基于数值模拟的射电望远镜台址测风塔位置优选方法研究

射电望远镜天线结构设计和观测任务的正常进行都需要台址风场信息.随着望远镜性能要求的提高,天线结构设计越来越复杂,风载荷对天线观测时造成的指向影响也越发明显,如何在设计时保证结构刚度和强度,在观测时提高有效观测时间,都需要准确的风场数据.由于传统台址测风塔布置方法无法对测风塔拟设点的可靠性做出定量化评估,因此提出一种基于数值模拟优化测风塔位置的方法.数值模拟基于规范参数设置边界条件,与实测数据比较,整体趋势吻合,满足精度需求.对试验台址设置了4个测风塔位置,经分析P2点与天线位置的风速均方根误差值(root-mean-square error, RMSE)最小,测得的数据更能表征天线区域的风场特性.     

一种基于元学习的大口径射电望远镜俯仰轴承故障辨识方法研究

在经过长期运行后大口径射电望远镜俯仰轴会出现微小扭曲, 滚动轴承作为承载俯仰轴的核心部件, 也会因长期承受交变载荷增加疲劳风险, 导致轴承寿命以及望远镜指向精度的下降, 极大影响望远镜的性能. 以俯仰轴承为研究对象, 开展故障辨识方法研究, 可为望远镜天线的高性能运行提供重要支撑. 为实现在有限数据和复杂工作条件下准确地辨识俯仰轴承故障, 提出了一种小样本条件下基于元学习的故障辨识方法(Few-shot Meta-learning Fault Identification, FMFI). 首先将不同工况下的原始信号转换为时频图像数据, 之后按照元学习协议将数据样本随机采样到不同的学习任务中. 在有限样本的条件下, FMFI可以通过训练任务中的样本信息获取通用的先验知识, 在未知的测试任务下实现准确快速的故障辨识. 选取了与望远镜俯仰轴承工况具有相似性的变负载轴承数据集进行实验, 实验结果表明, FMFI方法具有很高的准确性和可靠性, 为大口径射电望远镜俯仰轴承的主动运维和高质量服役提供了有力的技术支持.     

先进多孔径视宁度廓线仪数值模拟研究

先进多孔径视宁度廓线仪(A-MASP)由两台小望远镜组成,通过望远镜观测太阳表面的米粒结构进行日间湍流廓线测量.两台望远镜之间的相对指向误差可以通过改进的湍流廓线测量公式消除.数值仿真研究表明,使用消除抖动的湍流廓线计算公式后,发现A-MASP对地表附近的湍流不敏感.当两台望远镜距离为0.4 m时,无法测量400 m以下的湍流.在A-MASP中,采样高度的不均匀分布会造成测量结果的失真,可通过等效采样高度的计算方法,对该失真进行修正.通过100层相位屏对大气湍流的仿真,结果表明当望远镜距离不同时,湍流廓线测量的结果各有侧重.当距离较近时(0.4 m),A-MASP对0.4–5 km的湍流廓线测量精度较高.当距离为1.2 m和2.0 m时,对5 km以上的湍流廓线测量较准确.     

超大口径射电望远镜温度场分析

随着天线口径增大、频率升高,日照热对其性能的影响愈发严重.针对待建的新疆110 m大口径全可动射电望远镜,建立其热分析有限元模型,研究天线在夏至日不同太阳时刻的温度场分布特性.结果如下:一天中,主反射面的最高温度可达42.86℃,出现在14时,同时刻撑腿的温度也达到峰值,为41.74℃.背架水平分区温差在5时、18时、19.5时均超过1℃,会对天线指向性能产生较大影响.夜间天线结构温度分布亦不均匀,俯仰结构的温差明显高于其他构件,最大温差为6.42℃,通过数值模拟与试验相结合的方法,证明了构件的壁厚差异是导致结构夜间温差较大的主要原因.     

