平均风作用对天马望远镜面形精度和指指向精度的影响

天马望远镜的最高工作频段为43 GHz。为保证高质量的观测结果,需要研究风载荷对天线精度的影响。首先对观测站实测的风速风向数据做了统计分析,结果显示:10 m高度处10min时距平均风速小于4 m·s~(-1)的占比超过80%,主导风向为北-西北方向。然后,通过将倾斜仪实测结果与有限元模拟结果进行对比,验证了模拟的有效性,并进一步分析了在不同迎风姿态、不同风速下天线结构的平均风荷载响应,以及天线面形精度和指向精度的变化。结果表明,平均风荷载对天线指向精度,尤其是俯仰角指向精度的影响较大,对面形精度的影响较小;在弹性范围内,天线面形精度和指向精度与风速间均为二次关系。研究结果可为天线面形精度和指向精度的评估提供参考。     

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.     

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.     

天马13m射电望远镜高精度指向模型的建立

天马13 m射电望远镜是专为空间大地测量的新一代甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)天线,即VGOS(VLBI Global Observing System)系统。VGOS观测将从调度、相关、观测策略到分析各方面改变甚长基线干涉测量。与传统测地观测相比,VGOS观测将数据精度提高1～2个数量级。天马13 m射电望远镜安装了3～15 GHz宽频制冷接收机,一般要求天线指向偏差小于最高频率波束宽度的1/10。为满足高精度指向要求,详细介绍了建立指向的方法和天线控制扫描策略,给出了系统误差修正模型的完全表达式,明确了指向修正模型中的参数意义。基于该天线指向扫描的实测数据,实测评估了望远镜的指向精度。采用最小二乘法对覆盖全天区的数据样本进行拟合,得到天马13 m射电望远镜指向模型,并加载到天线伺服控制系统进行验证,得到了优于10″的盲指误差。     

膜圆顶及塔架对南极望远镜风载影响的仿真分析

为了充分利用Dome A地区绝佳的视宁度条件, 计划将南极望远镜安装在15m高的塔架上并使用轻质膜圆顶. 研究了在塔架和膜圆顶作用下风载对望远镜观测环境的影 响, 利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析了在10m·s^-1稳态风作用下,不同风向角、方位轴转动角以及镜筒转动角时,望远镜周围风速、湍动能的分布情况以及光程差的变化,同时研究了风屏对风速、湍动能的改善作用和带来的温升.结果表明,塔架和圆顶周围的风速与湍动能分布对风向的改变不敏感;迎风状态时望远镜附近的湍流分布与风速分布情况整体优于背风状态;当风速为10m·s^-1时,在距离风屏1m远、3m高的位置处风速降为来流风速的1/3至1/4,望远镜附近的平均温升值为0.044 K.     

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.     

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.     

佘山25米天线导轨问题对指向误差影响的研究

本根据25米射电望远镜方位导轨水平度的检测数据，分析了天线在不同位置时指向误差的情况及其原因，为进一步提高天线指向精度提供了理论依据和实测数据。     

26米天线座架温度分布规律及变形影响分析

为满足大口径地面射电望远镜的高精度要求,开展射电望远镜热影响研究,保持结构的热稳定性,对提高望远镜指向精度有重要意义。以改造后南山26 m天线为研究对象,利用FEMAP软件建立座架结构模型,设定边界条件,得到某年6月4日全天各时刻天线座架上的温度场分布,将温度场结果与结构耦合,得到热变形,建立了温度测量系统,与仿真结果相比,当天局部最高温度可达31.33℃,最大温差可达10℃,最大位移量可达1.8 mm,与实测结果变化规律基本一致。分析座架温度分布规律及其变形影响,为后期天线的温度补偿和结构优化提供参考依据。     

大型双反射面天线指向误差评估算法

针对天线变形耦合影响指向误差评估精度的问题,提出基于几何光学的大型双反射面天线指向误差评估算法。通过建立变形反射面天线的最佳吻合抛物面、偏移副反射面以及馈源在基坐标下的数学模型,计算反射面辐射区间并确定指向误差权重因子,最终建立天线的指向误差评估模型。为验证算法的正确性,应用该模型对一座在建70 m天线的多组虚拟变形工况进行指向误差评估,其结果与现有波束偏移因子算法以及电磁仿真算法的评估结果进行对比,结果表明,该模型评估的指向误差结果与电磁仿真算法以及波束偏移因子算法的评估结果吻合,所提算法正确。该算法为分析天线变形耦合对指向误差评估精度的影响提供了理论依据,在一定程度上提高了天线的指向误差评估精度。     

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.     

十米射电望远镜指向跟踪精度分析

本文对云南天文台十米射电望远镜的指向跟踪精度的影响因素做了比较详细的分析和讨论,提出了一些改进的措施,论证了天线系统指向精度达到33″、工作在1.3cm波段的可能性。     

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。     

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.     

基于光学辅助指向测量的太赫兹望远镜指向误差模型研究

针对太赫兹波段天文点源目标较少, 指向测量相对困难的特点, 研究了利用与太赫兹天线共轴的小型光学望远镜来辅助太赫兹望远镜指向测量以及建立指向误差修正模型的方法. 依托紫金山天文台1.2 m斜轴式太赫兹天线开展了光学辅助指向测量的实验研究, 利用一台安装在天线背架上的100mm口径折射式光学望远镜获得了优于2$''$的指向测量精度. 此外, 通过对斜轴天线的结构分析以及大气折射和本地恒星时(Local Sidereal Time, LST)偏差等误差来源的分析, 建立了包含23个误差项的斜轴式光学指向修正模型, 实现了约3$''$的拟合精度. 最后, 借助高精度数字摄影测量对光电轴一致性进行了标定, 并针对其对指向模型精度的影响进行了讨论. 研究成果将为南极5 m太赫兹望远镜(The 5m Dome A Terahertz Explorer, DATE5)及其他太赫兹望远镜提供指向测量和指向修正模型方面的技术参考.     

斜轴式太赫兹天线的卡焦近场全息测量研究

天线反射面的面形精度直接影响天线效率, 是望远镜的关键指标之一. 近场射电全息具有测量精度高, 便捷高效的优点, 是毫米波和亚毫米波射电望远镜面形检测最为常用的方法之一, 卡焦近场全息可以完整测量望远镜光路中整体的面形误差. 斜轴式机架结构能够更好地适应太赫兹望远镜在极端台址环境下的整体保温和热控需求, 但斜轴天线特殊的转动特性会在近场全息测量过程中引入额外的系统误差. 针对斜轴式天线的卡焦近场全息测量, 分析了数据处理中需要额外考虑的参考路接收机位置和副面衍射的影响, 并在1.2m口径斜轴式太赫兹天线上开展了测量实验. 实验结果表明, 卡焦近场全息测量的重复测量精度优于2.0μm RMS (Root Mean Square), 面形误差分布与摄影测量所得结果一致, 验证了误差分析与修正的正确性.     

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.     

大型射电望远镜面形精度测量方法研究综述

射电望远镜是天文观测与深空探测的重要设备,当前正朝着大口径、高频段方向发展。大型射电望远镜的面形精度是影响接收性能的关键指标。为了理清各种大型射电望远镜面形精度测量方法的特点,将大型射电望远镜面形精度测量方法分为4类:经典测量法、激光测量法、摄影测量法和微波全息法。详细阐述了各种面形精度测量方法的原理及应用,并对比分析了各自的优劣势;对大型射电望远镜面形精度测量方法的发展趋势进行了论述和展望,为不断探索和创新望远镜面形精度测量方法提供了参考。