数据反演反射面重力变形模型时,采用了数据拟合方法,这样可以减小测量误差对模型精度的影响.     

50米天线馈源焦点偏移补偿控制系统的设计

通过测量北京密云50m天线在不同俯仰角度下X波段馈源的焦点轴向偏移,拟合出了由于天线重力形变引起的X波段馈源的焦点轴向偏移曲线.为了补偿焦点偏移,设计了包含电流环、转速环和位置环的馈源控制系统,并基于Matlab/Simulink软件,对系统进行了仿真.仿真结果表明,本文设计的馈源控制系统能够补偿焦点偏移,且系统具有良好的动态和稳态性能.     

基于主动反射面主动形变的相位恢复全息法研究

大口径射电望远镜的表面精度是影响天线性能的重要因素之一,受面板加工、安装以及重力、温度和风载的影响,极大地限制了天线的观测效率.基于较副面六联杆更加精确可控的主动面技术,首次采用泽尼克(Zernike)多项式表示连续变化的主动形变相位因子,通过调整主动面获取远场幅值,即可检测表面误差.通过建立数值仿真模型,计算了任意表面形变的恢复误差,并研究了在多种连续主动面变化下的表面形变恢复效果.结果表明此方法可以稳定精准地检测表面形变,从而有效提高射电望远镜的观测效率.     

考虑轨道不平度的射电望远镜指向修正方法

目前国内外射电望远镜指向修正大多采用线性修正模型,这种方法未考虑非线性偏差对指向的影响,其修正精度有一定局限,为此提出一种用于大型轮轨式射电望远镜考虑方位轴非线性倾斜偏差的指向修正方法。针对国家天文台密云50 m射电望远镜,对其进行全轨水平度测量,通过有限元建模并仿真计算天线方位轴的非线性倾斜偏差,同时通过实验测量了由于轨道不平度引起的俯仰轴角测量误差并进行了有限元仿真验证。应用天线指向试验数据进行考虑方位轴非线性倾斜偏差指向误差修正,得到新的指向辨识参数及指向残差分布。该修正方法与线性修正模型相比,总的指向精度提高了约0.578 3″。     

40m射电望远镜天线副面和馈源偏移误差分析

建立40m口径天线结构的有限元分析模型,依据有限元分析结果,对副面和馈源偏离理想位置的偏移量和偏移误差进行分析与计算;从误差补偿角度,运用最佳指向技术对副面横偏误差进行补偿分析计算。误差补偿后的计算结果表明,副面横偏误差得到了大幅度的减小。分析计算结果为40m天线的实际工程提供了参考。     

南山26米射电望远镜轨道高差测量及其对指向精度的影响

轮轨式天线的轨道作为承载整个天线重量的基础,其精度直接影响天线在方位方向运转的平稳性,引起天线轴系偏差从而影响天线的指向精度。介绍改造后的乌鲁木齐南山26 m射电望远镜(Nanshan Radio Telescope, NSRT)轨道结构以及轨道高差测量,并建立天线在不同方位、俯仰角下轨道高差引起天线指向偏差的数学模型。利用"十字扫描"法实测多颗标准源在相应位置的指向数据,并通过高斯拟合得到指向偏差。通过分析可知,轨道高差引起的指向偏差经过修正可以提高天线的指向精度。     

南极5 m太赫兹望远镜指向与调焦校准精度分析

指向校准与副面调焦是天线测量的重要组成部分,对射电望远镜实际的观测性能有重要影响.根据南极5 m太赫兹望远镜(DATE5)指向精度和离焦增益损失的指标要求,计算得到了指向校准与副面调焦观测过程中对信噪比的要求,并以此为依据选取了若干可行的候选校准源,包括太阳系行星和超致密电离氢区.分析了大气吸收和校准源角直径对测量精度的影响.仿真分析结果表明:望远镜在南极工作时,这些校准源在一定的高度角范围内可以提供足够强的流量密度,用来验证预先建立的太赫兹和光学望远镜两光轴指向偏差模型以及副面调焦模型.     

天线面板重力变形的主动控制量计算方法研究

提出了理想反射面及2参数、5参数和6参数最佳吻合抛物面方法,计算大型卡氏天线结构重力变形后主反射面板的调整量和对应的副反射面调整量,同时分析馈源偏焦对天线电性能的影响.以上海天文台天马65 m望远镜(TM65m)为研究对象,综合对比分析促动器调整量、6杆并联机构调整量、主反射面精度及偏焦后天线指向变化等,认为针对实际结构而言,经过调整修正后,6参数最佳吻合抛物面方法可以作为高精度天线理想的计算面板变形主动控制量方法,计算结果为天线的主动控制提供初调数据.     

主反射面变形引起的天线指向误差修正方法

射电天线指向精度通常要求小于主波束宽度的1/10, 对于短厘米波段或毫米波段的大口径反射面天线, 指向精度要求高达几个角秒, 对于天线性能目标的实现是个巨大的挑战, 因此对于大口径高频段的反射面天线来说指向问题成为天线性能实现的重要关注焦点. 在众多影响天线指向精度的结构子系统因素中, 对主反射面变形因素的研究很少. 文章结合天线的结构特点建立了反射面空间坐标系统, 并基于变形后主面点的空间坐标值, 提出了3自由度下的非线性最小二乘吻合的方法去精准预测天线指向. 最后利用空间几何关系严格推导出了服务于天线指向误差修正的俯仰和方位的精确调整量, 从而构建了主面变形同指向误差之间的间接关系, 这对大型射电天线指向精度的提升具有一定的指导意义.     

环焦天线口径面相位分析

环焦天线具有特殊的电磁特性和应用领域.对环焦天线的口径面相位误差进行了理论和仿真分析,推导了馈源和副面位置偏差引起的相位误差、主副面之间的补偿关系以及全息测量中天线转动引起的光程差.研究结果将对环焦天线的精确面形测量和补偿提供理论依据和参考.