基于自回归滑动平均模型的大口径天线风速预测方法

针对大口径、高性能射电望远镜天线受到的随机及时变风扰的问题, 利用自回归滑动平均模型预测望远镜周围风速, 提前计算风致结构变形量, 同时为望远镜伺服控制系统提供足够执行时间来降低风扰影响. 基于新疆奇台110m口径全向可动射电望远镜(QiTai Telescope, QTT)台址风场数据特征, 通过赤池信息准则和贝叶斯信息准则辨识模型阶次, 利用最大似然法估计模型参数, 分析模型残差特性以检验自回归滑动平均模型的有效性. 通过计算不同季度预测数据与测试数据偏差得到预测模型的精度, 夏季平均绝对误差为0.133mcdots^-1, 秋季平均绝对误差为0.162mcdots^-1, 冬季平均绝对误差为0.287mcdots^-1. 整体来看, 基于QTT台址不同季度风速数据建立的自回归滑动平均模型预测误差较小, 满足射电望远镜风扰控制系统的需求, 能为大口径射电望远镜风扰控制提供必要数据支撑.     

基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标方法

大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope,LAMOST)初始波长定标操作,对于在先验定标系数附近搜索解空间内的每一点,通过插值法生成对应定标系数下的虚拟定标灯谱,再将生成的虚拟定标灯谱与实测定标灯谱作互相关运算,使得相关系数最大时对应的定标系数即为初始定标结果,其实质是一个多参数寻优问题.粒子群优化是一种基于群体智能的随机全局优化算法,具有实现简单、精度高、收敛快的特点.鉴于粒子群优化的优异性能,提出一种基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标方法,并设计相应算法和测试实验.实验结果表明,基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标在收敛性、解的质量、运行时间等方面都优于基于改进遗传算法参数寻优方法.     

Φ1650mm口径反射镜的坦克链支撑研究

Phi 1650mm口径反射镜是某套大口径精密光学元件检测装置中的定标校正模块, 用于对检测光路中的缩焦透镜等光学部件进行定标. 反射镜口径越大, 由于自身重力引起的变形问题越严重, 面型精度受到的影响也越大. 对于Phi 1650mm口径反射镜, 系统要求的技术指标是面型误差的均方根(Root Mean Square, RMS)小于1/70波长(波长为\lk 632.8nm). 针对这块光轴始终处于水平状态的大口径反射镜, 提出了坦克链支撑方案, 并与传统的钢带支撑做对比. 对坦克链支撑方案进行有限元分析, 逐步确定了坦克链节数和中心距, 根据标准选取了型号C2162H的双节距大滚子坦克链. 基于赫兹接触理论, 对坦克链滚子与反射镜的边缘非线性接触进行了模型简化. 经过Zernike多项式拟合后, RMS为2.58nm, 满足设计要求. 坦克链支撑结构简单、成像质量好, 同时降低了反射镜的倾覆风险, 可靠性高.     

65 m射电望远镜背架结构日照温度效应实验研究

借助精密工程测量手段,对65 m天线背架的日照温度效应进行了实验研究.在天线背架设计坐标系下分析实验数据,建立了日照温度变形模型,得出背架结构沿X方向变形系数为Kx=1.30×10-5,沿Z方向变形系数为Kz=-0.44×10-5,沿Y方向变形偏向太阳照射一侧.根据实验数据建立的背架变形模型,模拟分析了65 m天线背架日照温度变形对面形精度的影响,得出环境温度变化1℃带来的面形精度(均方根值rms)影响分量约为0.09 mm.实验结果为65 m天线主动面调节提供了很有价值的参考数据.     

