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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

大口径射电望远镜主面误差分析与修正

建立了40 m口径射电望远镜天线结构有限元模型,依据模型分析结果,对40 m口径射电望远镜天线主面误差进行了分析和数值计算;从误差修正的角度,分别对主面误差的最佳拟合修正、安装角预调的工作仰角综合修正进行了分析与数值计算．误差修正后的计算结果表明,主面精度得到了大幅度的提高．分析结果为该望远镜天线的实际建造提供了参考．     

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.     

大口径望远镜反射面日照温度场效应实验研究

针对大口径射电望远镜主反射面在日照作用下产生温度梯度及形变问题,建立了完整的温度测量及精度评估的系统。在特定的测量条件下,利用红外热像仪测量了望远镜主反射面的温度,获得了不同时刻的温度分布情况,并得到最大温差为7.8℃。采用全息法分析主反射面的精度变化情况,得到由于温度变化导致的最大误差为0.33 mm。结果表明:温度对望远镜主反射面的精度影响较大,需采取合适的测试系统实时监测温度,并调整主反射面板以提高精度。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

利用GNSS测量射电望远镜参考点的仿真分析

高精度测量射电望远镜参考点和轴线偏差等参数,对建立天线指向模型和本地连接参数、提高测站坐标精度等具有重要意义。为完成新建射电望远镜参考点初始参考值的快速测定,根据望远镜的旋转模型,结合常规静态归心测量方法和随机动态测量方法,提出了一种利用GNSS天线代替测量靶标实现望远镜参考点测量的方法。通过仿真分析验证了该方法的合理性和有效性,并分析了数据点个数和数据点测量精度对天线参考点和轴线偏差解算精度的影响。     

基于虚拟相机的天线俯仰轴形变快速高精度测量方法研究

长期的磨损和扭转会使天线俯仰轴结构发生小尺度形变.实现这一形变的快速高精度测量,对于大口径全可动天线指向精度修正和俯仰轴健康监测具有非常重要的价值.搭建了单相机测量系统,建立了一种虚拟相机数学模型,将结构变形转为空间变换进行求解,从而提出了一种俯仰轴形变快速测量方法.实验结果表明,该方法的平移分量综合精度可达0.282...     

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.     

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″。     

新疆天文台25m南山射电望远镜日照温度场研究

中国科学院新疆天文台25 m南山射电望远镜(25 m NSRT)受日照导致天线结构温度不均匀,其指向精度和效率均有一定程度的损失.为研究25 m NSRT日照下的热力学特性,构建了晴空下射电望远镜热环境参数和热力学有限元模型,考虑了射电望远镜背架、面板等结构件对光线的反射和遮挡作用,通过比较25 m NSRT典型观测工况下各构件的平均温度、均方根温差、单位温差特征距离等特性参数,发现各部件热容量的差异是天线部件间存在大尺度温差现象的主要原因;分析了各类俯仰角和太阳照射角下天线背架结构的温度分布特征,表明日照区域的背架结构温度呈近似线性分布,平均梯度可达0.25℃·m^-1.