TM65 m射电望远镜副面位姿建模

大型射电望远镜在观测过程中,随着俯仰角度的变化,副面支撑、背架、主反射面等都有不同程度的变形,这将导致天线效率在高低俯仰角上明显下降,天马65 m射电望远镜副面系统的安装可以用来补偿副面支撑和主面的重力变形,在不同的俯仰角度上,副面位姿的调整可以提高天线的效率和指向性能.通过在X波段和Ku波段研究副面位姿变化对天线效率的影响,用射电法建立了随俯仰角度变化的副面位姿随动调整模型和指向补偿模型.此外还测试了副面随动与固定对天线效率的影响,结果表明副面随动模型可以有效改善65 m望远镜在高低俯仰角上的效率,使得在整个俯仰角范围内,X波段的接受效率均达到60%以上.     

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。     

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.     

采用光学指向系统建立天马13m望远镜指向模型

描述了采用光学望远镜辅助天马13m射电望远镜进行指向测量以及建立指向误差修正模型的方法. 对于小口径望远镜, 指向校准目标源比较少, 用射电法建立指向模型难以覆盖全天区. 利用上海天文台天马13m射 电望远镜进行光学望远镜辅助射电望远镜指向测量研究, 在13m天线背架上安装一套光学指向系统, 获得了优 于3''的重复测量误差. 此外, 通过对影响天线指向因素的分析, 建立了包含8个误差项的指向误差修正模型以及 光轴和电轴偏差模型. 将指向模型代入天线伺服控制系统, 对校准目标射电源进行十字扫描, 得到指向样本残差约 为5''. 该研究可以为实现高精度指向建模提供一种参考方法.     

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.     

轨道不平度对天线指向的影响分析与修正

基于天线轨道不平度对望远镜指向的影响机理,测量并分析采用整体焊接轨道技术后的乌鲁木齐南山26 m射电望远镜(NanShan Radio Telescope,NSRT)天线轨道误差的分布情况及对指向的影响,从而对指向模型进行修正.采用移动最小二乘法(Moving Least-Squares,MLS)将测得的天线轨道高度差拟合成一个闭合的轨道高度分布曲线,确定因轨道不平度影响的天线方位轴偏差,对比实测天线座架变形的方位轴偏差,发现二者具有较强的相关性.考虑到天线座架重力变形的偏差包含南北向和东西向偏差,建立新的指向偏差模型进行校正.最后通过对已知校准射电源进行扫描测量,将指向偏差数据进行拟合.结果表明:新建的指向修正模型能够抑制已知指向模型偏差中的正弦分量,从而说明所建模型很好地反映了天线的指向偏差并对偏差具有一定修正作用.     

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。     

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.     

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.     

基于数值模拟的大口径高精度射电望远镜台址风障优化设计研究

随着射电望远镜口径增大、观测频率提高, 对其指向精度的要求也越来越高. 然而, 望远镜服役于野外台站, 台址风扰对天线指向精度的影响在高频段观测时已不能忽略. 由于风扰的时变性, 现有的抗风方法无法保障大口径高指向精度望远镜在高频段的有效观测时长. 因此, 提出了一种基于风障精确布置改善台址风环境的方法. 通过数值模拟构建了风障仿真模型, 并将仿真结果与风洞实测数据比较, 两种孔隙率风障的平均误差分别为3.7%和6.1%, 保证了风障模型的可靠性. 以新疆奇台射电望远镜(QiTai radio Telescope, QTT)台址为例, 基于QTT台址斜坡地形构建了计算域模型, 开展单风障不同高度、不同孔隙率的系列风场仿真试验, 得到了风障参量与下游挡风效果的关系. 基于单风障合理高度和最优孔隙率设置南北风障, 仿真结果表明在确定高度下最优孔隙率可以组合, 孔隙率0.1-0.1组合的风障挡风效果最优, 南方向来风在天线区域可以有效降低75%以上的风速.     

Active sub-reflector research for a large radio telescope

This paper proposes an active sub-reflector suitable for large radio telescopes, which can compensate both of the deformation of the main reflector and sub-reflector position offsets. The mathematical formula of the main reflector deformation compensated by the sub-reflector is deduced based on Cassegrain and Gregory antenna structures. The position of the sub-reflector is adjustable to compensate for defocusing errors on high and low elevations, which are mainly caused by the deformation of the sub-reflector supporting legs. In this paper, the method of obtaining the optimum position of the sub-reflector from the aperture phase by the interferometric method is introduced. The actual measurement is verified on the Tianma 65 m radio telescope, which provides a new way to diagnose the position error of the sub-reflector.     