大射电望远镜FAST风环境数值模拟研究

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST),整体结构处于复杂的喀斯特地貌上,反射面承受风载荷作用,需要进行抗风设计。建立了FAST反射面及其周边山地地形的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)计算模型,计算域范围为40 km×10 km×5.5 km。确定了入口风速剖面的基准高度为海拔810 m。计算了不同风向下反射面风压系数分布特征,得出了不利风向。对挡风墙的研究结果表明,挡风墙高度选择的效果优于位置选择。该研究结果可为FAST工程提供抗风设计的初步参考。     

大口径离轴非球面镜预应力环抛方法研究

提出了一种加工离轴非球面的预应力环抛方法,基于预应力加工方法的基本原理,利用环抛机来磨制离轴非球面.设计了一套专门的加载装置,将拼接镜面中具有不同离轴量的非球面子镜转化成曲率半径相同的球面子镜进行磨制,可以在同一台环抛机上进行抛光.利用这种方法,花费连续40 h的时间,磨制了一块按照中国30 m极大口径望远镜(CFGT)主镜参数比例缩小的离轴抛物面,顶点曲率半径21.6 m,离轴量3.6 m,离轴口径为330 mm,最大非球面度为16μm.试验表明该方法效率高,适用于批量加工,特别是极大口径天文望远镜拼接主镜的大批量非球面子镜研制.     

Research on Wind Tower Position Optimization Method of Radio Telescope Site Based on Numerical Simulation

Wind field is a critical issue for radio telescope antenna structure design and observation. As the telescope performance requirements are getting higher and higher, the antenna structure design becomes more and more complicated, and the influence of wind load on antenna pointing in the observation is also serious. How to ensure the stiffness and strength of the structure during the design and to improve the effective observation time during the observation all need accurate wind field data. Due to the traditional wind tower setup method cannot quantitatively evaluate the reliability of the setting point position, so a method based on numerical simulation to optimize the position of the wind tower is proposed. The boundary conditions of numerical simulation are set based on specification parameters, the overall trend is consistent with the measured data, and therefore the simulation accuracy could meet the requirement. Four wind tower positions were set at the test site. According to the simulation results, the root-mean-square error (RMSE) of wind speed between point P2 and the antenna position is the smallest. So, the measured data in P2 could better represent the wind field characteristics of the antenna area.     

射电望远镜多目标观测策略优化

望远镜调度是望远镜运行中的关键组成部分, 用于辅助科研人员进行合理的观测计划安排, 提高望远镜的运行效率, 获取高质量的观测数据. 然而, 由于不同观测项目的科学需求不同, 望远镜的调度过程十分复杂. 针对短周期多目标的观测项目, 考虑望远镜换源时转动时长、观测高度角等因素进行建模, 采用贪心算法对中国科学院新疆天文台南山26m望远镜脉冲星到达时间观测列表进行调度. 通过模拟表明, 使用算法完成的观测列表可以有效地减少观测过程中的平均转动时长, 提升观测数据的质量, 提高望远镜时间利用率, 减少科研人员对观测列表编排的负担.     

8m中国巨型太阳望远镜偏振光学设计

望远镜的仪器偏振是影响太阳磁场测量的重要因素,为了获得精确的太阳磁场信息,对大型太阳望远镜光学系统进行偏振优化设计非常必要.针对8 m中国巨型太阳望远镜(Chinese Giant Solar Telescope, CGST)的偏振设计需求,提出了基于四镜偏振补偿结构的望远镜折轴光学系统设计方案.基于偏振光线追迹方法,分析了该方案仪器偏振在望远镜光瞳和视场上的分布特性以及视场分布特性随望远镜运动和波长的变化.结果表明,在HeI 1.083μm和FeI 1.565μm磁敏谱线所在的近红外波段, CGST仪器偏振满足2×10^-4测量精度要求的“无偏振视场”为0.91′,而在可见光波段该“无偏振视场”为0.5′.     

Simulation Research on the Solar Hard X-Ray Imaging Telescope

The hard X-ray imaging telescope of the modulation collimator type is widely used in current solar observations. The spatial modulation telescope is the telescope which keeps its central axis not rotate, suitable for the satellite of 3-axis attitude stabilization. For the possible Chinese solar mission in the near future, we make a design of hard X-ray imaging telescope, and simulate the photon counting using the common simulation software GEANT4. Then we implement the image reconstruction with MATLAB, and compare the reconstructed image of the photons simulated by GEANT4 with that of the photons calculated by the geometric algorithm. The results show that the simulated one by GEANT4 is more closer to the reality than that obtained by the geometric algorithm. An executable design is also proposed at last.     

大型射电望远镜主反射面调整方法研究

随着毫米波天文学和空间通信的重要性日益提高, 对天线性能提出了越来越高的要求, 而天线性能往往受到其反射器表面精度的限制. 微波全息技术是一种快速有效的检测反射面天线表面轮廓的测量技术. 通过微波全息测量得到天线口径场, 计算天马65m射电望远镜反射面与理想抛物面的偏差. 天马65m射电望远镜的主反射面板是放射状的, 有14圈. 面板的每个角都固定在面板下方促动器的螺栓上进行上下移动, 且相邻面板交点处的拐角共用一个促动器. 采用平面拟合的方法可以计算各块面板拐角处的调整值, 但是同一个促动器会得到4个不同的调整量. 通过平面拟合, 同时以天线照明函数为权重的平差计算方法得到相邻面板拐角的一个平差值, 即天马65m射电望远镜1104个促动器的最佳调整值. 通过多次调整和新算法的应用, 天马65m射电望远镜反射面的面形精度逐渐提高到了0.24mm.     

太阳硬X射线成像望远镜模拟研究

调制准直器型太阳硬X射线成像望远镜是目前较为通用的太阳观测设备.空间调制望远镜是基于中心轴不旋转的望远镜,适用于3轴稳定的卫星.针对我国可能的太阳观测计划,给出并比较了两组空间调制望远镜的配置方案,然后利用GEANT4高能物理通用软件模拟实际光子的计数情况,使用MATLAB实现图像重建.比较模拟光子计数得到的重建图与几...     

Reliability Analysis of Main-axis Control System of the Antarctic Equatorial Astronomical Telescope Based on Fault Tree

The Antarctic astronomical telescopes work chronically on the top of the unattended South Pole, and they have only one chance to maintain every year. Due to the complexity of the optical, mechanical, and electrical systems, the telescopes are hard to be maintained and need versatile expedition teams, which means that an excessive awareness is essential for the reliability of the Antarctic telescopes. Based on the fault mechanism and fault mode of the main-axis control system for the Antarctic equatorial astronomical telescope AST3-3 (Antarctic Schmidt Telescope 3-3), the method of fault tree analysis is introduced in this article, and we obtain the importance degree of the top event from the importance degree of the bottom event structure. From the above result, the hidden problems and weak links of the system can be effectively found out, which will indicate the direction for improving the stability of the system and optimizing the design of the system.     

一种扩大FAST视场的方法

所有的大口径射电望远镜都存在这样一个问题：在其分辨率和灵敏度提高的同时，视场变小．而且口径越大，视场越小．这成为大口径望远镜不可回避的矛盾．要解决这个矛盾，可以在望远镜的焦平面上放置Ⅳ个分立馈源．让它们同时工作，这样可以看作把视场扩大了Ⅳ倍．望远镜的工作效率提高Ⅳ倍．但是这样做的缺点是——视场不连续．且馈源数目Ⅳ受到望远镜焦比(F／D)的限制．采用致密焦面阵(dense focal plane array)就可以很好地解决这个问题．致密焦面阵的单元不是喇叭口天线，而是无方向性的Vivaldi天线(Vivaldi antenna)．要把Vivaldi阵列应用到望远镜上，需要对单个Vivaldi天线和Vivaldi阵列的电性能有清楚的认识，并能根据需要来设计照明方向图．还要知道大望远镜的焦面上电磁场的分布情况，借此判断能否应用Vivaldi阵列，以及给出Vivaldi单元的分路赋权网络．主要给出了FAST的焦面场的分布情况．并说明应用Vivaldi阵列的可能性．