Accuracy Analysis of the Pointing and Focusing Calibration of the 5 m Terahertz Telescope for Dome A in Antarcticatwo

Pointing calibration and sub-reflector focusing are an important task of antenna measurement, which significantly contributes to the observational performance of a radio telescope. According to the requirements on the pointing accuracy and defocusing gain loss of the 5 m Dome A Terahertz Explorer (DATE5), this paper has derived the requirements of signal-to-noise ratio for the pointing and sub-reflector focusing calibration observations, and selected several astronomical radio sources suitable for the pointing and focusing calibrations at the terahertz waveband in Antarctica, which include planets and ultra-compact HII regions. The effects of the atmospheric absorption and the source angular diameter on the accuracy of calibration measurements are analyzed. Simulations show that when the telescope operates in Antarctica, these sources can provide sufficient flux densities for verifying the pre-established pointing model and focusing model.     

射电天文中焦面阵或多波束馈源的应用

焦面阵技术或者多波束馈源系统已经日益广泛地应用于现代射电望远镜，因为它可以充分地利用同一射电望远镜反射面所能提供的信息，在观测比射电望远镜方向瓣大得多的展源时数倍乃至数十倍地提高观测的速度；当存在大气层或电离层的起伏或不均匀影响观测成像质量时，可消除这种影响，提高观测质量；利用焦面阵各单个馈源接收到的信息的互相关，则可以实时监控射电望远镜的反射面、二次反射面、指向精度，从而降低地面上大射电望远镜或空间射电望远镜的精度要求和造价。目前焦面阵已经愈来愈广泛地配置在毫米波射电望远镜和大型射电望远镜的主要波段。对此作了一个较新和全面的评述，对焦面阵应用中的限制，包括相位误差的限制和性能价格比的考虑和可能的前景作了简要的介绍。还分析了在计划中的大型主动球反射面射电望远镜（即FAST）上，配置焦面阵的相应限制、问题和难点，提出了初步的建议，并给出经中英双方讨论后初步拟定的FAST频段、波束及低噪声放大器的配置。     

New design of large fully-steerable radio telescope reflector based on homogenized mesh structure

The self-weight of a large fully-steerable radio telescope is one of the important factors affecting its performance. In the existing reflector system scheme, the problem of surface accuracy caused by its large and heavy structure has seriously restricted the application and implementation of large radio telescopes.Therefore, a new mesh structure scheme for a large fully-steerable radio telescope reflector is proposed in this paper. This scheme is based on a homogenized mesh back-up structure in the form of a quasi-geodesic grid and regular quasi-tri-prism or tetrahedron, which can significantly reduce the structural complexity and self-weight of the reflector under the condition that the reflector can meet the desired performance requirements. Finally, the feasibility and rationality of the scheme are evaluated by numerical simulation analysis, which has significant advantages and provides a new design for the reflector of a large fullysteerable radio telescope.     

射电望远镜的发展和前景

在近代科学技术发展的基础上诞生和成长起来的射电天文学已经走过了66年的历程,作为射电天文学主要探测工具的射电望远镜有了长足的进步,面临21世纪人类社会和自然科学技术包括天文学发展的挑战,射电望远镜及射电天文学将迈出新的步伐．从射电天文学和射电望远镜发展的关系、射电望远镜几个主要发展方向和目前水平、自90年代以来逐步勾画而明确起来的未来发展方向等方面阐明了射电望远镜的发展和前景,以作为我国发展新一代射电望远镜的参考．     

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.     

New telescopes in China

This paper covers the main aspects of three new optical telescopes: a 1.26 m aperture one for use in the infrared, a 1.56 m aperture one for astrometry, and a 2.16 m reflector for general astrophysical work. It also briefly mentions the 13.7 m telescope designed for the mm wavelength band, the first VLBI in China and the meter wavelength aperture synthesis telescope. All these telescopes, optical and radio, are now being built in China.Paper presented at the IAU Third Asian-Pacific Regional Meeting, held in Kyoto, Japan, between 30 September–6 October, 1984.     

Trying to enlarge the sky coverage of the FAST

The proposed FAST project is a novel giant spherical radio telescope, with active elements which form a temporary paraboloid to track radio objects in the sky. Efforts have been made to extend the limited sky coverage that is a characteristic disadvantage of Arecibo-style radio telescopes. Three measures under investigation are introduced in this paper. The expected performance of the telescope is described, and a brief comparison is made with some of the largest existing radio telescopes. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Modeling and calibration of pointing errors with alt-az telescope

This paper presents a new model for improving the pointing accuracy of a telescope. The Denavit–Hartenberg (D–H) convention was used to perform an error analysis of the telescope's kinematics. A kinematic model was used to relate pointing errors to mechanical errors and the parameters of the kinematic model were estimated with a statistical model fit using data from two large astronomical telescopes. The model illustrates the geometric errors caused by imprecision in manufacturing and assembly processes and their effects on the pointing accuracy of the telescope. A kinematic model relates pointing error to axis position when certain geometric errors are assumed to be present in a telescope. In the parameter estimation portion, the semi-parametric regression model was introduced to compensate for remaining nonlinear errors. The experimental results indicate that the proposed semi-parametric regression model eliminates both geometric and nonlinear errors, and that the telescope's pointing accuracy significantly improves after this calibration.